Conceptos [Diseño de Procesos de Separación]

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALUNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

UPIBI

DISEÑO DE PROCESOS DE SEPARACÍON

Integrantes:

Abundis García Miriam Fabiola

Cabrera Canales Daniela

López Esparza Víctor Adrián

García Herrera Martín Shayd

Profesora:

Dra. Francisco Torres Guadalupe Mariana

Grupo:

7LV1

Conceptos generales de diseño de procesos de separación

Clasificación de las operaciones de separación

PROCESO:

Un proceso puede ser cualquier conjunto de etapas u operaciones

unitarias que apliquen modificaciones de la composición química o

ciertos cambios físicos en el material que se va a preparar, aislar,

mezclar, procesar, separar o purificar.


• El objetivo de los procesos de separación es purificar una solución.

• Para hacer esto se debe causar un transporte diferencial de las especies tal que la mezcla pura pueda ser recogida. La mayoría de los procesos de separación involucra transporte diferencial.


• Por lo tanto los procesos de separación se pueden definir como aquellas operaciones que transforman una mezcla de sustancias en dos o más productos que difieren en composición.


• Diseño de ingeniería y desarrollo

• Costo fijo y de operación

• Operabilidad

• Seguridad

• Factores ambientales y sociales

Objetivos:

Delimitar las operaciones de separación que se desarrollarán en el programa, realizando una primera descripción de los objetivos y fundamentos físicos de cada una de ellas.

Señalar los posibles criterios de clasificación:

En función de las fases implicadas, del modo de contacto, del modo de operación, del agente de separación, etc.


ELECCIÓN ENTRE LOS MÉTODOS DE SEPARACIÓN


• El ingeniero a cargo debe de ver las opciones que tiene a su alcance entre los diferentes métodos de separación

• Algunas veces se puede escoger entre utilizar una operación de transferencia de masa o un método de separación puramente mecánico.

• Algunas veces se utilizan tanto las operaciones mecánicas como las de transferencia de masa, especialmente cuando las primeras no son totales.

• Ejemplo: En la recuperación de aceites vegetales


• Con frecuencia se puede también escoger entre una operación pura de transferencia de masa y una reacción química, o una combinación de los dos.

• Los métodos químicos generalmente destruyen la sustancia eliminada, mientras que los métodos de transferencia de masa generalmente permiten recuperarla integra sin mucha dificultad.

• La base principal para la elección es el costo: “El método que resulta más barato es el que generalmente se utiliza”. Sin embargo, en algunas ocasiones existen factores que también influyen sobre la decisión. Aun cuando la operación es más sencilla no sea la más barata, algunas veces es preferible para evitar problemas.

MÉTODOS DE REALIZACIÓN DE LAS OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA

• Recuperación del soluto y separación fraccionada:• Si los componentes de una solución corresponden a grupos

distintos con propiedades muy diferentes de tal manera que parezca que un grupo de componentes contienen al disolvente y el otro al soluto, entonces la separación de acuerdo con estos dos grupos, por lo general es relativamente sencilla: se reduce a una operación de recuperación del soluto o eliminación del soluto


OPERACIONES EN ESTADO NO ESTACIONARIO

• La característica de la operación en estado no estacionario es que las concentraciones en cualquier punto del aprato cambian con el tiempo. Esto puede deberse a cambios en la concentraciones de los materiales alimentados, velociadades de flujo o condiciones de temperatura o presión. Las operaciones por lotes siempre son del tipo de estado NO estacionario.


• En las operaciones por lotes, todas las fases son estacionarias si se observan desde el exterior del aparato; esto es, no hay flujo hacia dentro o hacia fuera, aun cuando puede existir un movimiento relativo en la parte interior.


OPERACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

• Se basa en que las concentraciones desde cualquier punto del aparato permanecen constantes con el paso del tiempo. Esto requiere del flujo continuo e invariable de todas las fases en y fuera del aparato, una persistencia del régimen de flujo dentro del aparato, concentraciones constantes de las corrientes alimentadoras y las mismas condiciones de temperatura y presión


OPERACIÓN POR ETAPAS

• Si inicialmente se permite que dos fases insolubles entren en contacto de tal forma que las diferentes sustancias por difundirse se distribuyan por si mismas entre las fases y que después se separen las fases mecánicamente, a toda la operación y al equipo requerido para realizarla se les considera como una etapa.


OPERACIONES POR CONTACTO CONTINUO (CONTINUO DIFERENCIAL)

• Las fases fluyen a través del equipo, de principio a fin, en contacto intimo y continuo sin separaciones físicas repetidas ni nuevos contactos. La naturaleza del método exige que la operación sea semicontinua o en estado estacionario; el cambio resultante en las composiciones puede ser equivalente al dado por una fracción de una etapa ideal o por varias etapas.


• El equilibrio entre las dos fases en cualquier posición del equipo, nunca se establece; más aun, si se alcanza el equilibrio en cualquier parte del sistema, el resultado sería equivalente al efecto que tendría un número infinito de etapas.


FUNDAMENTOS DEL DISEÑO

• Hay 4 factores principales que se deben establecer en el diseño de cualquier planta que trabaje con operaciones de difusión:

• Número de etapas en el equilibrio o su equivalente• El tiempo de contacto requerido entre las fases• La velocidad de flujo permisible • Energía requerida para llevar a cabo la operación


NÚMERO DE ETAPAS EN EL EQUILIBRIO

• Se aplica con el fin de determinar el número de etapas en equilibro que se requieren en una cascada para obtener el grado deseado de separación, o para determinar la cantidad equivalente en un aparato de contacto continuo, se necesitan las características de equilibrio para el sistema y los cálculos de balance de materia.


TIEMPO REQUERIDO PARA LLEVAR A CABO LA OPERACIÓN

• Esta ligado íntimamente con la eficiencia de cada etapa, mientras que en el equipo para contacto continuo el tiempo determina el volumen o longitud del aparato necesario. Son varios de los factores que ayudan a establecer el tiempo. El tiempo determina el volumen de longitud del aparato necesario. Son varios los factores que nos ayudan a determinar el tiempo


• Es importante reconocer que, para cierto grado de contacto íntimo entre las fases el tiempo de contacto requerido es independiente de la cantidad total de las fases que van a procesarse.


RAPIDEZ DEL FLUJO PERMISIBLE

• Debe de tomarse en cuneta que este factor en las operaciones de semicontinuas y en estado estacionario, porque permite determinar en ellas al área transversal del equipo . La consideración de la dinámica del fluido establece la rapidez de flujo permisible, y el balance de materia determina la cantidad absoluta requerida de cada uno de los flujos.


ENERGÍA REQUERIDA PARA LLEVAR A CABO LA OPERACIÓN

• Se necesita utilizar energía calorífica y mecánica para llevar a cabo las operaciones de difusión. El calor es necesario para producir cualquier cambio de temperatura, para la formación de nuevas fases (como la evaporación de un fluido) y para evitar el efecto del calor de solución. La energía mecánica se necesita para el transporte de fluidos y sólidos, para dispersar líquidos y gases para mover ciertas partes de la maquinaria.


• El diseño final se habrá de considerar :• Las características de equilibrio del sistema• Balance de Materia• Velocidad de difusión• Dinámica de Fluidos • Energía requerida para realizar la operación


Crear un proceso o diagrama de flujo para obtener ciertos productos a partir de determinadas materias primas.

Variables estructurales. Especifican la presencia de los distintos equipos y su diagrama de interconexiones.

Variables de operación. Representan condiciones operativas (temperatura, caudal, presión, etc.), y ciertas características funcionales de los equipos, como puede ser áreas, número de etapas, etc., por lo general identificadas como parámetros de diseño.

Diseño de procesos de separación

las etapas secuenciales aconsejadas para realizar la tarea de diseño, comprenden:

(1)La definición del problema,(2)El establecimiento de la función objetivo, es decir, la (3)determinación de los criterios en función de los cuales deben seleccionarse alternativas,(3) La síntesis del sistema propiamente dicha, que implica la génesis del conjunto de alternativas estructurales posibles, y por último,(4) La reducción del espacio de alternativas, seleccionando aquellas que cumplan en forma óptima con las especificaciones establecidas.

Diseño de procesos de separación

Las reacciones químicas normalmente generan una mezcla de productos de los cuales suelen interesar nada más uno o dos, y estos con un cierto grado de pureza.Las dificultades de separar el producto deseado con una pureza lo suficientemente elevada y con un costo razonablemente bajo, pueden presentar el obstáculo principal para la comercialización de un proceso nuevo.

Definición y compilación de información relevante

•Propiedades físicas y químicas de los materiales que se pueden obtener de las condiciones alternativas de la reacción.

•Especificaciones mínimas adecuadas del producto deseado, indicando elasticidad de la demanda a diferentes especificaciones y precios.

•Secuencias posibles de separación.

•Valor comercial relativo de los diferentes subproductos que seria posible aislar.

•Tipo de energía disponible y posibles disolventes.

•Condiciones locales de recursos y servicios.

•Costos de equipo (de inversión inicial y de operación y mantenimiento) y características de operación del mismo.

La tarea de diseño lleva implícita la necesidad de seleccionar dentro de un espacio de posibilidades, aquellas alternativas queen base a un criterio predeterminado, cumplan con los objetivos deseados.

Marco económico. Costos de operación, inversión, tasa de retorno, etc.

Elasticidad. Se refiere a la habilidad del proceso para tolerar condiciones adversas tales como perturbaciones o variación en los parámetros.

Flexibilidad. Se refiere a la capacidad estructural y operativa del proceso para mantenerse funcionando con la mejor performance cuando las condiciones operativas corresponden a un rango de condiciones de diseño.

Controlabilidad, confiabilidad, impacto ambiental, etc.

Discriminación primaria de alternativas

• 1. Casi todos los procesos químicos industriales incluyen equipos para la separación de las sustancias químicas contenidas en la alimentación del proceso (s) y / o producidos en los reactores en el procesos.

• 2. Más de 25 diferentes operaciones de separación son de importancia comercial.

• 3. El grado de separación alcanzable por una operación de separación en particular depende de la explotación de las diferencias en ciertas propiedades de la especie.

• 4. Las operaciones de separación más ampliamente utilizados implican la transferencia de especies entre dos fases, una de las cuales se crea por la transferencia de energía o la reducción de la presión.

PROCESOS DE SEPARACIÓN

Discriminación primaria de alternativas

• 5. El mejor proceso de separación con frecuencia debe ser seleccionado de entre un número de candidatos viables. La elección puede depender de factores que se enumeran a continuación.

PROCESOS DE SEPARACIÓN

A. Condiciones 1. Composición, en particular la concentración de las especies que deben recuperarse 2. Caudal 3. Temperatura 4. Presión 5. Estado (sólido, líquido y / o gas) B. Condiciones del producto 1. Purezas requeridas 2. Temperaturas 3. Presiones 4. Estados de fase C. Características de la operación de separación 1. Facilidad de ampliación 2. Facilidad de puesta en escena 3. Temperatura, presión, y los requisitos estatales4. Las limitaciones físicas del tamaño 5. Necesidades de energía

Para el análisis y diseño de procesos se requiere de modelos que describan el comportamiento de esos sistemas. Estos modelos que gobiernan el sistema consisten de M ecuaciones independientes que involucran N variables. Se pueden visualizar 3 casos:

•M > N. En este caso el sistema esta sobre especificado y no tiene solución. Debe revisarse la modelación del sistema.

•M = N. El sistema está completamente definido y tiene solución. Si el sistema es lineal, puede existir soluciones múltiples para el problema en cuestión.

•M < N. con objeto de definir el sistema se necesitan N-M relaciones adicionales, que pueden ser en forma de valores establecidos de algunas variables de diseño. Se dice en estos casos que el sistema tiene F grafos de libertad, dados por:

F= N-M

Análisis de sistemas sub-determinados

Se puede definir como el proceso de seleccionar, a partir de un conjunto de alternativas posibles, aquella que mejor satisfaga

el o los objetivos propuestos.

Para resolver un problema de optimización se requieren dos etapasprincipales:

La formulación del modelo de optimización no es un procedimiento formal estructurado, sino más bien es un proceso que requiere de experiencia y creatividad.

Optimización

• Seader, J. D. y Henley, E. J. Separation Process Principles. John Wiley and Sons, Inc. 2005. Estados Unidos de América. 800 págs. ISBN 978-0471464808.

• Jiménez, G. A. Diseño de procesos de ingeniería química. Editorial REVERTÉ, S.A. 2003. Barcelona. España. Págs. 60-63.

• Scenna, J.N y Benz, J. S. Introducción al diseño de procesos químicos. Breves nociones.

• Scenna, J.N. Modelado, simulación y optimización de procesos químicos. 2ª edición.

• Ferrero,B.M y Chiotti, J.A.O. Optimización. Scenna, J.N. Modelado, simulación y optimización de procesos químicos. 2ª edición

Conceptos [Diseño de Procesos de Separación]

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