Capítulo 1.- Operaciones básicas de los procesos químicos.

 Introducción

En cualquier proceso químico industrial se producen 3 conjuntos sucesivos de etapas cuyos objetivos son la preparación de ls reactantes, la reacción química y la separación de los productos obtenidos. En el estudio de dichos procesos industriales se siguen básicamente dos enfoques alternativos: 

1. Enfoque típico de la Química Industrial: se centra en la descripción de los procedimientos seguidos y de los equipos empleados en cada industria.
2. Operaciones básicas: es el estudio sistematizado de cada una de las operaciones que son comunes a diversos procesos industriales clasificadas de acuerdo a su función específica.

El conocimiento tanto de los principios fundamentales y de las variables que determinan la naturaleza y desarrollo de cada operación en particulas como de sus aplicaciones, resulta de gran utilidad para los ingenieros de proceso con independencia de la industria en la que se vayan a emplear.

Concepto de operación básica

Una operación básica, también conocida como Operación unitaria, es cada una de las operaciones o etapas individuales con una función específica diferenciada que, coordinadas, permiten llevar a cabo un proceso químico industrial. Se basan en principios científicos comunes y tienen técnicas de cálculo semejantes, independientemente de la industria en que se apliquen y el producto que se este obteniendo. Entre ellas se tienen: filtración, absorción, rectificación, extracción, lixiviación, y adsorción. Su fundamento, desarrollo y técnica de cálculo es la misma, sin importar la industria en que se aplique.
Las más importantes son las operaciones de separación por transferencia de materia, cuya actuación se produce sobre una corriente-alimento formada por una mezcla de compuestos en una fase, para separar dos o más corriente-producto de diferente composición. Para ello es necesaria la presencia de una segunda fase inmiscible con el alimento que actúe como receptora de alguno de los compuestos que se desean separar.
En ese sentido, los procesos de separación a través de membranas semipermeables o mediante aplicación de campos eléctricos (separación de compuestos con carga) o campos magnéticos presentan expectativas crecientes de uso industrial.

Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas

Según el modo en que las corrientes de alimento y producto entren y salgan del equipo a lo largo del tiempo, se distinguen 3 tiposde operaciones básicas:

1. Operaciones continuas: La corriente de entrada se alimenta premanentemente al equipo sin interrumpción, a la vez que los productos son retirados del mismo de igual modo. El tamaño del equipo necesario para una determinada operación, es decir, su volumen (m^3), es determinado por el caudal de alimento (m^3/h) y la velocidad a la que se desarrollara la operación (h^-1), que a su vez serán en función de las condiciones que influyen sobre ella. Su régimen de funcionamiento es el régimen estacionario, el tiempo no influye sobre los valores de las variables intensivas características del proceso. Se espera que el comportamiento del sistema sea el mismo a lo largo de todo el proceso, esto no implica que las variables sean constantes, puesto que los valores cambian de posición, sino únicamente que en cada punto no se modifican a lo largo del período de funcionamiento. A nivel industrial resulta inevitable tener alteraciones no deseadas de los valores de las variables (fluctuaciones).
2. Operaciones discontinuas, intermitentes o por cargas: Consiste en introducir inicialmente en el equipo la totalidad de alimento que será tratado (carga), procesarl y finalmete retirar la totalidad de productos (descarga). Un ejemplo de esto, son los reactores discontinuos (carga-reacción-descarga). A diferecia de las operaciones continuas, aquí si influye pues es la variable que determina el tamaño del equipo. Su régimen de funcinamiento es el régimen no estacionario, las variables modifican sus valores, desde un valor inicial hasta un valor final. Son utilizadas principalmente en la producción de a pequeña escala, en la fabricación de compuestos de alto valor añadido, o si las condiciones específicas motivan las paradas continuas. 
3. Operaciones semicontinuas: son una combinacion de características de las dos operaciones anteriores, y se emplean combinando varias unidades. Ocurren bajo régimen no estacionario debido a que los valores de las variables evolucionan a lo largo del tiempo. 

Imagen. Esquema de operación: a) continua, b) discontinua, y c) semicontinua.

Se ha considerado un conjunto de ventajas e inconvenientes de las operaciones continuas frente a las discontinuas, destacando entre las primeras la escala de operación, la eficiencia energética o la automatización, y entre las desventajas la falta de versatilidad o los requerimientos de uniformidad de las materias primas.

Contacto entre fases inmiscibles: continuo o discontinuo

Un gran número de operaciones básicas industriales implican la transferencia de materia entre dos o más fases inmiscibles, es decir, el paso de algunos componentes de una fase a otra.
Un método muy utilizado para conseguir este objetivo consiste en mezclar intensamente las fases inmiscibles para facilitar que la transferencia de materia se produzca rápidamente y dejar que transcurra el tiempo necesario hasta que se haya alcanzado entre las mismas el transporte de propiedad deseado (equilibrio). El modo de operar, en que las fases alternan los períodos en que están en contacto con otros períodos que no lo están, se conoce como contacto discontinuo, intermitente o por etapas. Si las fases disponen de suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio en cada etapa, se conoce como etapa de equilibrio total o ideal. Esto supone una simplificación del comportamiento del sistema ya que el tiempo de contacto necesario para alcanzar el equilibrio termodinámico tiende a infinito. En la prática el equipo se evalúa expresando los cambios que se producen en una etapa real como una fracción de los que se producirían si se alcanzara el equilibrio. Esta fracción se llama rendimiento o eficacia de la etapa.
Lo habitual es que se emplee el contacto múltiple, pues permite un mayor transporte de propiedad.
Los cálculos fundamentales para establecer el tamaño del equipo en el que se llevan a cabo operacones básicas industriales con contacto múltiple se efectúan a partir de las relaciones estequimétricas y de equilibrio del sistema, y consisten en determinar el número de etapas de equilibrio necesarias.
El equilibrio para las operaciones de contacto discontinuo varía ampliamente en sus formas, tamaños y detalles de construcción; y destacan por la frecuencia de su uso las columnas de pisos o platos.
Sí durante la operación las fases están permanentemente en contacto, es decir, no existen etapas o períodos de contacto, el modelo se denomina contacto continuo. Aquí la variable clave para el diseño del equipo es la velocidad con la que se produce el transporte de propiedad por unidad de superficie. Los equipos de contacto continuo más frecuentemente utilizado son las columnas de relleno que consisten en una carcasa o recipiente que se encuentra un material de relleno formado por cuerpos sólidos.

 Imagen: a) Columna de relleno, contacto continuo, b) rellenos.

La mayor parte de las operaciones de separación industriales se desarrollan en contacto continuo, incluso las operaciones cuyo objetivo no es la transferencia de materia presentan con frecuencia este tipo de contacto. El transporte de otras propiedades extensivas (energía o cantidad de movimiento) se producen por contacto continuo entre las corrientes implicadas.

Flujo en paralelo, en contracorriente y cruzado

El éxito en la consecución del objetivo depende de las características de la ciculación de las fases a través del equipo.

• Flujo en paralelo: Las corrientes se mueven en la misma dirección y sentido, y el transporte máximo de propiedad que puede producirse está limitado por las condiciones de equilibrio termodinámico entre las fases. 
• Flujo contracorriente: Las corrientes se desplazan en la misma dirección, pero en sentidos opuestos, es posible alcanzar mayores transportes de propiedad extensiva y superar el límite anterior. Ésta operación equivale a varias etapas ideales, con el límite para el transporte establecido por las condiciones de equilibrio entre una corriente de salida y otra de entrada. Es utilizada en la mayoría de los procesos de la industria química.
• Flujo cruzado: Las corrientes se mueven perpendicularmente entre sí, el transporte es limitado por las condiciones de equilibrio entre las diferentes corrientes de salida.

Cuando en una operación continua el flujo es en contracorriente, el contacto puede ser continuo o discontinuo, mientras que si se habla de flujo paralelo o cruzado sólo tiene sentido el contacto continuo. Sin embargo, ocurre que en una operación con flujo cruzado una de las corrientes tenga contacto múltiple, es decir, que en una de las salidas de cada etapa se constituya un producto mientras que la otra sea puesta de nuevo en contacto con alimento fresco, esto se conoce como contacto repetido. 

Los tipos de flujo están referidos al equipo en su conjunto, y no cada uno de los puntos del mismo.

 

Cuando se requieren procesos de separación, imposibles de alcanzar con alguno de los flujos mencionados, se puede conseguir una separación más completa generando un reflujo en uno o ambos extremos del equipo de contacto e introduciendo la corriente de alimentación en una zona intermedia de mismo.

Clasificación de las operaciones básicas y de los reactores químicos. Flujos controlables

Imagen. Clasificación de las peraciones básicas de separación.

En las operaciones básicas químicas, aunque los principios fundamentales de diseño sean siempre los mismos, las diferencias que las distintas reacciones químicas presentan entre sí, conducen a la existencia de una enorme variedad de equipos.

Dependiendo del tipo de reacción química y las fases implicadas en la misma, se generan reactores diferentes. 

Variables de diseño de las operaciones básicas

Implican el concurso de un elevado número de variables (V) que es necesario conocer y controlar para obtener los resultados deseados.

• Las variables de construcción (Vc) son las características de los diferentes elementos o etapas que componen un sistema. Entre ellas están: presión, temperatura y concentración de cada corriente.
•  Las variables intensivas (VI) caracterizan las corrientes que entran o salen de dichas etapas, es decir, los caudales de cada corriente.

Sin embargo, estás variables estan ligadas entre sí por las leyes de equilibrio, leyes cinéticas, y las de la conservación de materia y energía, así como de la cantidad de movimiento.

El conjunto de esto permite generar un conjunto de ecuaciones independientes (E), cuyo número es normalmente menor que el de las variables a determinar, de modo que el sistema obtenido consta de más incógnitas que ecuaciones, o es indeterminado. Para poder llevar a cabo el diseño del sistema deben establecerse los valores de una cantidad de variables igual a  la diferencia entre su número total y el de ecuaciones independientes que las relacionan.
Las variables cuyo valor se fija para obtener el sistema determinado se denominan variables de diseño (VD ) y las que se calculan a partir de las mismas se denominan variables de estado.

Cálculo del número de variables de diseño

El método es hacer la determinación en unidades sencillas para obtener las que correspondan a esquemas más complejos. El número de variables de diseño se expresa:

VD= V - E = (VI + VE) - (EI + EE) + Vc= (VI - EI) + (VE - EE) + Vc

Donde EE y EI  representan el número de ecuaciones independientes. El número de variables intensivas y extensivas libres es por tanto (VI - EI) y (VE - EE). Las primeras se denominan libertades (L), y en un sistema en equilibrio, puede calcularse: 

VI - EI = L = (C + 2) - F

donde C es el número de componentes del mismo y F es el número de fases.

Las libertades se determinan: 

LEtapa = ∑LSistemas eq.

Para calcular el número de variabes de diseño de un equipo formado por varios elementos, pero con un cierto número NC de corrintes que conectan elementos contiguos, el número total de variables de diseño del mismo se corresponderá con la suma de la totalidad de las variables de diseño de las etapas independientes menos el número de éstas que sean comunes para cada dos etapas que se conectan.

Como cada corrientes está caracterizada por (C - 1) concentraciones más la temperatura y la presión como variables intensivas y el caudal como variable extensiva, el total de variables comunes (C + 2) y el total para NC corrientes NC(C + 2).

Cáculo del número de variables de diseño de una etapa de contacto

Una etapa de contacto es aquella en que las fases son mezcladas con la pretensión de alcanzar el máximo de transferencia, de modo de alcanzar el equilibrio y la etapa ideal, si no se logra se habla de una etapa real.
En una etapa de contacto ideal se alcanza el equilibrio, por lo que no es necesario alargar el tiempo de contacto o ampliar el volumen recorrido por las fases. No existe una variable adicional. En la etapa ideal será VC = 0; algo que no ocurre en la etapa real, donde la eficacia podrá ser mayor o menor según el tamaño de ésta, la intensidad de la mezcla y el tiempo de contacto.
Si se considera que la etapa está constituida por dos sistemas monofásicos de entrada y un sistema bifásico en equilibrio de salida se puede calcular el número de variables intensivas libres:

 (VI - EI)= LEtapa = ∑LSistemas = 2(C + 1) + C = 3C + 2

Este cálculo es equivalente a considerar que existen cuatro corrientes monofásicas, dos de ellas ligadas a las (C + 2).

El número total de variables extensivas (VE) se corresponderá con el número de caudales representativos de las corrientes que entran o salen de la etapa. Existen cuatro caudales de materia y uno de energía neta: VE = 5.

Las ecuaciones (EE) son los balances de materia de los C componenetes y los de cantidad de movimiento y energía, resultando en total EE = C + 2.

De esto se obtiene que el número de variables del diseño para una etapa ideal o teórica será:

VD = (VI + EI) + (VE - EE) + VC = (3C + 2) + (5 - (C + 2)) + 0 = 2C + 5 

La diferencia fundamental reside en que mientras en la etapa ideas las corrientes que la abandonan se encuentran ligadas por relacones de equilibrio entre ambas, lo cual no ocurre en la etapa real.

El número de variables de construcción en una etapa real no será cero, ya que la eficacia de la etapa dependerá de las dimensiones de la misma.

El número de variables extensivas no se ve afectado porque el sistema no se encuentre en equilibrio, por lo que no hay ningún cambio respecto a la etapa ideal. Las ecuaciones que las relacionan sí se modifican. El régimen de equilibrio puede considerarse como el límite del régimen cinético.

Cálculo del número de variables de diseño de una cascada de etapas de contacto

 El cálculo se efectúa sumando el número de variables de diseño de todas las etapas que componen la cascada, sustrayendo de la suma resultante el número de variables comunes y adicionando las nuevas variables de contrucción que pueda haber.

En la cascada de N etapas de contacto, el número de corrientes que conectas las etapas es NC = 2 (N - 1) con lo que el número de variables comunes resulta:

VCOMUNES = NC(C + 2) = 2(N - 1)(C + 2)

Por otro lado, el número de etapas de contacto que componen la cascada es por sí mismo una variable de construcción a tener en cuenta: VC = 1.

En caso que las etapas de contacto fueran reales y adiabáticas N de las variables de diseño de la ecuación estarían fijadas como consecuencia de ser nulos los caudales netos de calor.

Si todas las etapas tuvieran la misma eficacia, habría que disminuir el número de variables de diseño en (N - 1) que estarían fijadas.

Cálculo del número de variablesde diseño de sistemas complejos

Es posible obtener el número de variables de sistemas complejos a partir de la combinación de los valores conocidos del número de variables de diseño de unidades sencillas que los componen.

Estos valores se obtienen de manera análoga al calculo de variables de diseño de una etapa de contacto.

Se opera a partir del conocimiento de las variables de diseño correspondientes a las etapas simples o conjuntos de etapas implicados.

El total de variables de diseño se calcula sumando los valores de etapa de concentración, cascada de etapas de la zona de enriquecimiento y el total de etapas, etapa de alimentación, y cascada de etapas de agotamiento con el total de M - 1 etapas; correspondientes a las etapas o conjuntos de estas implicados y restando del resultado el número de variables que son comunican entre sí. A este valor se le sumarían las variables de construcción necesarias.

El número de variables de diseño obtenido correspondería a un sistema de intercambio de calor en todas las etapas (no adiabáticas).

Fuente:

CALLEJA, GUILLERMO, Introducción a la Ingeniería Química, col. Editorial Síntesis, 1992., pags. 44-60.