El Procés Químic: Operacions i Disseny de Fabricació

El Procés Químic és un conjunt d’operacions químiques o físiques ordenades de tal manera que ens permet transformar unes matèries primeres inicials en productes finals amb diferent composició, estat o característiques fisicoquímiques en general. Operacions Unitàries són cadascuna de les operacions (físiques o químiques) que formen un procés químic, i s’anomena operació unitària. L’Anàlisi de Processos Químics és la base per poder establir un procés químic. Mitjançant aquest anàlisi podem saber quines variables defineixen el procés i quines relacions existeixen entre elles. Mitjançant la Síntesi de Processos es determina quina possibilitat és, tècnica i econòmicament viable per fabricar un determinat producte.

El Disseny d'un Procés de Fabricació Química és una tasca interdisciplinària que abasta tots els camps de l'enginyeria i es pot dividir en tres etapes principals:

• Disseny conceptual
• Disseny bàsic
• Disseny detallat

El Disseny Conceptual és l'etapa en la qual es pensa la topologia del procés, és a dir, l'esquema o diagrama de flux bàsic que presenta la seqüència d'operacions necessàries per a transformar les matèries primeres en els productes desitjats.

El Disseny Bàsic és la concreció del disseny conceptual en quant a la determinació dels balanços de matèria i energia i la definició de les variables d'operació i els paràmetres de construcció dels equips.

Rutes de Reacció
Per establir la ruta de reacció adequada s’han de tenir en compte els següents factors:

• Disponibilitat i elecció de les matèries primeres
• Rendiment de la reacció
• Condicions de treball
• Serveis necessaris
• Viabilitat tècnica

R = valor del producte – cost de matèries primeres. Si el valor del producte és més petit que el cost de matèries primeres, es descarta aquesta possibilitat.

Seqüència de Separació: Existeixen unes normes per determinar l’ordre en què s’han de separar els components d’una barreja:

• Primer es separen els més abundants per utilitzar cada vegada equips de menors dimensions.
• Segon, es separa el més aviat possible tot producte de la barreja que sigui perillós.
• Tercer, les separacions més complicades es deixen pel final del procés perquè s’ha de fer servir tecnologia complexa i segurament condicions de treball dràstiques.
• Quart, evitar en la mesura de les possibilitats fer separacions utilitzant dissolvents perquè s’afegeix un nou component a la barreja que s’haurà de separar més tard.
• Cinquè, si s’han de modificar, es triaran condicions de treball més elevades que les ambientals i no condicions més baixes perquè econòmicament és positiu.

Processos Discontinus: al començament es fa la barreja de totes les substàncies que intervenen en la reacció dintre del reactor. La barreja resta dintre del reactor un temps determinat i controlat per un operari. La quantitat de cada substància dintre del reactor varia amb el temps; tal com avança la reacció, els reactius disminueixen i augmenten els productes. Per aquests tipus de procés es pot fer servir el tipus de reactor: RDTA.

Inconvenients:

• Es perd temps omplint i buidant, escalfant i refredant el reactor.
• Es produeix un augment en el cost energètic perquè cada vegada s’escalfa i es refreda el tanc.
• Es necessita més personal per control.

Processos Contínus: En el funcionament en continu, entra i surt un flux de matèria de forma continuada durant tot el període d’operació. Els reactius s’introdueixen contínuament en l’espai de reacció amb la resta de components. La barreja resultant que conté els productes també surt de forma contínua. En aquest cas es poden fer servir dos tipus de reactors: RCTA i RCFP.

Avantatges:

• Altament mecanitzat i automatitzat.
• Necessitat de menys personal.
• Major seguretat de funcionament.
• Condicions de treball més higièniques.
• Instal·lacions hermètiques.

Inconvenients:

• Cost de la inversió elevat.
• Han de funcionar al màxim de la seva capacitat per evitar pèrdues econòmiques.

Processos Semicontinues: Un sistema a mig camí entre els dos anteriors és el funcionament en semicontinu, consistent a introduir un reactiu de forma discontínua (tot d’una vegada), i afegir el segon reactiu de forma contínua durant el període de reacció. En aquest cas, la massa total de la barreja de reacció no es manté constant.

Els processos químics també es poden classificar pel règim d’operació:
Règim Permanent o Estat Estacionari: Es dona quan els valors de totes les variables del procés (pressió, temperatura, velocitat de flux, etc.) no varien amb el temps, només hi ha petites fluctuacions al voltant del valor mitjà.
Règim No Permanent o Estat No Estacionari: Succeeix quan qualsevol de les variables del procés canvia amb el temps. Els processos continus poden ser en estat estacionari o no estacionari. Els processos discontinus són sempre en estat no estacionari ja que la quantitat de reactius i productes va variant dintre del reactor.