Operaciones Básicas en la Industria Química

Propiedades de la Materia

Otra posible clasificación de las propiedades de la materia es la siguiente:

• Propiedades extensivas: Dependen de la cantidad de material que se examine.
• Propiedades intensivas: No dependen de la cantidad de material examinado.

Concepto de Operación Básica

Tras este somero análisis sobre el proceso anterior, podemos comprobar cómo, mediante la acción coordinada de distintas etapas o procesos, unos reactivos iniciales son acondicionados y transformados en unos productos finales deseados.

• Cada una de las etapas individuales con una función específica que, coordinadas entre sí, nos permiten llevar a cabo un determinado proceso químico-industrial, es lo que se conoce con el nombre de operación unitaria u operación básica.
• El concepto de operación básica resulta aplicable tanto a aquellas operaciones que suponen un cambio en alguna característica física de las corrientes tratadas (temperatura, composición, cantidad de movimiento…) como a las que implican transformaciones químicas.

Clasificación de las Operaciones Básicas

• Operaciones de separación mecánica: Se pueden aplicar a mezclas heterogéneas. Se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad. Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. Ejemplos: tamizado, filtración, sedimentación.
• Operaciones de separación difusional: Operaciones encaminadas a la separación de los componentes de mezclas, que se basan en la transferencia de material desde una fase homogénea a otra, utilizan diferencias de presión de vapor o de solubilidad. La fuerza impulsora de la transferencia es una diferencia o gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia o un gradiente de temperatura, constituye la fuerza impulsora de la transferencia de calor. Ejemplos: destilación, absorción, extracción, cristalización.

• Destilación: Operación básica que consiste en separar líquidos por diferencia de volatilidad.
• Absorción: Operación básica que consiste en el paso de un compuesto gaseoso al seno de un disolvente.
• Extracción: Operación básica que consiste en hacer pasar un compuesto de un líquido a otro por el que tiene más afinidad, o de un sólido a un líquido.
• Adsorción: Operación básica que consiste en retener compuestos presentes en un fluido sobre la superficie de un sólido.
• Intercambio iónico: Operación básica que consiste en la sustitución de iones de la disolución por otros presentes en una resina de intercambio.
• Evaporación: Operación básica mediante la cual se concentra una disolución a través de la eliminación, mediante ebullición, de parte del disolvente que la constituye.
• Cristalización: Operación básica en la que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado) a partir de una disolución.
• Secado: Operación básica que consiste en eliminar agua u otros disolventes de una sustancia sólida mediante vaporización.
• Fluidización: Operación básica que tiene lugar cuando un fluido (gas o líquido) fluye a través de una capa de material sólido granulado en reposo a una velocidad suficiente para que las partículas sólidas queden suspendidas en el fluido.
• Filtración: Operación básica de separación que tiene como finalidad la separación de partículas sólidas de un fluido haciendo pasar este a través de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos.
• Centrifugación: Operación básica que consiste en la separación de dos fases de densidad parecida, al someterlas a un campo de fuerza centrífuga creada mediante un sistema mecánico de rotación.
• Sedimentación: Operación básica donde las partículas se separan por efecto de la gravedad debido a la diferencia de densidad.
• Trituración/molienda: Operación básica encaminada a la reducción del tamaño de los materiales sólidos.
• Tamizado: Operación básica destinada a separar/clasificar las partículas sólidas en función de su tamaño mediante el empleo de tamices o cribas.
• Flotación: Operación básica empleada para la separación de partículas o gotas vía adhesión a burbujas de aire. Las unidades burbujas-partículas/gotas presentan una densidad aparente menor al del medio acuoso y «levitan» o «flotan» hasta la superficie.

Operaciones Continuas

• En las operaciones continuas, el equipo en cuestión es alimentado de manera ininterrumpida por corrientes de entrada, y del mismo modo los productos obtenidos son retirados también de forma continua.
• El régimen normal de funcionamiento de las operaciones continuas es el régimen estacionario, lo que implica que, en un punto determinado de la instalación, el valor de las distintas variables intensivas permanece constante.
• A nivel industrial, resultan inevitables ciertas fluctuaciones o perturbaciones en el valor de dichas variables intensivas, para cuya corrección se adoptan las medidas de control necesarias.

Operaciones Discontinuas

• Aquellas en las que no hay un aporte continuo de alimento al equipo, ni una retirada continua de productos.
• Por lo tanto, en las operaciones discontinuas el equipo de trabajo es cargado con las materias primas a tratar, que son transformadas y, una vez terminada la operación, el equipo es descargado.
• A diferencia de las operaciones continuas, el tiempo es un factor clave en el rendimiento de la operación que se esté llevando a cabo y en el diseño (tamaño) de los distintos equipos.
• El régimen de funcionamiento de las operaciones discontinuas es el régimen no estacionario, en el cual las variables intensivas modifican sus valores en un mismo punto del equipo, desde un valor inicial hasta un valor final.

Operaciones Semicontinuas

• En algunas operaciones, determinadas corrientes entran y salen continuamente del equipo mientras que otras se cargan o descargan de forma discontinua.
• Estas operaciones, con características intermedias entre las anteriores, se denominan operaciones semicontinuas.

Ventajas y Desventajas de los Procesos Continuos frente a los Procesos Discontinuos

Ventajas

• Economía de escala (grandes producciones).
• Fácil recuperación o aportación de calor.
• Reducción de la mano de obra.
• Eliminación de tiempos muertos.
• Mayor uniformidad en los productos.
• Mayor producción por unidad de volumen.

Desventajas

• Se requiere uniformidad de composición de materias primas y reaccionantes.
• Difícil versatilidad.
• Arranque y paradas complicadas.
• Equipo de instrumentación y control costoso.

Flujo en Paralelo, en Contracorriente y Cruzado

• Cuando las corrientes se mueven en la misma dirección y sentido, la circulación se denomina flujo en paralelo.
• Si las corrientes se desplazan en la misma dirección, pero en sentidos opuestos, el tipo de circulación se conoce como flujo en contracorriente.
• Cuando las corrientes se mueven en direcciones diferentes, perpendicularmente entre sí, su circulación se conoce como flujo cruzado.

Flujo en paralelo: Situaciones específicas: absorción de un gas puro, intercambio de calor en el que uno de los fluidos experimenta un cambio de estado.

Flujo en contracorriente: En la mayoría de las operaciones industriales: rectificación, absorción, extracción, enfriamiento de agua en torres de relleno.

Flujo cruzado: Se emplea en algunas configuraciones de cambiadores de calor.

Balances de Energía sin Reacción Química

Vapor saturado: Vapor a la temperatura de ebullición del líquido.

Vapor sobrecalentado: Vapor que se encuentra a una temperatura superior a la de ebullición del líquido. Es el que se utiliza para mover las turbinas de vapor, para evitar su condensación en los álabes y que los deteriore.

De la misma manera que un balance de masa es una aplicación del principio de conservación de la masa, el balance de energía es una aplicación del principio de conservación de la energía.

Energía que entra = Energía que sale.

• El calor es una forma de energía que se transfiere de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura.
• Esta transferencia de energía se realiza del sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura.
• Las unidades de calor son, por supuesto, unidades de energía: julios (J), calorías (cal).

Existen dos tipos de calor en función del efecto que produce esta transferencia de energía:

Calor sensible: Es el calor que al ser intercambiado produce una variación de la temperatura. Se expresa de la siguiente manera:

Q = m · Ce · ∆T

Donde m es la masa del cuerpo, Ce el calor específico y ∆T es la diferencia de temperatura del cuerpo. En los ejemplos posteriores, el ∆T siempre se considera positivo, es decir, siempre se resta la temperatura mayor de la menor.

Calor latente: Es el calor que al ser transferido no provoca un aumento de la temperatura sino un cambio de estado. Durante el cambio de estado la temperatura del cuerpo o sistema no varía. La expresión matemática del calor latente es la siguiente:

Q = m · CL

Donde CL es el calor latente del cambio de estado que se ha producido.

• Aumentará la temperatura del cuerpo más frío y disminuirá la del cuerpo más caliente.
• De esta manera, llegará un momento en que las temperaturas de los dos cuerpos se igualarán y, por tanto, ya no habrá intercambio de energía.
• En ese momento se ha alcanzado el equilibrio.

En este caso, el balance de energía podría expresarse de dos maneras.

• La primera de ellas es: Calor cedido = Calor absorbido
• La otra expresión de balance de energía es la siguiente: Calor que entra = Calor que sale

Calor cedido = Calor absorbido

• Cuando hay un intercambio de calor entre dos cuerpos que están a diferente temperatura, todo el calor que cede el cuerpo de mayor temperatura es el que absorbe el cuerpo de menor temperatura.
• El vapor de agua, si no se indica lo contrario, solo cede su calor latente de condensación, por tanto, el condensado está a la misma temperatura del vapor. Y esto mismo también sirve para cualquier otro vapor que condense.
• Para determinar el calor o energía de cada flujo que entra o sale del proceso o unidad se multiplica el caudal por la entalpía que posee. Suele representarse la entalpía de una corriente en forma de vapor por H y la entalpía de una corriente líquida por h.
• Tanto las temperaturas de ebullición como las entalpías de un cambio de estado, así como las entalpías de saturación de un líquido, dependen de la presión a la que se encuentre.
• Estos datos vienen tabulados y se pueden encontrar en libros de datos químicos.

Evaporadores

Glosario

• Aceite térmico: Fluido caloportador que se utiliza en la industria química como medio de transporte de calor para distintos tipos de procesos. La selección del tipo de aceite térmico utilizado está en función de la temperatura de trabajo.
• Calor total: Es la suma del calor latente y del calor sensible.
• Camisa: Lámina de acero que cubre un equipo quedando entre esta y la superficie del equipo un espacio que se utiliza para hacer pasar el fluido calefactor o refrigerante. Habitual en reactores y evaporadores.
• Desnebulizador/rompenieblas: Estructura en forma de laberinto que permite separar las gotas de líquido que una corriente gaseosa pueda arrastrar.
• Electrólisis: Reacción química que permite separar los elementos de un compuesto mediante electricidad. Un ejemplo de electrólisis es la separación del agua en oxígeno e hidrógeno.
• Entalpía: Magnitud termodinámica que representa la energía calorífica absorbida o desprendida a presión constante.
• Evaporación flash: Paso de estado líquido a gaseoso, provocado por una reducción brusca de la presión.
• Purgador de vapor: Válvula automática que separa el circuito de vapor de calefacción del circuito de condensado. Su función es permitir la descarga únicamente del condensado (sin pérdidas de vapor).

Definición y Aplicaciones de la Evaporación

• La evaporación es una operación básica mediante la cual se concentra una disolución a través de la eliminación, mediante ebullición, de parte del disolvente que la constituye.
• El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución, formada por un soluto no volátil y un disolvente volátil, mediante el aporte de calor. La vaporización de una parte del disolvente produce una disolución concentrada y los vapores del disolvente.
• El proceso de evaporación se detiene antes de que el soluto empiece a precipitar. Por tanto, lo que interesa es obtener una disolución concentrada.

Factores que Afectan a la Evaporación

Punto de Ebullición

• El valor de la temperatura de ebullición de un disolvente depende de la presión de trabajo.
• Para mejorar la eficiencia, en la mayoría de los procesos de evaporación se emplea un sistema de evaporación bajo vacío, ya que el punto de ebullición es menor.
• Es importante evitar que se produzca una ebullición violenta, ya que la formación de burbujas de vapor durante la ebullición en contacto con la superficie de calefacción, si es muy intensa, esta superficie puede quedar envuelta por una capa de vapor que, por su mala conductividad térmica, dificulta la calefacción.
• Se evita o reduce disponiendo de agitadores en la cámara de evaporación, generalmente de hélice.