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Introducción a la tecnología química
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INTODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA QUÍMICA
Iglesias Gómez, AdriánLarrauri Pajón, Alejandro
Lodeiro Carreira, MercedesLópez Callón, GermánPrego López, Estefanía
Riego Rodriguez, EduardoSerantes Gonzalez, Ángel
• ÍNDICE:• 1.1. Definición de la tecnología química• 1.2. Introducción histórica• 1.3. Operaciones básicas• 1.3.1 Manipulación Físicas• 1.3.2 Separación• 1.3.3 Transferencia• 1.4. Operaciones unitarias• 1.5.Esquema de una planta química• 1.5.1 Modo de representación• 1.6. La industria química• 1.6.1 La industria química en España• 1.6.2 La industria química en Galicia• 1.7 Bibliografía
Definición de la Tecnología Química La Tecnología Química recoge aquellos aspectos de las ciencias ingenieriles específicas
que se aplican al
de fábricas, plantas o unidades relacionadas con la Industria Química.
resulta de aplicación, además de en la Industria Química, propiamente dicha, de acuerdo con la clasificación oficial de actividades industriales, en muchos otros campos afines:
• Industria de la Alimentación.• Industria Farmacéutica (materias activas)• Industria de la construcción (cemento, vidrio, cerámica)• Industria textil (colorantes, fibras sintéticas)• Actividades extractivas (carbón, gas, petróleo…)
DISEÑOEXPLOTACIÓN
MANTENIMIENTO
Introducción a la historia• El principio del dominio de la química: el dominio del fuego. • Se considera que los principios básicos de la química se recogen por primera vez
en la obra del científico británico Robert Boyle: The Sceptical Chymist (1661).• La química como tal comienza sus andares un siglo más tarde con los trabajos
de Antoine Lavoisier que junto a Carl Wilhelm Scheele que descubrieron el oxígeno.
• Llegada la revolución industrial a Europa (s. XVIII-XIX) es protegida por una explosión de una revolución en la tecnología de la época en el que destacaría la máquina de vapor.
• Hasta la Segunda Guerra Mundial la principal materia prima de la industria química orgánica era el carbón la química orgánica clásica se convierte cada vez más en la petroquímica que se conoce hoy, con la principal razón de que es la mayor facilidad de transformación y la gran variedad de productos de partida encontradas en el petróleo (en la actualidad obtenemos productos tan dispares como combustibles, energía eléctrica, maquillajes…)
• La evolución ha sido muy relevante, sin embargo dicha evolución no se detiene para hacer frente a retos que la humanidad se encuentra.
Operaciones básicas• Definición: son operaciones físicas que no provocan una alteración de las
características químicas de los materiales. Son ampliamente utilizadas en las industrias, generalmente bajo diferentes condiciones de presión y temperatura.
• Las operaciones básicas son del tipo:
Manipulación física
Transporte de sólidos o fluidos
Reducción de tamaño (sólidos)
Mezcla
Fluidificación
Separación
Sólido-Sólido
Sólido-Gas
Sedimentación
Filtración
Centrifugación
Filtro de mangas
Electrofiltración
Transferencia
Transporte de sólidos
Encontramos gran cantidad de alternativas:
• Canales de gravedad: los sólidos descienden por ellos por acción de la gravedad.
• Deslizadores de aire: las partículas se mantienen suspendidas gracias a una corriente vertical de aire.
• Transportadores vibratorios: las partículas están sujetas a una vibración, de modo que se desplazan a saltos sobre una mesa.
Transporte de sólidos
•Elevador de cangilones : las partículas son transportadas hacia arriba en cangilones dispuestos sobre una cinta móvil vertical continua.
•Tornillos sin fin: los sólidos son movidos a lo largo de una tubería mediante un impulsor helicoidal rotatorio.
Esquema de un tornillo sin fin
•Otros : Cintas transportadoras, instalaciones de transporte neumático o hidráulico, …
Transporte de sólidos• Fundamentalmente, en la industria emplearemos las tuberías como
forma de transportar partículas líquidas.
Para vencer las fuerzas de corriente en el transporte, debemos emplear bombas para aportar energía al fluido.
Su funcionamiento consiste en dos partes:– El líquido es aspirado hacia el interior del cuerpo
de la bomba.– El líquido es impulsado desde el interior del cuerpo de
la bomba hacia el interior del conducto.
Tipos de bombas: bombas centrífugas, de eyección, de engranajes, aletas,…
Reducción de tamaño (sólidos)4 modos de funcionamiento
Compresión
Impacto
Frotamiento
Cortado
Reducción tosca de materiales.
Se obtienen productos de diferentes tamaños.
Se obtienen productos muy finos, partiendo de materiales blandos y no abrasivos.
Conseguimos un tamaño de partícula muy preciso.
Tipos de máquinas: trituradores bastos e intermedios, molinos finos y ultrafinos, trituradora de mandíbulas Blake, etc.
Mezcla• Objetivo: obtener un producto homogéneo partiendo de 2 o más
constituyentes. Encontramos varios tipos de mezcladores:Mezcladores de líquidos
FIGURA 1. Agitadores de palashttp://eqyherramientas.blogspot.com
FIGURA 2. Agitadores de turbina http://eqyherramientas.blogspot.com
FIGURA 3. Agitadores de hélice http://eqyherramientas.blogspot.com
Mezcladores de sólidos: se emplean mezcladores de volteo, operan volteando la masa de los sólidos en un tambor giratorio de forma variada.
Fluidización
La fluidización consiste en que haciendo circular una corriente de un fluido, conseguimos suspender partículas sólidas.
La materia sólida tendrá un comportamiento similar al de un fluido. A todo este conjunto de partículas fluidizadas se le conoce como lecho fluidizado.
Dicha práctica tiene una importante aplicación en la industria como en intercambiadores de calor, recubrimiento de objetos metálicos y operaciones de secado.
Figura 4.
Sedimentación• Definición: Operación que consiste en la separación por la acción de la
gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. Existes varios tipos de procesos:
Suspensión por gravedad
•Breve agitación inicial•Posterior desplazamiento hacia abajo con velocidad constante.•Formación del sedimento en el fondo del recipiente.
Separación centrífuga
•Velocidades de sedimentación mucho mayores que en el caso de un campo gravitacional.•Obtención de separaciones no posibles en situaciones gravitacionales.
Floculación•Las partículas dispersas en la solución chocan entre sí.•Debido a esta interacción, se forman agregados, favoreciendo la sedimentación.
Centrifugación
• Definición: técnica de separación mecánica de los constituyentes de una mezcla por la acción de la fuerza centrífuga.Las partículas se pueden separar en función de:
La velocidad de sedimentación (centrifugación diferencial). La masa (centrifugación zonal). La densidad (centrifugación isopícnica).
Los tipos de centrífugas se clasifican en función de la velocidad de giro:
De baja velocidad o clínicas (5000 rpm) De alta velocidad (18.000 – 25.000 rpm) Ultracentrífugas (hasta 50.000 rpm)
Filtración• Definición: separación de sólidos de una suspensión en un líquido
mediante un medio poroso que retiene los sólidos y permite el paso de los líquidos.En la industria química nos interesarán en concreto los sólidos que obtenemos a partir de la filtración. Existen una serie de factores que influirán en la elección del equipo y de la rapidez del proceso:
Elección del equipo
Velocidad de filtración
Viscosidad, densidad y propiedades corrosivas del fluido.
Cantidad del material a tratar.
Si el material que nos interesa es el sólido, el líquido o ambos.
Si es necesario tratar previamente la mezcla.
La caída de presión
El área de la superficie filtrante.
La viscosidad del filtrado.
Filtro de mangas
Aparecen en todos aquellos procesos en los que sea necesaria la eliminación de partículas sólidas de una corriente gaseosa haciéndola pasar a través de un tejido.
Dicha corriente al circular a través del tejido, las partículas sólidas presentes en ella, quedarán retenidas en el tejido, formándose una costra que irá aumentando de tamaño progresivamente. Para retirar la costra podemos hacerlo mediante un proceso de agitación.
Figura 5. http://catmosferica1.wikispaces.com/
Electrofiltración
• La electrofiltración consiste en dos etapas fundamentalmente. Una primera donde el gas al entrar en el recinto es sometido a un prelavado, enfriándose y alcanzando prácticamente su total saturación, eliminándose la mayor parte de partículas pesadas. Una posterior etapa, denominada precipitación electrostática, donde el gas se somete a tensiones del orden de 70.000V , precipitándose las partículas contaminantes.
• Dicho proceso es muy eficaz, y por ello es empleado ampliamente en varios sectores de la industria (petroquímica, farmacéutica, maderera, textil,…).
3. Transferencia
Objetivo→ modificar condiciones de una determinada cantidad de materia
Clasificación3.1 Transferencia de materia3.2 Transferencia de materia y energía3.3 Transferencia de energía
3.1 Transferencia de materia
• Extracción– Extracción sólido-líquido: consiste en disolver un
componente que forma parte de un sólido con un solvente adecuado en el que es insoluble el resto del sólido
– Extracción líquido-líquido: consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble en el primero
3.2 Transferencia de materia y energía
• Destilación• Absorción y adsorción• Cristalización y evaporación• Humidificación y secado
3.2 Transferencia de materia y energía: Destilación
• Consiste en separar dos o más componentes de una mezcla líquida aprovechando la diferencia de volatilidades de los componentes que forman la mezcla
3.2 Transferencia de materia y energía: Absorción y adsorción
• Absorción: consiste en poner un gas en contacto con un líquido para que éste disuelva determinados componentes del gas
• Adsorción: eliminación de algunos componentes de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene
3.2 Transferencia de materia y energía: Cristalización y evaporación
• Cristalización: formación de partículas sólidas cristalinas en una fase homogénea
• Evaporación: separación de una mezcla líquida, generando a partir de la misma un vapor integrado por los componentes más volátiles
3.2 Transferencia de materia y energía: Humidificación y Secado
• Humidificación: se consigue al poner en contacto el aire no saturado con agua, a una temperatura tal que el aire aumenta su contenido de agua
• Secado: eliminación de la humedad de una sustancia
3.3 Transferencia de energía
• Intercambio térmico
• Producción de vapor
3.3.1 Intercambio térmico
• En los sistemas que no existe reacción química ni transporte de carga eléctrica, las formas más comunes de transferencia de energía son el trabajo y el calor
– Mecanismos de transferencia de calor– Mecanismos de transferencia de trabajo
3.3.1.1 Mecanismos de transferencia de calor
• Conducción: es el proceso en el que la energía térmica se transfiere por colisiones moleculares adyacentes a través del medio material
• Convección: es el proceso en el cual el calor se transfiere mediante el movimiento real de un fluido
• Radiación: es el proceso por el cual el calor se transfiere en forma de ondas electromagnéticas
3.3.2 Producción de vapor
• A nivel industrial, se produce a partir de generadores de vapor, en los que se produce vapor a presiones superiores a la atmosférica a partir de la energía de un combustible o de energía eléctrica.
• Se utilizará para la aportación de calor en determinados procesos o movimiento de máquinas
• El vapor de agua constituye el fluido energético ideal para la industria.
Operaciones química unitarias
• Una operación química unitaria es cada una de las acciones que se llevan a cabo sobre las materias primas o los productos intermedios en una planta química
Operaciones físicas: cambios de Tª, presión etc.Operaciones químicas: fermentación,
polimerización…
Diagramas de flujo
Existen variados tipos de diagramas de flujo, que reflejan un grado creciente de
precisión (o disminución de la incertidumbre), necesario a lo largo de un
proyecto. Se clasifican bajo distintos nombres, según sea la fuente de
información, y su estructura se basa en símbolos que no han sido del todo
estandarizados (en concreto, cada biblioteca de símbolos suele ser única y
reflejan, de la mejor forma posible, el equipo físico de cada caso). Hablaremos
aquí de:
-Diagramas en bloques
-Diagramas simplificados del equipo
-Diagramas detallados del equipo
-Diagramas de distribución de equipos e instalaciones
-Diagramas de instrumentación y proceso
Diagramas en Bloques -Los diagramas en bloques son, prácticamente, ideogramas
de proceso, en términos principalmente fundamentales.
Figura 6 http://www.ing.uchile.cl
Diagramas simplificados de los equipos del proceso -Es el diagrama de ingeniería más simple, donde se muestran (en forma de
iconos) los equipos necesarios para una planta de proceso y la interconexión entre ellos se representa por líneas que enlazan un equipo con otro. El ingeniero que desarrolla este diagrama sabe, previamente, que los equipos que ha puesto en el diagrama existen o que se les puede construir; sin embargo, no ha realizado cálculos precisos de las dimensiones, materiales de construcción, costos detallados, etc.
Figura 7http://www.geothermal-energy.org
Diagramas detallados de equipos -Este diagrama incluye las tuberías del proceso, las válvulas, los desagües, las
desviaciones, las ventilaciones, los reciclos y todos los equipos del proceso. El diagrama detallado no suele ser necesario para la estimación inicial de
costos; su aporte es valioso, más bien, en el cálculo afinado de costos de la planta.
Figura 8http://proton.ucting.udg.mx
Diagrama de distribución de equipos e instalaciones (Lay-out) -Conocidos los equipos principales y las instalaciones de servicio
necesarias ,se desarrolla un diagrama que especifique donde está cada equipo y donde está cada instalación. Este diagrama se suele conocer como el Lay-out del proyecto o de la Planta. Su precisión incide sobre la precisión de la estimación de costos de terrenos y sobre las pérdidas de carga asociadas a los equipos.
Figura 9turnkey.taiwantrade.com.
Diagramas de Instrumentación y Proceso -Este diagrama especifica tanto la conexión hidráulica de un equipo con otro en
forma precisa (diámetro y longitud de cañerías o canaletas, pérdidas de carga asociadas a singularidades, etc.) como los aparatos que permiten el manejo concreto del proceso. En muchos casos se pueden indicar los requisitos de instrumentación en los propios diagramas simplificados, pero, si la instrumentación es compleja, resulta necesario desarrollar un diagrama más detallado, destacando todos los reguladores e instrumentos.
Figura 10http://www.monografias.com
Representación de los procesos químicos
Se usan esquemas en los que se representan los diferentes equipos de una
planta. En la mayoría de los símbolos se sigue la norma DIN 7091
Símbolos generales
FIGURA 11: Simbología general www.fortunecity.com
Reactores
FIGURA 12:Reactor discontinuo www.webs.um.es y Reactor de lecho fluidizado www.tipos-de-energia.blogspot.com
Transferencia de materia y masa
FIGURA .13:Vaporizaror y Secador Rotatorio www.proenergia.com y Destilador www.scielo.cl
Transferencia de calor
FIGURA 14: Transferencia de calor www.proenergia.com
Reductores de tamaño
Mezcladores
FIGURA 15: Reductores de Tamaño y Mezcladores www.descom.jmc.utfsm.cl
Separadores mecánicos
FIGURAS 16:Separadores mecánicos www.proenergia.com
La industria química• DEF: Industria encargada de la extracción, procesamiento de
las materias primas , y de su transformación en otras sustancias con características diferentes de las que tenían originalmente.
• Puede clasificarse en dos grupos que son:• Industria química de base.• Industrias químicas de transformación.
• La industria química tiene una mayor presencia en países como EEUU, la Unión Europea o China.
• En la Unión Europea destaca sobretodo la producción de cauchos y plásticos.
La industria química (España)
FIGURA 17: Gráfico circular de la producción española www.FEIQUE.org
La industria química (España)• Desde el año 2000 al 2008 los beneficios iban en aumento
hasta que en 2009 se produce un retroceso en cuanto al nivel de ingresos, exportaciones e importaciones.
• Se ven afectadas principalmente la química básica y la química de consumo frente al leve ascenso de la farmaquímica.
• Destacar que en todos los periodos hay una mayor demanda de mercados extranjeros, incluso exteriores a la Unión Europea, que interno.
La industria química (España)
FIGURA 18:Gráfico circular de la producción española www.FEIQUE.org
La industria química (España)
FIGURA .19:Gráfico circular de los productos obtenidos en www.FEIQUE.org
La industria química (España)• El sector químico español está compuesto por más de 3.300 empresas, es uno de los
más relevantes de la economía nacional.
• Genera más de 530.000 puestos de trabajo, es una industria de empleo estable y de calidad.
• Las empresas químicas están implantadas principalmente en Catalunya ,la Comunidad Valenciana, Madrid y Andalucía.
• La principal producción de esta industria actualmente son las materias primas farmacéuticas, productos de química básica, detergencia y Cosmética frente a las que se encuentran ralentizadas como pueden ser las industrias del biocombustibles, la agroquímica, las pinturas y las fibras artificiales.
• España exporta principalmente productos de química orgánica, inorgánica y productos del sector farmacéutico, los principales demandantes de estos productos son países como EEUU, Francia, Alemania y Portugal.
La industria química (España)• Se importan aquellos productos que son necesarios para la industria
química de base y provienen principalmente de los Paises Bajos, Alemania y Estados Unidos.
• En el caso de las inversiones el principal es el farmacéutico aunque actualmente las inversiones se centran en la investigación y el desarrollo con el inconveniente de que la mayor parte de las industrias son pymes.
• En Galicia la industria química no está muy extendida sin embargo destaca la facturación de la industria farmacéutica que ha alcanzado un nivel superior a facturaciones “clásicas” como la construcción y reparación naval, otros sectores están reprsentados con empresas como Repsol,Reganosa o Forestal Atlantica.
