Procesos y operaciones, Apuntes de Química

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18 de Octubre del 2018

Procesos Químicos y Operaciones en las

Industrias Químicas.

Materia: Química General.

Maestro: Marco Antonio Gordillo Benavente.

Alumna: María Carminia Varguez Pacheco.

Introducción:

Existen procesos químicos es todo lo que nos rodea, aun en nuestro organismo existen procesos físicos y químicos que se realizan a cada momento, pero existen otros procesos realizados por el hombre como son: Los procesos y operaciones químicas de industrias, estas son importantes actualmente, pues nos han llevado a aprovechar al máximo de los recursos naturales y a obtener productos artificiales, que utilizamos cada día. Normalmente los procesos químicos son capaces de modificar las propiedades, condiciones o el estado de un elemento para que pueda ser utilizado de manera diferente. En la vida cotidiana existen numerosos procesos químicos, muchos de los cuales son vitales en los ciclos naturales y en el mundo industrializado. En el siguiente reporte analizaremos los procesos químicos que realizan las industrias para elaborar estos productos y artículos que conocemos hoy en día,

1.-Un proceso químico.

Es un conjunto de operaciones químicas o físicas que transforman materias primas en productos útiles que generan beneficios a los colaboradores y dueños de las empresas y a la comunidad en general. Estos productos se emplean como bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones químicas y físicas en la elaboración de productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la producción total de sustancias químicas se utiliza en la manufactura de otras, de modo que la industria

química es la mejor cliente de sí misma. [ CITATION Ecu18 \l 2058 ]

Algunos procesos químicos como la fotosíntesis ocurren de forma natural, mientras otros como la creación de aleaciones son provocados por el hombre.

2.- Secuencia de ordenamiento:

Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos. Generalmente los proceso pueden descomponerse en la siguiente secuencia:

1. Materias Primas
2. Operaciones físicas de acondicionamiento
3. Reacciones químicas
4. Operaciones físicas de separación
5. Productos. Todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie ordenada de procesos industriales llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son las mismas sea cual fuere la naturaleza específica del material que se procesa; así, muchas de estas etapas son similares entre un proceso y otro.

3.-Las operaciones unitarias

Son la base de la industria química y de transformación de materiales y puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada, son actividades básicas que forman parte del proceso. Las Principales son:

Extracción líquido-líquido: También se conoce como extracción por solvente, se lleva a cabo al tratar una mezcla de diferentes sustancias con un líquido selectivo (solvente). Al menos uno de los componentes de la mezcla debe ser inmiscible o parcialmente miscible con el solvente utilizado. Al final aparecen dos fases líquidas, una de ellas rica en el solvente y en el producto de interés. Luego se separan el solvente y el producto de interés mediante evaporación, el solvente lógicamente se reprocesa. La extracción con solventes es común en la fabricación de aceites vegetales. Filtración: Proceso de separar un sólido (como un precipitado) de un líquido en el que está suspendido al hacerlo pasar a través de un medio poroso por el cual el líquido puede penetrar fácilmente. La filtración es un proceso básico en la industria química que también se emplea para fines tan diversos como la preparación de café, la clarificación del azúcar o el tratamiento de aguas residuales. El líquido a filtrar se denomina suspensión, el líquido que se filtra, el filtrado, y el material sólido que se deposita en el filtro se conoce como residuo, torta o lodo. En los procesos de filtración se emplean cuatro tipos de material filtrante: filtros granulares como arena o carbón triturado, láminas filtrantes de papel o filtros trenzados de tejidos y redes de alambre, filtros rígidos como los formados al quemar ladrillos o arcilla (barro) a baja temperatura, y filtros compuestos de membranas semipermeables o penetrables como las animales. Este último tipo de filtros se usan para la separación de sólidos dispersos mediante diálisis. Flotación: Es un medio por el cual se logra la separación de una mezcla de varias clases de partículas sólidas aprovechando diferencias en propiedades de estas, permitiendo que un grupo de ellas flote en un medio líquido que por lo general es agua. La principal aplicación de esta operación se da en procesos de beneficio y recuperación de minerales. Se agrega al equipo de flotación (en donde está la mezcla de minerales en medio acuoso), una serie de promotores (generalmente ácidos grasos saponificados) que cubren unas partículas específicas con una cubierta superficial que las hace ávidas de aire y repelentes al agua. Al hacer una fuerte agitación y burbujear aire a través del medio, estas partículas se adhieren a las burbujas de aire y llegan a una capa de espuma formada en la parte superior del equipo, en donde se recogen y se separan de las demás. Liofilización: En esta operación primero se solidifica el solvente que generalmente es agua y luego se sublima mediante un calentamiento intenso y a condiciones de operación adecuadas. La liofilización es una operación alterna al secado, principalmente para preservar un número cada vez mayor de productos alimenticios y biológicos que posteriormente pueden reconstituirse y con los cuales los métodos tradicionales de remoción de agua resultan poco convenientes. Además de la preparación de productos farmacéuticos, el proceso de liofilización ha tenido aplicaciones comerciales en la preservación de muchos productos alimenticios (cítricos, camarones, etc). Sin embargo, la principal aplicación en las industrias alimenticias la constituye el café instantáneo. Lixiviación: También se puede llamar extracción líquido-sólido, porque se utiliza para extraer un soluto que se encuentra en una mezcla sólida. Se utiliza, por ejemplo, en la producción de muchos productos farmacéuticos provenientes de raíces, tallos y hojas de plantas, también en la fabricación de aceites vegetales. Trituración y Molienda: Es la operación de reducción de tamaño de un material sólido, con el fin de adecuarlo para operaciones siguientes. Hay diferentes tipos de molinos, que se utilizan dependiendo del tipo de material y de su tamaño, los más comunes son molinos de bolas, de discos, de martillos y los trituradores de quijada. Se pueden observar operaciones unitarias de molienda en la fabricación de cemento. La molienda en la industria azucarera se usa para extraer el jugo a partir del material celulósico del tallo de la mata de caña. Secado: Es la remoción intensa de la fase líquida de una disolución mediante la adición de calor. Dependiendo del tipo de material a secar hay diversos equipos de secado, entre los que se destacan, los secadores de bandejas, los secadores rotatorios, los secadores por aspersión, los secadores de túnel, etc. Es generalmente la operación unitaria final de todo proceso. Sedimentación: Separación de partículas de un fluido mediante la acción de la gravedad actuando sobre ellas. Para aumentar la velocidad de sedimentación se utilizan compuestos químicos, llamados floculantes, los cuales incrementan el peso de las partículas originales al pegarse a ellas. Los sedimentadores son equipos muy grandes porque el tiempo de retención debe ser suficiente para permitir el asentamiento de las partículas. Los ciclones son diseños especiales de sedimentación. La sedimentación es común en plantas de tratamiento de aguas residuales donde el floculante más utilizado es el alumbre.

Tamizado : Es una operación similar a la filtración. Se usa para clasificar materiales sólidos según su tamaño, al pasar por una malla de tamaño definido. Se utiliza, por ejemplo, para clasificar agregados en la industria de la construcción. Combustión: es el proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que Ileva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los

componentes menores del combustible. [ CITATION ecu18 \l 2058 ]

Otros Ejemplos: Hidratación: Cuando un cuerpo seco (anhídrido), absorbe agua, aunque sea en forma de humedad, se dice que este cuerpo está hidratado o que ha sufrido el fenómeno de hidratación. Oxidación: Es la operación de introducir oxígeno en un cuerpo de manera que forme parte de su constitución íntima, tal sería el agua (H20) agregar un átomo de oxígeno y formar agua oxigenada ( H202 ) también Llamada peróxido de hidrógeno 0 dióxido de hidrógeno. La combustión es También un proceso típico de oxidación pues toma el oxígeno del aire para quemar el carbono. Reducción : Consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que este resulte puro. En la metalurgia del hierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por óxidos y al eliminarse el oxígeno queda el metal puro. Un cuerpo reductor es el carbono; así tenemos que el carbono en caliente con ayuda de la flama reduce el óxido de plomo, de cobre, etc. al estado de plomo y cobre puro. Saponificación : Cuando una sustancia grasa es tratada en caliente por medio de una lejía fuertemente alcalina, se transforma en jabón y se dice que se ha producido la saponificación. Hidrogenación: reacción que implica la combinación de hidrógeno con ciertos compuestos orgánicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. Por ejemplo, al hidrogenar el eteno (C2H4) se obtiene etano (C2H6). La hidrogenación se usa también con moléculas más complicadas, obteniéndose gran variedad de productos sintéticos importantes en el laboratorio y en la industria. La reacción de hidrogenación se aplica a escala industrial en numerosos procesos, como la hidrogenación de los aceites vegetales para producir numerosas grasas comestibles, por ejemplo, la margarina El proceso de hidrogenación se aplica también en la producción de gasolina sintética. Craqueo o cracking: proceso químico por el cual un compuesto químico, normalmente orgánico, se descompone o fracciona en compuestos más simples. El craqueo se realiza ya sea por la aplicación de calor y alta presión, mediante el proceso conocido como craqueo térmico, o bien por el craqueo catalítico, que es la combinación de calor y una catálisis. En las refinerías modernas, primero se separa el petróleo por destilación fraccionada. A continuación, casi todas las fracciones más pesadas son sometidas a craqueo. En el proceso siempre se forma hidrógeno y carbono. Fermentación : proceso en el que ocurren cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la acción de enzimas Llamadas fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho, las bacterias y la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento producido por una bacteria que se encuentra generalmente en la leche, hace que ésta se agrie, transformando la lactosa (azúcar de la leche) en ácido láctico. El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica, en donde la acción de la simaza segregada por la levadura convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido de carbono. Hay otros tipos de fermentación que se producen de forma natural, como la formación de ácido butanoico

cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de ácido etanoico (acético) cuando el vino se convierte en vinagre. [ CITATION ecu \l

2058 ].

4.-Variables De Proceso ( Estado de los materiales en proceso).

Aunque no tienen forma definida (como los sólidos), si tienen un volumen preciso y por lo tanto no ocupan todo el espacio disponible en el sitio en que se encuentran (como sí ocurre con los gases). Esta situación permite un almacenamiento en recipientes de formas diversas, pero de capacidad definida previamente. La causa de esta situación radica en la magnitud de las fuerzas intermoleculares, menores que en el caso de los sólidos y mayores que en los gases, lo cual hace que las moléculas si bien no permanecen fijas sí están relativamente cercanas. Son altamente incompresibles. Esto en otras palabras indica que presentan prácticamente cambios imperceptibles en volumen con incrementos grandes en la presión. En esto se diferencian notablemente de los gases, y es el principio de la hidráulica aplicada en la industria para manipular compuertas usando aceite comprimido como fluido de trabajo. Se difunden y mezclan entre sí con menor rapidez que los gases. Esta característica es también consecuencia de su ordenamiento molecular, y un ejemplo evidente lo constituye la disolución acuosa de un colorante en agua; esta es mucho más lenta que la difusión del aroma de una preparación en la cocina. Los líquidos presentan dos características muy propias de su estado: La tensión superficial es la tendencia que tienen los líquidos a disminuir su área superficial. Este fenómeno producido por las atracciones ejercidas por las moléculas internas sobre aquellas que están en la superficie, por ejemplo, las gotas que caen de un grifo tienen forma prácticamente esférica, o porqué una aguja o una cuchilla de afeitar flotan al caer en un recipiente con líquido. La presión de vapor, de una sustancia es un parámetro numérico indicativo de la tendencia que tienen sus respectivas moléculas a escapar a la fase gaseosa o fase de vapor. Es una propiedad cuyo valor cuantitativo es diferente para cada compuesto y es función directa de la temperatura. Imaginemos un recipiente hermético con una porción de agua al cual se ha evacuado todo el aire. Si el recipiente se coloca en un baño termostático para asegurar que la temperatura es constante y se coloca un medidor de presión se observará que esencialmente las moléculas que estando en la superficie posean mayor energía cinética, por virtud de su movimiento y choques con las demás, logran escapar al espacio antes vacío indicando una velocidad de evaporación. Enseguida todas esas moléculas que salen, chocan entre sí o con las paredes del recipiente invirtiendo su dirección, de tal manera que algunas regresan a la superficie del líquido siendo atrapadas por ésta. Se genera así una velocidad de condensación. Si permitimos que el sistema se mantenga así durante algún tiempo, se alcanza una situación de equilibrio dinámico en la cual las velocidades de evaporación y condensación se igualan, teniendo un valor promedio de moléculas aproximadamente constante en el espacio por encima de la superficie líquida en todo momento. Supongamos ahora que tenemos un líquido en un recipiente, pero esta vez abierto a la atmósfera, y a una temperatura T. A esas condiciones el compuesto ejerce su presión de vapor correspondiente. Si iniciamos un proceso de calentamiento, la temperatura se incrementa y por ende la presión de vapor. La temperatura de ebullición es la temperatura en la cual la presión de vapor se iguala con la presión del ambiente. El hecho, por ejemplo, de que la comida tarde menos en cocinarse en una olla a presión es una aplicación de esta propiedad. Como la temperatura de ebullición es una función de la presión ambiental (que no necesariamente es una atmósfera) se puede utilizar un ambiente de baja presión, es decir, un tanque con presión de vacío, para lograr evaporaciones a temperaturas bajas y así proteger los componentes sensibles a la temperatura que tienen por ejemplo los jugos de frutas. Sólidos: Es el estado de la materia, que a diferencia de los gases y los líquidos mantiene fijos la forma y el volumen. Aunque podríamos pensar que se trata del estado más fácil de estudiar, la estructura de los sólidos ha resultado ser la más reciente de descubrir. Un sólido es una sustancia que tiene sus partículas constituyentes en un arreglo interno regularmente ordenado. Los sólidos se presentan permanentemente en las industrias, por ejemplo, el cemento, los polvos cerámicos, el carbón, el bagazo, el azúcar, la sal, las botellas, etc. Generalmente los fluidos al ser empacados se convierten en un problema de manejo de sólidos. Algunas características del estado sólido:

Los sólidos son prácticamente incompresibles, lo que implica que en su interior hay muy pocos espacios vacíos, o lo que es lo mismo, que las partículas están muy cercanas entre sí. Para destacar esta propiedad podemos mencionar por ejemplo que para comprimir una pequeña cantidad de plata metálica a la mitad de su volumen se requeriría una presión de 5*105 bar. Los sólidos son generalmente materiales rígidos y duros. Los sólidos poseen una densidad prácticamente constante. Presentan volúmenes y formas perfectamente fijas. Los sólidos se expanden levemente con incrementos en la temperatura. Pero esta expansión generalmente se puede notar a altas temperaturas. Al igual que los líquidos, los sólidos poseen presión de vapor, y por ende, pasan directamente al estado de gas (se subliman) sin pasos intermedios a través de la fase líquida. Las magnitudes de la presión de vapor de sólidos son muy bajas comparadas con las de los líquidos a temperaturas ambientales. Sólo en casos especiales se tienen presiones de vapor altas a temperatura ambiente, por ejemplo, para la naftalina y el hielo seco (CO2 en estado sólido). Soluciones, mezclas heterogéneas y coloides: Una solución es una mezcla homogénea, es decir, aquella en que las partículas dispersas en un medio líquido son invisibles y no se sedimentan debido al movimiento térmico molecular. Por ejemplo: las disoluciones de sólidos como el azúcar y la sal en agua, o las disoluciones de líquidos en líquidos como una disolución de benceno en tolueno. El componente que se encuentra en mayor proporción se llama solvente. Los solutos son los que se encuentran en menor proporción. Las soluciones pueden ser insaturadas, saturadas o sobresaturadas con relación a un soluto. Hay una concentración máxima para una determinada temperatura hasta la cual se puede disolver un soluto. Cualquier cantidad adicional de soluto por encima de la concentración de saturación, no se disolverá, entonces se tiene en este caso una mezcla heterogénea. Una mezcla heterogénea es aquella que aún después de formada, las fases componentes pueden distinguirse individualmente, y en consecuencia pueden separarse fácilmente con ayuda de una fuerza (gravitacional, centrífuga, etc.) Por ejemplo, las mezclas de hidrocarburos en agua y las mezclas de sólidos suspendidos en agua. Entre las soluciones y mezclas heterogéneas existe una etapa intermedia que se llama una dispersión coloidal. Los coloides no se sedimentan y tampoco se pueden separar de la fase acuosa por filtración ordinaria. El medio dispersante puede ser un gas, un líquido o un sólido. Cuando la fase dispersa es un sólido y el medio de dispersión es un líquido o un gas se habla de una suspensión. También se conocen como soles, siendo la salsa de tomate un ejemplo típico. La dispersión de dos o más líquidos, inmiscibles entre sí, se llama emulsión, y se mantiene estable gracias a unas sustancias llamadas emulsionantes. En la mayoría de las emulsiones los dos líquidos utilizados son agua y aceites. Las emulsiones pueden ser de dos tipos: coloides protectores, que actúan revistiendo las superficies de las partículas de grasa o aceite dispersadas, evitando así la coalescencia; y los que pueden reducir la tensión superficial de la superficie de separación de las partículas suspendidas a causa de las propiedades de solubilidad de sus moléculas, que se conocen como tenso activos o detergentes. Las reacciones de polimerización se llevan a cabo a menudo en forma de emulsiones. La leche es una emulsión de grasa en agua. La mantequilla es una emulsión de agua en grasa. Los helados, la mayonesa, el yogur, el almidón son ejemplos de emulsiones. Las dispersiones coloidales en las que la fase dispersa está combinada con el medio de dispersión formando una masa gelatinosa se llaman geles. Por ejemplo, se precisa de un 2% de gelatina en agua para formar un gel firme. Los geles se obtienen en general enfriando una solución en donde ciertos tipos de solutos forman grupos de partículas cristalinas microscópicas que retienen y atrapan gran parte de la fase dispersante entre los intersticios de la estructura semirrígida. Son geles: las mermeladas, el engrudo de almidón de yuca y las jaleas.

5.-Unidades y dimensiones.

Las dimensiones son nuestros conceptos básicos de medición, como longitud, masa, tiempo, temperatura, etc.; las unidades son la forma de expresar las dimensiones, como centímetros para longitud o segundos para tiempo. 6.-variables de proceso y variedad de sistemas de unidades empleados en la industria.

concentración. En términos generales, podemos decir que no existen unas unidades de gravedad específica especiales. Sin embargo, hay ciertas unidades que han sido seleccionadas arbitrariamente por su conveniencia para algunas industrias en particular. Composición: Como en la industria generalmente se manejan soluciones, es importante conocer las diversas formas de expresar la composición de las corrientes. Para efectuar los balances de materia es indispensable conocer la composición porcentual de las corrientes además del flujo total. Porcentaje en peso o fracción másica: Es la relación entre el peso del componente i (mi) sobre el peso total de la solución(mT). Es la mejor forma de expresar la composición para efectuar balances de materia. Composición y fracción molar: Las plantas químicas donde hay reactores usan comúnmente la cantidad de sustancia para expresar la composición. También muchos reportes de laboratorio usan cantidades molares. La fracción molar se refiere a las moles de componente i (ni) sobre las moles totales de solución (o de la corriente), nT. Molaridad: Se refiere a las moles de soluto sobre el volumen total de la solución. Una solución uno molar, 1M, indica que contiene un mol de soluto en un litro de solución. Partes por millón: corresponde a una masa de un mg de soluto en 1 kg de solución. Se utiliza cuando el soluto está en muy baja proporción. Se utiliza mucho para contaminantes que se analizan en una corriente de aire. También se utiliza comúnmente las partes por billón. Flojo: Flujo másico: Indica la cantidad de masa que circula por una unidad de tiempo. Flujo volumétrico o Caudal: Representa la magnitud del volumen que pasa por un sitio dado por unidad de tiempo. El peso molecular: se define como la cantidad de masa por unidad molar, así que será el peso molecular de la mezcla.

[ CITATION Ing15 \l 2058 ]

Conclusión:

Hemos Visto a través de esta investigación que existen una serie de Procesos Químicos que son realizados en las industrias para la trasformación de la materia a un producto utilizable o comestible, pero que es importante que el personal sea capacitado y sepa utilizar los instrumentos necesarios y las cantidades específicas para realizarlas, y así obtener el Producto deseado. Pues como hemos visto todo tiene un proceso exacto. Tanto para la elaboración de productos comestibles, así como productos de limpieza, o aseo personal. Y gracias al desarrollo industrial se ha podido utilizar al máximo nuestros recursos, pero el mínimo descuido puede ser peligroso para nuestras vidas y en especial con los productos comestibles, peligroso para nuestra salud.

Bibliografía:

CITATION Ecu18 \l 2058 : , (Ecured, 2018),

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CITATION Ing15 \l 2058 : , (S., 2015),