Recursos Naturales y Procesos Químicos: Optimización y Sostenibilidad

Recursos Naturales

Tipos de Recursos

Naturales: Agua, Aire, Minerales o rocas, Petróleo, gas natural, Madera, productos agrícolas.

Manufacturados: Ácidos, Bases.

Condiciones de los Recursos

Deben ser duraderos, accesibles y abundantes.

Clasificación de Recursos

Según la durabilidad de la materia prima:

Inagotables:

• Aire: Separación de componentes por destilación, combinación de componentes (nitratos), descargas eléctricas (ozono).
• Agua: Desalinización (agua potable), recuperación (sales minerales).

Agotables no renovables:

• Petróleo: Construido por fracciones: ligeras (gasolinas o naftas), medias (queroseno o gasoil), pesadas (asfaltos o fueloil).
• Gas natural: Mezcla de hidrocarburos gaseosos (gas de síntesis).
• Minerales.

Renovables: Origen vegetal o animal.

Minerales Importantes

Bauxita, corindón: Aluminio.

Pirita, magnetita, hematites: Hierro.

Silicato de sodio y aluminio: Albita.

Carbón

Origen: Orgánico, descomposición lenta de materia vegetal sepultada a altas presiones y temperaturas.

Tipos:

• Turba (poca energía).
• Lignito (elevado porcentaje de volátiles).
• Hulla (para hacer coque).
• Antracita (más ligero, alto contenido en carbón).

Aplicaciones: Obtención de monóxido de carbono, de gas de síntesis o de gas pobre.

Fuentes de Energía

No Renovables

Combustibles fósiles: Carbón, petróleo, gas natural. De elevado poder calorífico, por combustión liberan gran cantidad de energía. El carbón genera gran cantidad de residuos sólidos, son altamente contaminantes.

Renovables

Energías alternativas: Fuentes de energía limpia, la mayoría derivan directa o indirectamente de la energía solar (eólica, solar, del mar, biomasa, pilas de combustible). O energía eléctrica, que procede de centrales hidroeléctricas o térmicas (combustión del carbón).

Problemas Ambientales Relevantes

Efecto invernadero, lluvia ácida, deterioro de la capa de ozono, contaminación atmosférica, de aguas y de suelos. Esto conlleva al cambio climático.

Depuración de Efluentes Gaseosos

Dos grupos: transformación de los contaminantes en una forma química más inocua o separación de los contaminantes de la corriente de gases.

Compostaje

Proceso natural que consigue reducir el volumen, el peso y la reactividad de un residuo biodegradable, quedando finalmente la fracción orgánica más estable e higienizada: el compost.

Materias compostables: Fracción orgánica de RSU, restos de podas y siegas, lodos de depuración, residuos ganaderos y agrícolas, residuos agroindustriales, residuos forestales.

Balance de Materias (Tema 13)

Se pueden plantear a dos niveles:

Macroscópicos: Nos permiten determinar valores medidos de velocidad, temperatura o concentración (ecuaciones no diferenciales).

Microscópicos: Nos permiten calcular valores puntuales de velocidad, temperatura o concentración (ecuaciones diferenciales).

Esquema: (cantidad de propiedad que entra por unidad de tiempo) - (cantidad de propiedad que sale por unidad de tiempo) + (cantidad de propiedad que se genera por unidad de tiempo) = (cantidad de propiedad que se acumula por unidad de tiempo).

Consideraciones:

• Entrada = 0 = Salida (discontinuo).
• Acumulación = 0 (Régimen estacionario) <> 0 (Régimen no estacionario).
• Generación = 0 (no hay reacción química en el sistema) <> 0 (hay reacción química).

Proceso Químico (Tema 12)

Concentración de propiedad: Función de densidad, concentración, temperatura y velocidad.

Régimen de Funcionamiento

En la unidad de operación pueden producirse cambios de concentración/densidad/temperatura o velocidad con el tiempo.

Régimen estacionario: La concentración de propiedad no varía con el tiempo.

Régimen no estacionario: La concentración de propiedad varía con el tiempo.

Modos de Operación

Régimen continuo: La alimentación de la unidad de operación y la retirada de productos se realizan sin interrupciones; en una unidad de operación que opera en régimen continuo siempre hay corrientes de entrada y de salida.

Ventajas: Economía de escala, fácil recuperación, reducción de mano de obra, eliminación de tiempo de carga y descarga, mayor uniformidad de productos y producción por unidad.

Tipos de Flujo y Modelos de Contacto

• Operación continua. Flujo paralelo. Contacto interrumpido o diferencial.
• Operación continua. Flujo contracorriente. Contacto interrumpido o diferencial.
• Operación continua. Flujo cruzado. Contacto interrumpido o diferencial.
• Operación continua. Flujo contracorriente. Contacto intermitente.

Operaciones en Procesos Químicos

Operaciones de Acondicionamiento/Transporte

Bombeo, trituración, tamizado (separación por tamaño de las partículas de una mezcla sólida), intercambio de calor, compresión.

Reacción Química

Electroquímicos, de combustión, depolimerización, de precipitación.

Operaciones de Separación

Destilación, absorción, evaporación, extracción, adsorción.

Operaciones Básicas

Transferencia de Materia

• Absorción: Separar componentes de una mezcla gaseosa mediante un líquido que los disuelve.
• Adsorción: Separar componentes de una mezcla líquida o gas mediante un sólido que los retiene.
• Osmosis inversa: Separar o concentrar electrolitos por aumento de la presión del lado de mayor concentración.
• Destilación/Rectificación: Separar una mezcla líquida por vaporización parcial de la misma y condensación del vapor generado.
• Extracción líquido-líquido: El componente a extraer se encuentra en un líquido, ejemplo etanol acuoso al que se le añade acetona para separar etanol y agua.
• Extracción sólido-líquido: El componente a extraer se encuentra en un sólido.
• Intercambio iónico: Reacciones químicas entre los iones de una disolución y aquellos que se encuentran en una fase sólida (resina), insoluble en la disolución y que está en contacto con ella.

Controladas por el Transporte de Cantidad de Movimiento

• Agitación y mezcla, bombeo, filtración, flotación (3 fases: sólido-líquido-gas, eliminar metales de una corriente acuosa), sedimentación (el sólido se deposita en el fondo del líquido).

Transferencia de Materia y de Calor

• Liofilización: Deshidratar una substancia por sublimación al vacío.
• Humidificación: Poner en contacto un líquido puro y un gas, insoluble en el líquido.

Segundo Criterio

• Monofásicas: Agitación, molienda, tamizado, bombeo.
• Bifásicas: Absorción, adsorción, evaporación (controlada por transferencia de calor, concentrar una disolución que consta de un soluto no volátil y un disolvente volátil, por evaporación por parte del disolvente), filtración, flotación, sedimentación, extracción líquido-líquido, sólido-líquido.
• Trifásicas.