TEMA 1 LA INDUSTRIA QUÍMICA: OBJETO Y CONTENIDO CIENTIFICO DE LA INGENIERÍA QUÍMICA

Industria Química Transforma mediante procesos físicos y químicos las materias primas en otros productos de mayor utilidad, interés y valor añadido que demanda el mercado Las materias primas pueden ser: - naturales - productos intermedios Nace a finales del s.XVIII (1ª Revolución Industrial) Las causas que permiten su nacimiento y desarrollo son de índole: Científica (observación, experimentación, inducción, modelización) Técnica (máquina de vapor) Económica (capitalismo) Social (industria, comercio, banca)

Transformaciones en la industria química Desarrollo de la Industria Química: Necesidades industriales Capacidad metodológica Nuevos procesos NIVEL I (S. XIX). - Criterios de producción NIVEL II (S. XX). - Criterios económicos: Recirculación Optimización energía NIVEL I (S. XXI). - Criterios medio-ambientales

Proceso químico Sucesión ordenada de operaciones físicas y químicas que transforman la materia prima en productos de interés a escala industrial.

Química Industrial vs. Laboratorio Conceptualmente Las transformaciones implican cambios de composición y contenido energético Simplificaciones no aplicables Técnicamente: Escala industrial Gran numero de unidades de proceso Económicamente Rentabilidad (valoración económica) consideración de múltiples factores ESCALA RENTABILIDAD

Factores importantes para el desarrollo de un proceso químico Aspecto clave: Rentabilidad económica Mercado Subproductos Localización geográfica Permanencia del proceso Estudio de mercado del producto Evaluación de costes de producción Materias primas Energía Mano de obra Mercado de subproductos Gestión de residuos

Ingeniería Química: Objetos de estudio Nace para resolver los problemas de la Industria Química. Es la disciplina científica que prepara especialistas para la Industria Química Concepción, el diseño, la construcción, la operación y el control de las plantas industriales que permiten obtener los productos químicos de interés comercial. concepción de laboratorio proceso a escala industrial. Contribuciones de la Ingeniería química: Uso de nuevas materias primas (nuevas síntesis) Mejores procesos: - Pasos. - Catalizadores - Reacciones secundarias - Procesos de separación - Control - Residuos Economía de escala

INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA INDUSTRIAL Estudio sistemático de las operaciones comunes de los diferentes procesos así como su coordinación y las materias complementarias necesarias para su estudio INGENIERÍA QUÍMICA Comprende la descripción detalla de cada uno de los procesos de fabricación que se llevan a cabo en la industria, materias primas utilizadas, operaciones realizadas, equipos que se utilizan..... QUÍMICA INDUSTRIAL

OBJETIVOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA El desarrollo de procesos químicos (diseño, construcción, operación, control, optimización, mejora, cambio de escala, investigación....). Estos procesos conllevan un importante consumo energético con el consiguiente agotamiento de los recursos naturales, por lo que el desarrollo de nuevos recursos energéticos se está convirtiendo en una importante tarea para la Ingeniería Química. 3) A su vez, la creciente preocupación por el medio ambiente, “desarrollo sostenible” y el endurecimiento de la legislación medioambiental requiere el desarrollo y la mejora de tecnologías para la eliminación de residuos lo que está convirtiendo a la ingeniería medioambiental en un campo de la ingeniería química en expansión. 4) Otro área que está experimentando un fuerte desarrollo son los procesos que incluyen tratamientos de tipo biológico. 5) La necesidad de procesos más eficientes y las nuevas tecnologías requieren a su vez el desarrollo de nuevos materiales.

CONTENIDOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA a) Balances de materia y energía. Consiste en la determinación de los requerimientos materiales y energéticos para un proceso determinado. b) Operaciones unitarias o básicas. Es el estudio sistemático del fundamento, diseño y operación de todas las transformaciones físicas de las sustancias que tienen lugar en un proceso industrial y que se repiten sistemáticamente de uno a otro: destilación, extracción, evaporación, impulsión de líquidos, filtración etc.. c) Ingeniería de la reacción química. Diseño y operación de los reactores en los que se realizan las transformaciones químicas que tienen lugar en un proceso industrial, dependiendo del tipo de reacción química y de las condiciones en que se lleva a cabo. d) Ingeniería de procesos. Optimización de las diferentes operaciones de transformación físicas o químicas cuando se conectan entre sí para obtener los productos deseados.

CONTENIDOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA e) Materias complementarias. Conjunto de materias que aportan conocimientos básicos necesarios directamente relacionados con los objetivos de la Ingeniería Química. Las fundamentales son: 1) Termodinámica. Estudio de las leyes de conservación, relaciones de equilibrio y estimación de propiedades fisicoquímicas. 2) Cinética química. Estudio de la velocidad de las reacciones químicas. 3) Fenómenos de transporte. Leyes por las que se rige el transporte de materia, energía y cantidad de movimiento en las operaciones básicas. 4) Control y dinámica de sistemas. Conocimiento sobre la evolución de los sistemas ingenieriles a lo largo del tiempo y de su respuesta a las perturbaciones. Control de los procesos industriales. 5) Economía. Estudio y optimización económica de las alternativas posibles sobre un proceso o conjunto de procesos químicos. 6) Gestión ambiental. Consecuencias medioambientales de lso procesos industriales. Minimización y medidas correctoras (evaluación y corrección de impactos ambientales). Gestión de residuos. 7) Seguridad industrial. Análisis de riesgos y medidas de seguridad en los procesos químicos. 8) Disciplinas auxiliares. Ciencia de los materiales, termotecnia, electrotecnia y expresión gráfica.

OPERACIONES UNITARIAS (=BÁSICAS) en los procesos industriales Preparación reactivos Reacción química Separación productos Definición: Cada una de las etapas con una función específica que se lleva a cabo sistemáticamente en la industria química: destilación, extracción, evaporización, etc. Características: Son esencialmente las mismas con independencia del proceso en el que se apliquen. Permite estandarizar la educación en ingeniería química: diseño de equipos con el mismo fundamento para procesos distintos. Técnica de cálculo similares Principios científicos comunes: Transporte de cantidad de movimiento, transmisión de calor y Transferencia de materia

Tipos de operaciones Clasificación en función del modo de operación Régimen estacionario V = f [ QV , Vp ] Régimen no estacionario V = f [ Vp ] Régimen no estacionario

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS RESPECTO A LAS DISCONTINUAS VENTAJAS: Economía de escala (grandes producciones) Fácil recuperación o aportación de calor Reducción de la mano de obra (automatización) Eliminación de tiempos muertos (carga y descarga) Mayor uniformidad de los productos Mayor producción por unidad de volumen DESVENTAJAS: Se requiere uniformidad de composición de materias primas y reaccionantes Difícil versatilidad (adaptación de la producción al consumo Arranque y parada complicada (grandes instalaciones) Equipo de instrumentación y control costoso

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE OPERACIÓN OPERACIÓN CONTINUA: Productos químicos básicos, tanto orgánicos como inorgánicos. Ácidos, bases, etileno, propileno, amoniaco ...y sus derivados. Rectificación del crudo en las refinerías de petróleo. Absorción para la preparación de ácidos sulfúrico y nítrico. Extracción de aromáticos, previa a la formulación de aceites lubricantes. OPERACIÓN DISCONTINUA: Es adecuada cuando se opera a pequeña escala, se fabrican compuestos de alto valor añadido o existen algunas condiciones específicas del producto (corrosión, etc.) que motiven que las paradas hayan de ser frecuentes. Fabricación decolorantes y productos farmacéuticos. Cristalización en balsas empleadas para la producción e sal. Filtración para separaciones en la industria agroalimentarias. OPERACIÓN SEMICONTINUA: Lixiviación de minerales. Secado de materiales en corriente de aire

Tipos de operaciones Clasificación en función del contacto entre fases CONTACTO CONTINUO Columna de relleno (ABSORCIÓN) CONTACTO DISCONTINUO (intermitente, por etapas o interrumpido) Columna de RECTIFICACIÓN

Clasificación en función del tipo de circulación Operación con flujo en paralelo Las dos fases fluyen en el mismo sentido Operación con flujo en contracorriente Las fases fluyen en sentido contrario Operación con flujo cruzado Las fases fluyen de forma perpendicular

Operaciones básicas de separación

OPERACIONES BÁSICAS DE SEPARACIÓN Operaciones gas-líquido y líquido-vapor Absorción-desorción: Consiste en la transferencia selectiva de uno o más componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente líquido de reducida volatilidad o viceversa. Rectificación: En la destilación el contacto se realiza entre una mezcla en fase líquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullición del líquido pero que no se encuentran inicialmente en el equilibrio, a consecuencia de ello, la fase vapor se condesa parcialmente y la fase líquida se vaporiza también parcialmente de modo que tras el contacto entre ambas el vapor se enriquece en los componentes más volátiles de la mezcla y el líquido lo hace en los menos volátiles. Operaciones de interacción aire-agua: Humidificación y deshumidificación de aire y enfriamiento de agua: En ellas el vapor de agua (equivalente al componente volátil pasa de una fase a otra con el consiguiente efecto térmico del elevado calor latente de vaporización/condesación. Evaporación: Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación es que sólo hay un componente volátil.

Operaciones líquido-líquido: Extracción: Se ponen en contacto dos mezclas líquidas inmiscibles con objeto de transferir uno o varios componentes de una fase a otra. Operaciones líquido-sólido: Lixiviación: es una extracción líquido-sólido, es la separación de uno o varios solutos contenidos en una fase sólida mediante su contacto con un disolvnte líquido que lso disuelve selectivamente. Adsorción: esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de una mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie de un sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la absorción donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido aquí los componentes se incorporan slamente a la superficie de la fase receptora. Intercambio iónico: Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del líquido al sólido son especies iónicas en la fase líquida. Cristalización: aquí se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la temperatura y/o en la concentración. Secado: en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por vaporización.