Apuntes_Procesos químicos industriales

5/11/2018 Apuntes_Procesos químicos industriales - slidepdf.com

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PREUJOVEN Química – Plan Específico

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Procesos químicos industriales

Al término de esta lección podrás:• Conocer distintos métodos de separación de sustancias.

• Saber sobre las industrias.

• Conocer las distintas materias primas que se emplean en las industrias.

1. Química industrial.

La Química Industrial es la rama de la Química que aplica los conocimientos químicos a laproducción de forma económica de materiales y productos químicos especiales con el mínimoimpacto adverso sobre el medio ambiente.

Aunque tradicionalmente se adaptaba a escala industrial un proceso químico de laboratorio,actualmente se modelizan cuidadosamente los procesos según su escala. Así, se ponen enjuego fenómenos como la transferencia de materia o calor, modelos de flujo o sistemas decontrol que se agrupan bajo el término de Ingeniería Química.

Para la predicción de los efectos de los modelos de flujo de fluidos y calor, así como de latransferencia de cantidad de movimiento, y para la evaluación de efectos sólo abordables

empíricamente, las plantas piloto a escala reducida son muy utilizadas, aprovechándose parael dimensionado definitivo y la selección de materiales y equipos.

La adaptación del laboratorio a la fábrica es la base de la industria química, que suele reuniren un solo proceso continuo y estacionario (aunque también opera por cargas) las operacionesunitarias que en el laboratorio se efectúan de forma independiente. Estas operacionesunitarias son las mismas sea cual sea la naturaleza específica del material que se procesa.Algunos ejemplos de estas operaciones unitarias son la molienda de las materias primassólidas, el transporte de fluidos, la destilación de las mezclas de líquidos, la filtración, lasedimentación, la cristalización de los productos y la extracción de materiales de matricescomplejas.

La Química industrial está en continua evolución. Modernamente van perdiendo importancialos procesos de producción en gran cantidad y de escaso valor añadido, frente a los productosespecíficos de gran complejidad molecular y síntesis laboriosa. Por otro lado, al tradicionalaprovechamiento de subproductos y energía por motivos económicos se ha añadido lapreocupación por el medio ambiente y los procesos sostenibles (Green Chemistry)

La metodología y la tecnología de la Química Industrial es la Ingeniería Química, la cual fuedefinida así por el Simposio Internacional sobre enseñanza de la Ingeniería Química (Londres1981)

“La Ingeniería Química es una disciplina en la que cuatro procesos de transferencia de calor,transferencia de materia, transferencia de cantidad de movimiento y cambio químico




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(incluyendo el cambio bioquímico) se combinan con las ecuaciones fundamentales deconservación y leyes de la Termodinámica para aclarar los fenómenos que tienen lugar en losequipos y en las plantas de proceso”.

1.1 Materias Primas.

Se conoce como materias primas a los materiales extraídos de la naturaleza que nos sirvenpara construir los bienes de consumo. Se clasifican según su origen: vegetal, animal, ymineral. Ejemplos de materias primas son la madera, el hierro, el granito, etc.

Las materias primas que ya han sido manufacturadas pero todavía no constituyendefinitivamente un bien de consumo se denominan productos semielaborados o semiacabados.

Ejemplos de materias primas

• De origen vegetal: madera, lino, algodón, corcho• De origen animal: pieles, lana• De origen mineral: hierro, oro, cobre, mármol.

Una materia prima de origen fósil muy valiosa es el petróleo, del que se obtienencombustibles, alquitranes y plásticos

1.2 Proceso industrial.

Un proceso de fabricación, también denominado proceso industrial, manufactura oproducción, es el conjunto de operaciones necesarias para modificar las características de lasmaterias primas. Dichas características pueden ser de naturaleza muy variada tales como laforma, la densidad, la resistencia, el tamaño o la estética. Se realizan en el ámbito de laindustria.

En la inmensa mayoría de los casos, para la obtención de un determinado producto seránnecesarias multitud de operaciones individuales de modo que, dependiendo de la escala deobservación, puede denominarse proceso tanto al conjunto de operaciones desde la extracciónde los recursos naturales necesarios hasta la venta del producto como a las realizadas en unpuesto de trabajo con una determinada máquina-herramienta.

Normalmente un proceso industrial suele necesitar de una supervisión. Disponemos de unservidor o Server por donde pasa toda la información del proceso (datos, orden de activación

de máquinas...). Dicha información pasa por una red (normalmente ethernet) que une losdistintos elementos o clientes, el Server además debe estar asociado a una base de datos parapoder consultar i/o tratar los diferentes datos de que dispondremos, acción que conocemoscomo minería de datos.

En el ámbito industrial se suelen considerar convencionalmente los procesos elementales quese indican, agrupados en dos grandes familias:




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Tecnología mecánica:

• Moldeoo Fundicióno Pulvimetalurgiao Moldeo por inyeccióno Moldeo por sopladoo Moldeo por compresión

• Conformado o deformación plástica.o Laminacióno Forjao Extrusióno Estiradoo Conformado de chapao Encogimientoo Calandrado

• Procesos con arranque de materialo Mecanizado

Torneado Fresadora Taladrado

o Electro erosión

• Procesos con aporte de material (rapid prototyping )o Soldadura

• Tratamiento térmicoo Templadoo Revenidoo Recocidoo Normalizadoo Cementacióno Nitruracióno Sinterización

• Tratamientos superficiales; Acabadoo Eléctricos

Electro pulidoo Abrasivos

Pulido

Tecnología química

• Procesos físicos• Procesos químicos

o Tratamientos superficiales Pasivado




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1.3 Industria.

La industria es el conjunto de procesos y actividades que tienen comofinalidad transformar las materias primas en productos elaborados, deforma masiva. Existen diferentes tipos de industrias, según sean losproductos que fabrican. Por ejemplo, la industria alimenticia se dedica ala elaboración de productos destinados a la alimentación, como el queso,los embutidos, las conservas, las bebidas, etc. Para su funcionamiento, laindustria necesita materias primas y fuentes de energía paratransformarlas.

1.4 Importancia de la Industria.

La industria fue el sector motor de la economía desde el siglo XIX y, hasta la Segunda GuerraMundial, la industria era el sector económico que más aportaba al producto interior bruto

(PIB), y el que más mano de obra ocupaba. Desde entonces, y con el aumento de laproductividad por la mejora de las máquinas y el desarrollo de los servicios, ha pasado a unsegundo término. Sin embargo, continúa siendo esencial, puesto que no puede haber serviciossin desarrollo industrial.

El capital de inversión, en Europa, procede de la acumulación de riqueza en la agricultura. Elcapital agrícola se invertirá en la industria y en los medios de transporte necesarios paraponer en el mercado los productos elaborados.

En principio los productos industriales harán aumentar la productividad de la tierra, con loque se podrá liberar fuerza de trabajo para la industria y se podrán obtener productosagrícolas excedentarios para alimentar a una creciente población urbana, que no vive del

campo. La agricultura, pues, proporciona a la industria capitales, fuerza de trabajo ymercancías. Todo ello es una condición necesaria para el desarrollo de la revoluciónindustrial. En los países del Tercer Mundo, y en algunos países de industrialización tardía, elcapital lo proporciona la inversión extranjera, que monta las infraestructuras necesarias paraextraer la riqueza y las plusvalías que genera la fuerza de trabajo; sin liberar de las tareasagrícolas a la mano de obra necesaria, sino sólo a la imprescindible. En un principio hubo derecurrir a la esclavitud para garantizar la mano de obra. Pero el cambio de la estructuraeconómica, y la destrucción de la sociedad tradicional, garantizaron la disponibilidad desuficiente capitales.

1.5 tipos de industrias.

Extractivas: Dedicadas a explotar recursos naturales. Ejemplo: Codelco, ECOPETROL, Minas deOro del Chocó. La industria extractiva explota yacimientos de recursos naturales norenovables y los transforma de manera que sean utilizables para diversos procesos productivosy de consumo. Realiza una actividad de especial importancia para el desarrollo económico dela sociedad, pues suministra materias primas –combustibles fósiles y minerales imprescindiblespara satisfacer las necesidades de energía y de producción de bienes.

Sin embargo, dada su naturaleza y las tecnologías que emplea, esta industria suele producirefectos nocivos en los lugares en donde se extraen los recursos, y también en los procesos detransformación y transporte de sus productos. Para responder a un modelo de desarrollosostenible la industria extractiva debe incorporar prácticas medioambientales adecuadas a lolargo de todas las etapas del proceso, desde la extracción y el tratamiento hasta la entrega de




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los productos acabados al consumidor, incluyendo la restauración de las zonas afectadas por laexplotación.

Servicios: La Industria de Servicios Profesionales comprenderá los establecimientos dedicadosa prestar servicios profesionales tales como: bufetes u oficinas de abogados, consultorios,laboratorios médicos (cualquiera que sea su especialidad), clínicas y laboratorios dentales,servicios radiológicos, oficinas de optómetras, quiroprácticos, quiropodistas, veterinarios,ingenieros, arquitectos, agrimensores, químicos, contadores, interventores de cuentas,tenedores de libros, sicólogos, trabajadores sociales, economistas o administradores denegocios; firmas consultoras de gerencia y de estudios científicos y técnicos, centros desuministro de enfermeras y centros de servicios de veterinaria.

Comercial: Desarrolla la venta de los productos terminados en la fábrica. Ejemplo: Cadenasde almacenes, supermercados, Falabella, etc. El comercio es el vínculo necesario de todos losdemás ramos de la industria y el medianero entre la producción y el consumo. No transformalas cosas que son objeto de la especulación mercantil, salvo en los accidentes de modo,tiempo y lugar. El comerciante registra con su mirada las diversas regiones del globo, observalos parajes donde abundan ciertos productos y donde escasean y los transporta a sus mercadosnaturales; compra y vende según las ocasiones; acopia los géneros y frutos en la abundancia ybaratura para ofrecerlos en la escasez y carestía; almacena gruesas cantidades de un artículopara expenderlo en partidas menores; esta pronto a dar salida a la riqueza estancada en lasmanos del productor y a satisfacer y adivinar las necesidades, gustos y caprichos delconsumidor, y en fin, el comercio vivifica y alimenta el trabajo por medio de los cambios

Agropecuaria: Explotación del campo y susrecursos. Ejemplo: Hacienda, agroindustria.

Industrial: Transforma la materia prima enun producto terminado. Ejemplo: Alten,Bauhaus, etc.

Confiere a sus poseedores capacidad plenapara proyectar, ejecutar y dirigir toda clasede instalaciones y explotacionescomprendidas en las ramas de la técnicaindustrial química, mecánica y eléctrica yde economía industrial (entre las que deberán considerarse):

• Siderurgia y metalurgia en general• Transformaciones químico-inorgánicas y químico-orgánicas• Industrias de la alimentación y del vestido.• Tintorerías, curtidos y artes cerámicas.• Industrias fibronómicas.• Manufacturas o tratamientos de productos naturales, animales y vegetales.• Industrias silicotécnicas.• Artes gráficas.• Hidrogenación de carbones.• Industrias de construcción metálica, mecánica y eléctrica, incluidas deprecisión.




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• Construcciones hidráulicas y civiles.• Defensas fluviales y marítimas.• Ferrocarriles, tranvías, transportes aéreos y obras auxiliares.• Industrias de automovilismo y aerotécnicas.• Astilleros y talleres de construcción naval.• Varaderos y diques.• Industrias cinematográficas.• Calefacción, refrigeración, ventilación, iluminación y saneamiento.• Captación y aprovechamiento de aguas públicas para abastecimientos, riegos oindustrias.• Industrias relacionadas con la defensa civil (Protección Civil) de las poblaciones.• Generación, transformación, transportes y utilización de la energía eléctrica entodas sus manifestaciones• Comunicaciones a distancia y, en general, cuanto comprende el campo de lastelecomunicaciones, incluidas las aplicaciones e industrias acústicas, ópticas yradioeléctricas.

Las industrias de equipo elabora la infraestructura y los bienes económicos necesarios comobase para el desarrollo de los distintos sectores económicos, se distinguen dos grandessectores: Las industrias de construcción y las metalúrgicas de transformación.

Las industrias de construcción: Desarrolla y realiza las infraestructuras necesarias,tanto obras civiles, como para uso particular y de servicio; comunicaciones,canalizaciones, obras civiles, edificaciones para uso oficial o particular: obrashidráulicas, centrales hidroeléctricas, carreteras y autopistas, puentes, viaductos,puertos marítimos, aeropuertos, ferrocarriles, etc.

Pero también los materiales y recursos necesarios para este fin: cementeras, canteras, etc. ylos productos obtenidos: cemento, ladrillos, vidrio, etc.

La metalurgia de transformación: Como el caso anterior desarrolla y produce bienes deeconomía básica, pero en el sector industrial metalúrgico: utillaje industrial, materialpara los transportes pesados, construcción naval y ferrocarril, vehículos de carretera,aviones y maquinaria agrícola.

Así como los materiales necesarios: acero, material eléctrico, etc.

La industria lítica o tecnología lítica es la producción de herramientas de piedra y minerales.

Un conjunto de utensilios derivados de la actividad humana, aunque existen hipótesis queotros animales también han desarrollado cierta industria lítica o al menos han utilizado outilizan, piedras como herramientas. Se utilizaban en la época anterior a los metales ycomprendían los siguientes estadios en referencia a la periodización occidental:

• El Paleolítico (1.200.000 años) con industria lítica de cantos rodados y objetosde sílex.• El Mesolítico (10.000 – 5.000), se fabrican herramientas para horadar(perforados, calados), con puntas de saeta (puntas con pedúnculo y aletas), con puntasde microlíticos geométricos (segmentos de círculo, trapecios, triángulos) y, sobre todo,la producción de láminas pequeñas que quedaban fijadas con resinas a las hocesprimitivas hechas con caña, hueso o madera.




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• El Neolítico (5.000 – 2.000) con la utilización del sílex, el oro, la plata y elcobre, que iban perfeccionando a medida que su inteligencia y destreza manualmejoraban.

Es, por tanto, la industria más antigua que se conoce. Los humanos han usado este tipo deherramientas desde hace, por lo menos 2.600.000 años. Se puede decir que es una de lasprincipales diferencias que existían entre los primeros seres humanos y sus antecesores "nohumanos"; la fabricación y utilización de herramientas, la creación de una tecnología quesuplía las deficiencias que su constitución física tenía para la adaptación al medioconstituyendo una más de las formas de sobrevivir como fueron otras como la organizaciónsocial, de la comunicación, de la bipedestación... Las herramientas líticas constituyeron unaadaptación importante en el desarrollo de nuestra especie en sus orígenes en África.

La Industria alimentaria es la parte de la Industria encargada de la elaboración,transformación, preparación, conservación y envasado de los alimentos de consumo humano yanimal. Las materias primas de esta industria se centran en los productos de origen vegetal(Agricultura), animal (Ganadería) y fungico, principalmente. El progreso de esta industria nosha afectado en la actualidad de alimentación cotidiana, aumentando el número de posiblesalimentos disponibles en la dieta. El aumento de producción ha ido unido con un esfuerzoprogresivo en la vigilancia de la higiene y de las leyes alimentarias de los países intentandoregular y unificar los procesos y los productos.

Se entiende por industria manufacturera la transformación física y química de materiales ycomponentes en productos nuevos, ya sea que el trabajo se efectúe con máquinas o a mano,en la fábrica o en el domicilio, o que los productos se vendan al por mayor o al por menor.También abarca el reciclamiento de desperdicios.

La hidrometalurgia es la rama de la metalurgia que cubre la extracción y recuperación demetales usando soluciones liquidas, acuosas y orgánicas. Se basa en la concentración desoluciones en uno a varios elementos de interés Metales, presentes como iones, que porreacciones reversibles y diferencias físicas de las soluciones son separados y aislados de formaespecifica. Como resultado se obtiene una solución rica en el ion de interés y concaracterísticas propicias para la próxima etapa productiva. En general los metales extraídospor esta técnica son proveniente de minerales anteriormente Lixiviados en medios sulfato,cloruro, amoniacal, etc. Metales como Cobre, Niquel, Vanadio y Uranio, son extraídos de estaforma. Por este último metal se dio comienzo a la Hidrometalurgia durante el auge de laindustria nuclear apoyada económicamente por la segunda guerra y posteriormente guerrafría. Los procesos hidrometalúrgicos normalmente operan a temperaturas bajas (en el rangode 25ºC a 250ºC). Las presiones de operación pueden variar de unos pocos kPa (vacío) hasta

presiones tan altas como 5000 kPa. El punto fuerte de la hidrometalurgia radica en la granvariedad de técnicas y combinaciones que pueden ser usadas para separar metales una vezque han sido disueltos a la forma de iones en solución acuosa.

La hidrometalurgia implica una separación selectiva de un mineral o grupos de minerales delresto, mediante un proceso químico acuoso. El proceso hidrometalúrgico más importante es elcolado, mediante el cual el mineral deseado se va disolviendo selectivamente.

Electrometalurgia: término que abarca todos los procesos eléctricos para trabajar losmetales, como por ejemplo: electro obtención, electro refinación, etc., donde se utiliza elprincipio de la electrólisis.




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La biolixiviación de minerales, concentrados y relaves sulfurados que contienen Au y Cuencapsulados es un concepto relativamente nuevo en comparación a los procesos de tostación,oxidación a presión y/o oxidación química, y rápidamente fue establecido como un pre-tratamiento alternativo de oxidación viable.

Pirometalurgia: rama de metalurgia en que la obtención y refinación de los metales seprocede utilizando calor, como en el caso de la fundición. Prácticamente todos los metalescomo el hierro, níquel, estaño y la mayor parte del cobre, oro y plata son obtenidos desde elmineral o su concentrado por métodos pirometalúrgicos. Es el más importante y más antiguode los métodos extractivos de metales, utilizado por el hombre.

1.6 fabricación de polímeros sintéticos.

Para la fabricación de Polímeros sintéticos en escala industrial se emplean principalmente lassiguientes reacciones:

1. Polimerización de adición, por ejemplo polietileno y cloruro de vinilo.2. Poliadición, por ejemplo poliuretanos.3. Policondensación, por ejemplo resinas fenol-formaldehído, urea-formaldehído.

Las reacciones 1 y 2 transcurren sin separación de subproductos; en 3 se forman, además otrassustancias volátiles.

Las reacciones transcurren desarrollando considerables cantidades de calor (exotérmicas); engeneral se inician por acción de catalizadores. Los procedimientos que pueden efectuarse son:

• Polimerización de adición • Polimerización en bloque

Se parte de un monómero puro no diluido, que se transforma lentamente en el polímerosólido. El proceso es difícil de conducir porque a causa de la creciente viscosidad que la masava adquiriendo durante el proceso resulta cada vez más desigual la distribución detemperaturas. Debido a que las reacciones de polimerización son exotérmicas y comoconsecuencia de la baja conductividad de los polímeros existe un riesgo desobrecalentamiento de modo que la reacción salga de control. Este procedimiento se empleapara la fabricación de polímeros puros sólidos (poliestirol, vidrios acrílicos, etc.) y cuandopueden fracasar otros métodos, por ejemplo, éteres de polivinilo.

Polimerización en solución

En esta polimerización se diluye el monómero con disolventes en los cuales también sedisuelve el polímero. Empleando un disolvente adecuado se evita loe problemas derivados dela reacción exotérmica de polimerización, aunque por otra parte crea el problema de laseparación posterior del disolvente. c) polimerización en suspensión:

Este método también disminuye el problema de la eliminación del calor durante lapolimerización. El monómero se agita vigorosamente en agua para formar gotas de pequeñotamaño. Para evitar que las gotas se unan entre sí se emplean agentes de suspensión talescomo talco, alcohol polivinílico y gelatina, con objeto de formar un recubrimiento protectorde las gotas. Se emplea un iniciador soluble en el monómero, obteniéndose el polímero en




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forma de pequeñas perlas libres de contaminación de los otros productos empleados en lapolimerización.

Polimerización en emulsión

Se emplea además de agua, que sirve de medio, un emulsionante de tipo jabonoso y unsistema iniciador soluble en agua. La reacción se realiza en un reactor en el que se agitaconvenientemente la mezcla de reacción formada por monómero, agua, iniciador, jabón yotros componentes. El monómero se encuentra disuelto dentro de las micelas del jabón yformando gotas rodeadas de moléculas de emulsionantes. Estos polímeros son de grano muyfino. Además puede controlarse bien técnicamente debido a que la dispersión del plástico semantiene escasamente viscosa. Los productos contienen residuos de emulsionante que puedenafectar las propiedades eléctricas y la transparencia.

Poliadición

En esta polimerización pueden asociarse macromoléculas mediante la acción de distintosgrupos químicos. Los productos iniciales pueden ser moléculas algo mayores obtenidas porreacciones previas. En la poliadición se tiene la posibilidad de dirigir, según los casos, laestructura délas macromoléculas y con ello las propiedades, mediante la selección de losproductos preliminares con estructuras variadas.

Policondensación

Es el procedimiento clásico para la fabricación de resinas solidificables, por ejemplo pararesinas fenólicas.

Otro procedimiento es la esterificación, por una parte, de productos preliminares, con variosgrupos alcohólicos, y por la otra, con varios grupos ácidos (resinas alquídicas, poliésteres nosaturados).En la policondensación se asocian distintas moléculas que poseen grupos reactivosen varias posiciones, realizándose el proceso con separación de agua, amoníaco u otrassustancias volátiles.

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