Focus on physical properties to improve processes

 Articulo de Girish Malhotra, PE

La música se crea con diversas bases como lo son las escalas musicales, diferencias secuencias de notas y diferentes combinaciones y también creatividad. A esto se le llama propiedades físicas de la música

Así como los compositores utilizan notas para crear música, los diseñadores de procesos químicos usan principios científicos y de ingeniería para procesos de montaje

Algunas propiedades para crear procesos es tener en cuenta algunas propiedades físicas de los materiales como lo es:

• El estado físico del material a temperatura ambiente

• Solubilidad

• Densidad

• Viscosidad 

• Calor específico

• Calor de formación

• Comportamiento Azeotrópico 

Estado Físico

El estado físico de una sustancia química a temperatura ambiente, su punto de fusión, ebullición o congelación, junto con la solubilidad, les dice mucho a los desarrolladores de procesos sobre cómo se puede manejar el producto durante el desarrollo del proceso y en una operación comercial. Es aconsejable manejar cada producto químico con respeto, incluso si la literatura del producto sugiere baja o nula toxicidad. Las cantidades de productos químicos que se utilizan en el laboratorio son pequeñas, por lo que su manejo seguro suele ser más sencillo

Otra forma de manejar los materiales sólidos puede ser disolviéndolos o mezclándolos con un solvente apropiado, preferiblemente el que se usa en el proceso.

Solubilidad

La solubilidad es una propiedad importante y valiosa. La solubilidad mutua o la ausencia de esta puede ser muy formulaciones y procesos químicos reactivos. Si los productos y reactivos se disuelven en el mismo solvente, la velocidad de reacción puede mejorar a través de una mejor transferencia de la masa. Las características de solubilidad de los productos químicos también son críticas para la cristalización, purificación y separación de productos

Densidad

Esta se define como la masa por unidad de volumen. En un sistema mezclado, es posible que no exista valor de densidad, pero es una propiedad importante para la separación de dos líquidos inmiscibles

 

Viscosidad

La viscosidad no es una propiedad muy importante por sí misma, pero se debe tener en cuenta especialmente cuando los productos químicos en las mezclas de proceso están en forma líquida. La viscosidad es importante al alimentar, mezclar y bombear líquidos. Lo más pertinente es reducir la viscosidad al máximo para facilitar la adición, el bombeo y la mezcla 

Calor específico

El calor específico de una sustancia es una de las propiedades más importantes ya que en las reacciones químicas es importante controlar el calor de reacción y el calor específico determina cuando calor deberá eliminarse

Calor de formación

En la mayoría de las reacciones los procesos son exotérmicos lo que puede modificar significativamente la velocidad de reacción, así como el tamaño adecuado del equipo. El mal manejo del calor puede provocar rápidamente explosiones u otras situaciones peligrosas

Comportamiento azeotrópico

Este comportamiento puede ser utilizado de manera creativa con tal de manipular los procesos de una reacción donde la mezcla líquida tiene un azeótropo y los químicos son inmiscibles

Uso de materias primas fundidas

Un material A es sólido a temperatura ambiente, su punto de fusión  es de unos 65°C, este va a reaccionar con un reactivo B. La reacción se lleva a cabo a unos 75°C. El producto resultante C es un Líquido a temperatura ambiente. Tradicionalmente A se disolvería en un solvente y se agregaría al reactor. El catalizador se agregaría usando métodos apropiados. La concentración de “A” en el solvente es de alrededor del 25% para tener una solución soluble.

dado que el punto de fusión de la materia prima "A" es bajo y para lograr una velocidad de reacción razonable se requiere que la masa de reacción se caliente a una temperatura superior al punto de fusión de "A", puede ser eficiente y productivo alimentar la materia prima "A" como una masa fundida

Para ser viable, el método alternativo tiene algunas advertencias incorporadas, que incluyen que la materia prima "A" debe estar disponible en forma fundida y el volumen de producción debe ser lo suficientemente grande como para garantizar la inversión en el manejo del material fundido.

Existen casos en los cuales se pueden usar materias primas fundidas con un control estequiométrico estricto y cada situación debe evaluarse. El producto resultante puede purificarse con diversas op. unitarias para producir productos de calidad deseada

Relación entre las propiedades

El uso de propiedades físicas para crear grandes procesos químicos depende de sus relaciones mutuas y de los matices del proceso de fabricación. Las reacciones químicas producen nuevas moléculas y cuando estas se mezclan forman productos formulados. Algunas propiedades físicas son comunes a las reacciones químicas y los productos formulados, mientras que otras no lo son. La forma en la que se utilicen las propiedades físicas dependen de como es nuestra percepción de su valor y su relación con otras propiedades

Aprovechar la exotérmia

La exotermia se controla ya sea reduciendo la temperatura de reacción con hielo o agua fría, o reduciendo la tasa de adición de materia prima. Cuando tales procesos se amplían, se continúa con la misma práctica. Estos métodos funcionan, pero prolongan el tiempo de reacción y reducen la productividad del proceso. El aumento de la temperatura de reacción acelera la velocidad de reacción y puede mejorar el rendimiento. Controlar las exotermias de manera efectiva, y tan pronto como ocurran, el uso de intercambiadores de calor no solo puede mejorar el rendimiento del proceso, sino que también hace que el proceso sea más seguro y evita la formación de cuerpos de color que pueden ocurrir debido a la generación de calor localizada

Creación de procesos excelentes

Las propiedades químicas deben integrarse con las operaciones unitarias correctas y el control de estequiometría adecuado para producir un producto de calidad. Dichos procesos serán más robustos, económicos y requerirán pruebas mínimas de los intermedios durante el proceso. Los productos tendrán una calidad constante y repetible y, por lo tanto, un costo más bajo. La comprensión incompleta y la mala manipulación de las propiedades físicas de los productos químicos en un proceso y sus interacciones pueden generar problemas de calidad. Sería como componer una pieza musical donde las notas están mal colocadas y requieren una afinación fina cada vez que se interpreta la composición. Trabajar con personas creativas que son "maestros en la manipulación" de las propiedades químicas es de gran ayuda.