Operaciones en procesos

1. Ingeniería de los Procesos Químicos
4
Introducción1
2
3
5 Parámetros de un Proceso Químico
Aplicaciones
Objetivos
¿Qué es la IPQ?
Contenido

2. Contenido de la exposición
9
6
7
8
10 Conclusiones
Análisis de un Proceso químico
Transferencia de calor
Operaciones Unitarias
Fenómenos de transporte

3. Introducción

4. Ingeniería de los Procesos Químicos
 Es una rama de la ingeniería, que se encarga del
diseño, manutención, evaluación, optimización,
simulación, planificación, construcción y operación
de todo tipo de elementos en la industria de
procesos, que es aquella relacionada con la
producción de compuestos y productos cuya
elaboración requiere de sofisticadas
transformaciones físicas y químicas de la materia.
¿Qué es la IPQ?

5. Ingeniería de los Procesos Químicos
Proyecto
de
IPQ
Físico – Química
Materias primas-Producto
Economía
Rentabilidad
Medioambiente
Normativa y
Concienciación
Sociedad
Consideraciones
estratégicas
¿Qué es la IPQ?

6. Objetivo
Ingeniería de los Procesos Químicos
Materias
Primas
Acondicionamiento
Transformaciones
Químicas
Recuperación
Materia/Energía
Subproducto
Separación/
Purificación/
Adecuación
Producto
Tratamiento
Residuos
Reciclado a otros
procesos
Acondicionamiento
Minimización

7. Aplicaciones de la IPQ
• Estudios de factibilidad técnico-económica
• Especificación, diseño , control de equipos y procesos
• Construcción, montaje de equipos y plantas
• Control de producción , Operación de plantas industriales
• Control de calidad de productos
• Control ambiental
• Investigación y desarrollo de productos y procesos
Ingeniería de los Procesos Químicos

8. Parámetros de un Proceso Químico
Proceso
Químico
Termodinámicos
Cinéticos
Económicos
Seguridad y
ambiente

9. Cinética Química
La cinética química es el estudio de las velocidades de las
reacciones químicas y de los mecanismos mediante los que
tienen lugar.

10. Cinética Química
Factores que determinan o controlan la rapidez de cambio
químico:
 Estado físico de los reactivos
 Concentración de reactivos
 Temperatura
 Catalizadores

11. Equilibrio Químico
Se establece el equilibrio químico cuando las velocidades
directa (Reactivos a Productos) e inversa (Productos a
Reactivos) son guales:

12. Parámetros Termodinámicos
 Entalpia: Es una medida termodinámica cuya variación
expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o
cedida por un sistema termodinámico

13. Parámetros Termodinámicos
 Entropía: Es una medida termodinámica que permite medir el
grado de desorden dentro de un proceso, identificando así la
energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en
trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente

14. Parámetros Termodinámicos
 Energía Libre: Es la fracción de la energía que se puede
utilizar para realizar trabajo en condiciones de presión,
volumen y temperatura constante
TSHG 

15. Fenómenos de Transporte
Transporte de
masa
Transporte de
energía
Transporte de
cantidad de
movimiento

16. Operaciones Unitarias
Destilación Absorción

17. Operaciones Unitarias
Filtración Decantación Adsorción

18. Secado
Operaciones Unitarias

19. Transferencia de Calor
Siempre que existe un gradiente de temperaturas en un sistema o
siempre que dos cuerpos con diferentes temperaturas se ponen
en contacto, se transfiere energía. Este proceso se conoce como
transferencia de calor.

20. Modos distintos de transferencia de
calor
 Conducción: Consiste en la transferencia de calor de un cuerpo a
otro sin aparente movimiento de las partículas del cuerpo.
Ley de Fourier
 Convección: Consiste en la difusión de energía debida a un
movimiento molecular mas una transferencia de energía debida a un
movimiento de todo el volumen del fluido.
 Radiación: Se define como la transferencia de calor en el espacio a
través de ondas electromagnéticas.

21. Intercambiadores de calor
Dispositivo diseñado para recuperar, de manera eficiente,
calor entre dos corrientes o fluidos de un proceso.
Se lleva a cabo mediante los mecanismos de conducción y de
convección.

22. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Según su funcionamiento:
Regeneradores.
Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores.
Flujos en paralelo (o en co-corriente)
Flujos en contracorriente
Flujos cruzados
Según su estructura:
Intercambiador de doble tubo
Intercambiador de placas
Intercambiador de tubos y carcasa

23. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Regeneradores:
Intercambiadores en donde el flujo caliente fluye a través del mismo
espacio seguido de un flujo frío en forma alternada.

24. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Intercambiadores de tipo cerrado o recuperadores:
Las corrientes entre las que ocurre la transferencia de calor no se
mezclan o no tienen contacto entre sí.

25. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Flujos en paralelo (o en co-corriente):
Los fluidos caliente y frío entran por el mismo extremo del
intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por
el otro extremo.

26. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Flujos en contracorriente:
los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del
intercambiador y fluyen en direcciones opuestas. Se mueven en
paralelo pero en sentido opuesto

27. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Flujos cruzados:
Un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a
la trayectoria del otro, es decir, las direcciones de flujo son
mutuamente perpendiculares.

28. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Intercambiador de doble tubo:
Conocido como intercambiador de tubos concéntricos, está formado
por uno o más tubos pequeños contenidos en un tubo de diámetro
grande. Por el tubo interno circula uno de los fluidos (frio) mientras que
el otro (el fluido caliente) circula por el anillo exterior.

29. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Intercambiador de placas:
Está provisto de placas metálicas, generalmente con superficies
acanaladas, que se disponen sobre un armazón. Los fluidos caliente y
frío fluyen entre parejas de placas que se alternan, permitiendo un
excelente intercambio de calor.

30. Clasificación de los intercambiadores
de calor
Intercambiador de tubos y carcasa:
El fluido caliente que circula por la carcasa, alrededor de los tubos,
transfiere el calor al fluido más frío a través de las paredes de los
tubos. El fluido frío circula por los tubos y se retira del intercambiador a
una temperatura superior a la que entró.

31. Aplicaciones Industriales
 Industria alimentaria: enfriamiento, termización y pasteurización
de leche, zumos, bebidas carbonatadas, salsas, vinagres, vino,
jarabe de azúcar, aceite, etc.
 Industria química y petroquímica: producción de combustibles,
etanol, biodiésel, disolventes, pinturas, pasta de papel, aceites
industriales, plantas de cogeneración, etc.
 Industria del Aire acondicionado: cualquier proceso que
implique enfriamiento o calentamiento de los gases.
 Calefacción y Energía Solar: producción de agua caliente
sanitaria, calentamiento de piscinas, producción de agua
caliente mediante paneles solares, etc.
 Industria marina: enfriamiento de motores y lubricantes
mediante el empleo del agua del mar.

32. Aplicaciones de los Intercambiadores
de Calor.
Los generadores de vapor o calderas.
Calderas humotubulares
Calderas acuotubulares
Los condensadores térmicos.
Las torres de enfriamiento.
Torres de enfriamiento por convección natural
Torres de enfriamiento por convección forzada o de tiro mecánico
Hornos industriales.
Los hornos eléctricos
Los hornos de combustión

33. Aplicaciones de los Intercambiadores de
Calor.
Los generadores de vapor o calderas.
Calderas humotubulares Calderas acuotubulares
Son calderas de pequeño
tamaño, que suelen utilizarse
para producir agua caliente o
vapor de relativamente baja
presión (hasta 12 bar)
El agua a calentar está dentro de los
tubos, los tubos de agua se unen y
conforman para formar el recinto del
hogar, llamado paredes de agua

34. Aplicaciones de los Intercambiadores
de Calor.
Los condensadores
térmicos.
Un condensador es un
cambiador de calor latente que
convierte el vapor(en estado
gaseoso) en vapor en estado
líquido, también conocido
como fase de transición.

35. Aplicaciones de los Intercambiadores
de Calor.
Las torres de enfriamiento.
Torres de enfriamiento por
convección natural
Torres de enfriamiento por
convección forzada o de tiro
mecánico
El agua se pulveriza directamente en
la corriente de aire que se mueve a
través de la torre de enfriamiento por
convección térmica. Al caer, las gotas
de agua se enfrían tanto por
convección ordinaria como por
evaporación
En una torre de enfriamiento por
convección forzada se pulveriza el
agua en una corriente de
aire producida por un ventilador, el
cual lo hace circular a través de la
torre.

36. Torres de enfriamiento por
convección natural

37. Torres de enfriamiento por
convección Forzada

38. Aplicaciones de los Intercambiadores
de Calor.
Hornos industriales:
Los hornos eléctricos Los hornos de combustión
Es aquel aparato para la cocción
que funciona con energía eléctrica.
Los hornos de llama se basan en la
reacción de combustión que se lleva
a cabo en los quemadores.

39. Análisis de Procesos
Para fines de análisis y diseño de procesos es necesario
entender la dependencia que guardan entre si las diferentes
variables involucradas.
Para lo cual vamos a definir algunos conceptos.
Modelación de procesos.
El concepto de grados de Libertad.
Técnicas de optimización.
Etapas en ingeniería de procesos.
Desarrollo de diagramas de flujo.

40. Modelación de procesos:
Consiste en una serie de relaciones que se establecen para cada
equipo que forma parte del sistema.
Proceso
Químico
Balance de
cantidad de
movimiento
Balance de
materia
Balance de
energía
Ecuación de
diseño
Relaciones
termodinámicas
Restricciones
particulares
Análisis de Procesos

41. El concepto de grados de Libertad:
Para el análisis y diseño de procesos se requiere de modelos que
describan el comportamiento de esos sistemas.
M ecuaciones independientes que involucran N variables.
Casos:
 M > N. El sistema está sobreespecificado y no tiene solución.
 M = N. El sistema esta completamente definido y tiene solución.
Sistema Lineal = Solución única.
Sistema no Lineal = Soluciones múltiples.
 M < N. Para poder definir el sistema se necesitan N-M relaciones.
F = N – M; F : Grados de libertad.
Análisis de Procesos

42. Técnicas de Optimización.
Optimización de una
variable
El método de la sección
Dorada
Método de Fibonacci
Usa los principios de calculo
diferencial.
Colocación de puntos de búsqueda
simétricos
Función Objetivo
Análisis de Procesos

43. Etapas en ingeniería de procesos:
Ingeniería
de
proceso
Síntesis
AnálisisOptimización
Define las entradas y las
salidas del sistema
Definir las entradas
o materias primas y
el diagrama de flujo
del proceso
Maximizar o minimizar
la Función Objetivo
Análisis de Procesos

44. Desarrollo de diagramas de flujo
1. Definir las relaciones involucradas.
Objetivo: Llenar de reacciones químicas el camino entre la
entrada y la salida.
2. Establecer la distribución de especies.
Objetivo: Establece las conexiones primarias entre los reactores.
3. Diseñar los sistemas de separación.
Objetivo: Eliminar los subproductos en las corrientes de salida de
un reactor para así garantizar la pureza a la entrada del siguiente.
Análisis de Procesos

45. Desarrollo de diagramas de flujo
4. Diseñar sistemas con integración de energía.
Objetivo: Aprovechamiento de las corrientes disponibles en el proceso,
para reducir el consumo de energéticos en forma de servicios.
5. Incorporar criterios de seguridad de proceso.
Objetivo: Evitar colocar en riesgo la vidas humanas.
6. Analizar los aspectos lógicos pertinentes.
Objetivo: Corregir y prevenir el aumento en la contaminación ambiental.
Análisis de Procesos