332569 procesos quimicos_2010

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332569 procesos quimicos_2010

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADEscuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e IngenieriasContenido didáctico del curso Procesos Químicos UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIAS E INGENIERIAS 332569 – PROCESOS QUIMICOS ING. WILLIAM EDUARDO MOSQUERA LAVERDE (Director Nacional) ING.DENISSE VELANDIA Acreditador BOGOTA D.C. Julio de 2010 1
  2. 2. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos INDICE DE CONTENIDOINTRODUCCIONUNIDAD 1. CONCEPTOS BASICOS Y OPERACIONES CON FLUIDOSCapitulo 1. GENERALIDADESLección 1. Definición de proceso químicoLección 2. Diseño de un producto químicoLección 3. Como determinar cuánto se debe producir.Lección 4. Clasificación de las operaciones unitariasLección 5. Procesos fundamentales de transporteCapitulo 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALESLección 6. El sistema de unidadesLección 7. Leyes de los gases y presión de vaporLección 8. Conservación de la masa y balances de materiaLección 9. Conservación de energía y balances de calorLección 10. Fundamentos de costos de producciónCapitulo 3. OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOSLección 11. Características de los fluidosLección 12. Propiedades de los fluidosLección 13. Ecuación de continuidadLección 14. Ecuación de Bernoulli.Lección 15. Aplicación en procesos industriales para fluidos.Autoevaluación de la unidad 1.UNIDAD 2 OPERACIONES CON SOLIDOS Y FENOMENOS DETRANSFERENCIACAPITULO 4. OPERACIONES UNITARIAS CON SOLIDOSLección 16. Reducción de tamaño.Lección 17. La operación de cribadoLección 18. Separaciones mecánicasLección 19. Diseño de equipos para operación y medición de sólidos.Lección 20. Aplicación de las operaciones con sólidos en procesos industrialesCAPITULO 5. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.Lección 21. Mecanismos de transferencia de calor.Lección 22. Procesos térmicos.Lección 23. Diseño de equipos y medición de transferencia de calor 2
  3. 3. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosLección 24. Aplicación de las operaciones de transferencia de calor procesosindustriales.CAPITULO 6. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA.Lección 25. DifusiónLección 26. Operaciones de transferencia de masa.Lección 27. Diseño de equipos y medición de transferencia de masaLección 28. Aplicación de las operaciones de transferencia de masa en procesosindustriales.CAPITULO 7. ANALISIS FINANCIERO EN UN PROCESO QUIMICOLección 29. Estados financieros y Análisis financiero básico en procesoproductivo.CAPITULO 8. PETROQUÍMICALección 30. El petróleo y sus derivados.Autoevaluación de la unidad 2. 3
  4. 4. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADEscuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e IngenieriasContenido didáctico del curso Procesos Químicos LISTADO DE TABLAS 4
  5. 5. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADEscuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e IngenieriasContenido didáctico del curso Procesos Químicos LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS 5
  6. 6. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico: Procesos químicos fuediseñado inicialmente en el año 2006 por el Ing. Germán Augusto Castro, docentetemporal de la UNAD, ubicado en el Sede nacional Mutis. Es Ingeniero Químico.Las actualizaciones las ha desarrollado el I.Q. William Eduardo Mosquera LaverdeIngeniero químico de la Universidad Nacional de Colombia del año 1993,Especialista en Educación superior a distancia de la UNAD en el año 2009 ymaestrante en gestión y auditorias en tecnología e ingeniera ambiental de laUniversidad de León- España. Se ha desempeñado como tutor de la UNAD desdeel 2005 hasta la fecha. El contenido didáctico ha tenido dos actualizaciones: las dos desarrolladaspor el Ing. Mosquera en los años 2008 y 2010 quien se desempeña actualmentecomo director del curso a nivel nacional. La version del contenido didáctico que actualmente se presenta tiene comocaracterísticas: 1) Incorpora nuevos contenidos relacionados con la Unidad 1,pues en la versión anterior solo enfatizaba en los procesos unitarios y ahora seenfatiza en el diseño del producto y los costos de producción. 2) Profundiza en launidad 2 en los procesos petroquímicos y los análisis financieros básicos paradeterminar la viabilidad del producto químico. La Ing. Denise Velandia, tutora del CEAD JAG, apoyó el proceso derevisión de estilo del contenido didáctico e hizo aportes disciplinares, didácticos ypedagógicos en el proceso de acreditación del material didáctico desarrollado enel mes de Junio de 2010. 6
  7. 7. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos INTRODUCCIÓNEl modulo de procesos químicos esta desarrollado con el fin que el estudiante detecnología e ingeniería ambiental adquiera las habilidades necesarias para poderidentificar las diferentes operaciones unitarias y los equipos necesarios para unproceso productivo en una empresa industrial, además se pretende en la primeraunidad dar las herramientas para conceptualizar un proceso químico, lasdefiniciones básicas con todos los elementos para obtener las cantidadesnecesarias en materiales y requerimientos energéticos con los cálculos de losbalances de calor y energía, igualmente que lograr conocer los costos necesariospara el montaje de un proceso productivo, adicionalmente de mirar lasoperaciones unitarias con fluidos y sus características.En la segunda unidad se estudiaran cuatro temáticas esenciales en los procesosquímicos que se pueden ver en la ingeniería industrial como son las operacionescon sólidos y sus equipos, especificación de los fenómenos de transferencia decalor y masa, los fenómenos de la petroquímica tan necesaria en nuestra vidacotidiana actual y por último el análisis financiero básico para lograr determinar laviabilidad de un proceso productivo.Todo lo anterior para acercarnos a los curso de diseño y aplicar los cursos deprocesos, mediciones, dibujo técnico, componente financiero, etc. Con el fin delograr la integralidad de los cursos del programa. 7
  8. 8. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos UNIDAD 1Nombre de la Unidad Conceptos Básicos y Operaciones con FluidosIntroducciónJustificaciónIntencionalidades Formativas Los propósitos, los objetivos, las metas a lograr y las competencias de aprendizajeDenominación de capítulo 1 Generalidades – Operaciones UnitariasDenominación de Lección 1 Clasificación de las operaciones unitariasDenominación de Lección 2Denominación de Lección 3Denominación de Lección 4Denominación de Lección 5Denominación de capítulo 2Denominación de Lección 6Denominación de Lección 7Denominación de Lección 8Denominación de Lección 9Denominación de Lección 10Denominación de capítulo 3Denominación de Lección 11Denominación de Lección 12Denominación de Lección 13Denominación de Lección 14Denominación de Lección 15 8
  9. 9. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos UNIDAD 2Nombre de la UnidadIntroducciónJustificaciónIntencionalidades FormativasDenominación de capítulo 4Denominación de Lección 16Denominación de Lección 17Denominación de Lección 18Denominación de Lección 19Denominación de Lección 20Denominación de capítulo 5Denominación de Lección 21Denominación de Lección 22Denominación de Lección 23Denominación de Lección 24Denominación de Lección 25Denominación de capítulo 6Denominación de Lección 26Denominación de Lección 27Denominación de Lección 28Denominación de Lección 29Denominación de Lección 30 9
  10. 10. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosUNIDAD 1. Conceptos Básicos y Operaciones con fluidosFuente:http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0378-18442005001100006&script=sci_arttextINTRODUCCIÓN:Esta unidad desarrollará, las bases necesarias y recopilación de información parallevar a cabo el curso de procesos químicos, en la unidad se recordará las basesde química general en el manejo de estequiometria y gases ideales.En el siguiente capítulo empezará el estudiante a desarrollar el manejo deoperaciones unitarias para los fluidos, además de los tipos de equipos necesarios.Por último se observará fundamentos de costos de producción y se estudiaranalgunas industrias que tiene manejo de fluidos.OBJETIVO GENERAL:Dar a conocer a los estudiantes una vista general de los procesos químicos quemanejen fluidos, sus características y los conceptos básicos que permitan manejarel vocabulario necesario en el curso.OBJETIVOS ESPECIFICOS:- Conocer los conceptos básicos para las operaciones necesarias en los procesosquímicos.- Desarrollar los manejos teóricos para los requerimientos de materiales en unproceso químico.- Diferenciar entre los diferentes diagramas de bloques, operaciones y de flujousados en procesos.- Conocer las diferentes operaciones unitarias con fluidos en la industria. 10
  11. 11. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos- Observar algunos procesos químicos donde se operen fluidos.- Recordar los fundamentos de costos de producción para el diseño de un procesoquímico en la industria en general.COMPETENCIAS:El estudiante después de estudiar la unidad deberá ser competente en losbalances de materia necesarios para la elaboración de un producto. También enlas condiciones de operación para el manejo de gases.Diferenciar entre las diferentes clases de fluidos, las condiciones de trabajo yrequerimientos de manejo de los mismos y equipos para su operación. Determinarlos costos primos necesarios para el diseño y viabilidad de un proceso químico. CAPITULO 1: GENERALIDADESFuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090002/docs_curso/pages/cap1/c1_4.htmEn este capítulo el estudiante desarrollará los temas concernientes a conocer unproceso químico, una operación unitaria y el diseño básico de una operaciónaplicando lo aprendido en química general, física general, parte del componentefinanciero como son los costos y profundizar en los balances de materia en lassiguientes temáticas a desarrollar así:- Definición de producto.- Clasificación de las operaciones unitarias.- Procesos fundamentales de transporte. 11
  12. 12. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos- Diseño básico de un proceso productivo.Lección 1. Definición de proceso químicoPara llegar a definición de proceso primero debemos entender que en nuestroentorno existe un flujo constante de materia y/o energía. La relación existenteentre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo demateria y energía entre ambos. Estas relaciones se pueden evidenciar observandola relación existente entre esquemas que tienen la intervención del hombre yaquellas que se dan por si solas para obtener un producto que beneficie a todos,como se observa en la Figura 1.1. Figura 1. Relación de procesos naturales y artificiales. Fuente: http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00111.htmSe distinguen dos tipos de procesos:- procesos NATURALES: Aquellos que no tienen la intervención del hombre, comopueden ser la función clorofílica, la acción de plantas y animales o la producciónorgánica de alimentos por agricultura.- procesos ARTIFICIALES: Aquellos que tiene influencia del hombre y que dancomo resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza.Estos últimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominadosPROCESOS QUÍMICOS.Por lo anterior se puede decir que para llegar a estos tipos de procesos, antes sedebe tener muy en cuenta los tipos de productos químicos que existen en laindustria como son aquellos que tienen un proceso sencillo, mientras otrosnecesitan variedad de etapas para que el producto final tenga una aplicaciónindustrial y comercial; Entonces se definen las actividades básicas de la industriaquímica como primero la Extracción de materias primas o productos básicos, 12
  13. 13. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicossegundo la preparación de intermedios y tercero y último los productos terminadoso finales.Los productos químicos básicos: son aquellos que se emplean para lamanufactura de otros productos más complejos y como reactivos de otrosprocesos de fabricación; estos son obtenidos a partir de materiales naturales, engrandes cantidades por lo tanto a un costo bajo. Algunos ejemplos de estos sonlos ácidos, las sales, los alcoholes, solventes, etc.Los productos químicos intermedios: son productos básicos antes de pasar a serproductos finales que deben tener transformaciones previas, estos no son deutilidad directa a un consumidor final, por lo general, son para la misma planta deproceso y son usados en la fabricación de varios productos finales. Algunosejemplos de estos son los fenoles que sirven para alguna variedad de solventesespecializados, el cloruro de vinilo que sirve para la fabricación de pinturas o fibrasplásticas.Los productos químicos finales: son aquellos que tienen las característicasespecíficas tanto físicas, como químicas solicitadas por los clientes oconsumidores, se procesan en menor cantidad que los dos anteriores y a un costomayor. Algunos ejemplos de estos son: Los aromas, las pinturas, los colorantes,etc.Según lo anterior el concepto general de proceso se refiere a una transformaciónde una o más etapas una material en otro con una o más salidas. PROCESO SALIDAS ENTRADAS Figura 2. Proceso químico básicoLas entradas es lo que generalmente se denominan las materias primas que seencuentran en la naturaleza o vienen de un proceso anterior; Estos materialesdependiendo de su disponibilidad (escasos o abundantes) determinan el costo delos mismos. Entre algunos ejemplos tenemos el aire, el agua dulce y salada, losminerales, la vegetación, el petróleo, el gas, etc.Durante el proceso es donde se logra la transformación o cambio de estasentradas, estos cambios pueden ser de tipo físico, químico o ambos, es aquídonde se presentan las operaciones unitarias, definiendo los tipos de equipos aemplear, los controles a determinar y las velocidades de transformación. 13
  14. 14. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosLas salidas es donde se tiene el producto terminado o intermedio según donde seencuentre el proceso en la gran unidad productiva, es donde se miden lascalidades de lo obtenido y en donde a los materiales se les acumula el costo detransformación como es la mano de obra y los indirectos de fabricación como sonlos consumos energéticos, degaste de equipos, etc. El concepto de proceso es aplicable a todo tipo de labor o desarrollo, por ejemplolos procesos administrativos como expedir un pase de conducción que requierencomo entrada una serie de documentos y dentro del desarrollo general se incluyenetapas o tramites que finalmente conducen a obtener como salida o producto finalel pase; otro ejemplo es la digestión que tiene como entrada los alimentos, comoetapas intermedias están la masticación , el transporte por el tracto digestivo, ladescomposición y asimilación los alimentos, para finalmente obtener como salidasla energía, las excreciones y las secreciones.Como se puede ver el concepto de proceso es ya conocido y manejado tal vezhasta ahora con otros enfoques, en el caso particular que nos corresponde losprocesos químicos se pueden definir como el conjunto de operaciones químicasy/o físicas ordenadas a la transformación de unas materias iniciales (alimentacióno materias primas) en productos finales diferentes llamados también materiales desalida o productos, subproductos y coproductos. Un producto es diferente de otrocuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiadosus condiciones.La figura 2. Representa a grandes rasgos los componentes elementales de unproceso químico, pero estos tienen otras derivaciones como se puede apreciar acontinuación. Figura 3. Proceso químico general. Fuente: www.uc3m.es 14
  15. 15. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosComo se puede ver en la figura 3. Los tres pasos básicos se expandendependiendo de la complejidad del proceso y el producto a fabricar, esta seobserva que las entradas al proceso además de la materia prima se necesitaenergía, y en las salidas se tienen no solo los productos, subproductos ocoproductos, se debe disponer de los desechos, los cuales se deben determinar yevaluar su esquema de vertido. Y en el interior del proceso se involucran todos losnecesarios para el cambio del material al producto deseado.Lección 2. Diseño de un producto químicoPara la elaboración de un producto o proceso químico es necesario conocer lasetapas que este debe cumplir antes de iniciar la producción y evitar pérdidas ofracaso en el proyecto. Figura 4. Etapas de diseño de un producto químico. Fuente: www.uc3m.esIDEA DE PRODUCTO: En esta fase se concibe la idea de acuerdo a lasnecesidades analizadas previamente debido a que todo proceso químico industrialsurge por la necesidad de satisfacer una demanda existente, bien de un producto,de un servicio o de una tecnología. El interés social y/o la rentabilidad económicade satisfacer dicha demanda lleva a examinar los parámetros del proceso tanto aescala de laboratorio como industrial, es necesario conocer los parámetroscinéticos (k, orden de reacción,…), termodinámicos (ΔH, ΔG, Keq,…) y deequipos para el mismo. Sin embargo los procesos industriales involucran otrosestudios complementarios como la preparación de las materias primas yacondicionamiento de los productos obtenidos (pureza, tamaño de partícula, 15
  16. 16. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosestado de agregación,…), además del estudio de viabilidad económica de todo elproceso.Como se puede observar una reacción química a escala industrial tiene unoscondicionantes económicos importantes que la diferencian de la que se puederealizar a escala laboratorio. Por lo cual en toda reacción química podemos deciren general que los reactivos se transforman en productos, en un proceso industrialtiene que darse que LOS REACTIVOS SE TRANSFORMAN EN PRODUCTOS YBENEFICIO ECONÓMICO, en caso de que no exista beneficio económico elproceso INDUSTRIAL no se realiza. Figura 5. Factores de influyen en un proceso. Fuente: www.uc3m.esSegún lo mencionado anteriormente para el desarrollo de un proceso químico aescala industrial habrá que tener en cuenta los factores físico-químicos,económicos, medioambientales y sociales del mismo.Los factores físico-químicos se concretan en la aplicación de las ciencias básicasal diseño de las etapas físicas y químicas necesarias en el proceso productivo.Desde las materias primas hasta la obtención del producto, existen una serie deetapas, que son englobadas y estudiadas bajo la denominación de operacionesbásicas o unitarias. En aquellas etapas donde se realizan reacciones químicasserá necesario el estudio cinético de las mismas. Este estudio está encuadradoen la disciplina denominada Ingeniería de la reacción química.El principio fundamental en un sistema de economía de mercado es el factor derentabilidad económica, de forma que la rentabilidad de un proyecto nos indicarála viabilidad del mismo. En el caso de la economía dirigida, por contra, seránfactores como el desarrollo regional o la necesidad de ocupar mano de obra, por 16
  17. 17. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosencima de la obtención de un mínimo costo o de plusvalías, los que motivarán eldesarrollo de un proyecto.El factor medioambiental interviene en cuanto al cumplimiento de las normativasexistentes, así como en el aumento de la conciencia de respeto medioambientaldel consumidor. Estos dos aspectos cada vez influirán más en la selección delpropio proceso productivo y afectarán al costo del mismo.Finalmente existen una serie de factores sociales también importantes a la hora dediseñar una estrategia de producción como son: el empleo de mano de obra deuna serie de grupos sociales concretos, por criterios de edad, étnicos o religiosos,origen regional de las materias primas, desarrollo de nuevas modas de consumo,creación de empleo indirecto, sectores productivos a desarrollar, etc.Resumiendo, el desarrollo de cualquier proceso químico implica: Figura 6. Requerimientos de un proceso químico. Fuente: www.uc3m.esQue en todo proceso químico las ciencias básicas (química, física, biología,matemáticas, etc.) nos permiten conocer los parámetros termodinámicos, cinéticosy de movimiento que gobiernan el mismo, de manera que se puedan paramétrizary generar expresiones algebraicas para su cálculo. Este conocimiento nos permiteevaluar los fenómenos de transferencia de materia, calor y cantidad demovimiento que van a gobernar el proceso.Necesitamos utilizar otras disciplinas como la economía, diseño y control deprocesos para que el proceso propuesto sea no solo técnicamente viable, sinotambién económicamente. Además hay que tener permanentemente presente lostemas de seguridad de operarios, usuarios y población en general, tanto durante laconstrucción de la instalación como durante la explotación de la misma, transporte 17
  18. 18. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosy almacenamiento de materias primas y productos elaborados o semielaborados ypor supuesto durante el uso final de los mismos y en caso de accidente ocatástrofe.Hay que tener presente el medio ambiente durante todas las etapas del proceso,de manera que la huella medioambiental del proceso productivo sea la menorposible. Este planteamiento incidirá tanto en la sostenibilidad medio ambiental,como en la económica y social del proceso.MERCADO. Es esencial en cada proceso químico y su proyección industrial, porlo tanto se estudiará en la lección 3.DESARROLLO EXPERIMENTAL Y PLANTA PILOTO. Esta etapa es la descritaen el grueso del curso con las operaciones unitarias necesarias y sus equipos.ESCALA INDUSTRIAL. Es la etapa más importante porque se desarrolla elanálisis financiero para determinar la viabilidad o no de la producción.Lección 3. Como determinar cuánto se debe producir. Fuente: http://www.emprendedoresunam.com.mx/articulos.php?id_art=264Para resolver el titulo anterior se debe acudir a un instrumento básico para todoproductor o persona que se piense dedica a la producción y comercialización decualquier producto como es la investigación de mercados que se utiliza paraconocer:La oferta (cuáles son las empresas o negocios similares y qué beneficios ofrecen)y para conocer la demanda (quiénes son y qué quieren los consumidores). Pararesolver las siguientes inquietudes: cuáles son las necesidades insatisfechas delmercado, cuál es el mercado potencial, qué buscan los consumidores, qué preciosestán dispuestos a pagar, cuántos son los clientes que efectivamente comprarán,por qué comprarán, qué otros productos o servicios similares compranactualmente. Por lo cual debe buscarse información sobre la demanda queresponda estas preguntas, sustentando la propuesta de diseño de un producto oproceso químico. Fuentes como revistas y diarios especializados, cámarasempresariales, internet, consultores o personas que ya están en el mercadopueden aportar información valiosa. 18
  19. 19. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosLo anterior se puede conseguir un instrumento tipo encuesta, la que se aplicaráespecialmente en el área de influencia de las personas involucradas en elproyecto de producción de un producto químico, para tener definido el universo acubrir, cuanto es el mercado potencial y cuál es el objetivo de penetración inicial.Adicionalmente el análisis Swot (Strengths, Weakneses, Oportunities, Threatens)o Foda (Fortalezas, Oportunidades, Debilidades y Amenazas) es una herramientaestratégica que se utiliza para conocer la situación presente del producto. Es unaestructura conceptual que identifica las amenazas y oportunidades que surgen delambiente, así como las fortalezas y debilidades internas del proyecto.El propósito fundamental de este análisis es potenciar las fortalezas del proyectopara: Aprovechar oportunidades. Contrarrestar amenazas. Corregir debilidades.Las amenazas y oportunidades se identifican en el exterior de la futura empresa,en su contexto. Esto implica analizar: Los principales competidores y la posición competitiva que ocupa la empresa entre ellos. Las tendencias del mercado. El impacto de la globalización, los competidores internacionales que ingresan al mercado local y las importaciones y exportaciones. Los factores macroeconómicos sociales, gubernamentales, legales y tecnológicos que afectan al sector.Las fortalezas y debilidades se identifican en la estructura interna del proyecto.Deben evaluarse: Calidad y cantidad de los recursos con que cuenta la empresa. Eficiencia e innovación en las acciones y los procedimientos. Capacidad de satisfacer al cliente.Preguntas guía. ¿Qué se conoce sobre la demanda? ¿Quiénes son los consumidores? ¿Qué buscan? ¿Cómo se van a satisfacer sus necesidades? ¿Cuántos son los consumidores potenciales? ¿Y cuántos los que realmente comprarán? 19
  20. 20. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosSi bien un producto químico es el resultado de una infinidad de variables, siemprepueden identificarse algunos factores que, por el tipo de emprendimiento o porcaracterísticas particulares del mercado, determinarán que el negocio funcione.Según el tipo de proceso, algunos de los factores críticos de éxito son: Ventas: define la cantidad de producción a desarrollar inicialmente, siendo la base para los balances de materia y energía, conociendo con esto los materiales necesarios para la producción. Costo promedio de insumos: sirve para determinar el costo directo de nuestro producto y en últimas determinar el precio de venta, logrando con esto hacer un análisis financiero. tasa de penetración: nos define cuanto se inicia a producir y hasta dónde puede llegar la producción o crecimiento de la planta. plazo de entrega: Nos define que tipo de producción se puede desarrollar, ya sea por cochadas, semicontinuo o continúo. Logística: nos determina como se puede entregar y diseñar trazabilidad del proceso. Imagen: nos da la presencia y retención en la mente de los posibles clientes.Todo lo anterior se logra con un buen diseño del plan de marketing que es lainstrumentación de la estrategia de marketing. Sólo tiene sentido si previamentehan sido definidos el posicionamiento (lugar de ubicación) de la empresa y eltarget (tipo de producto a desarrollar) al que apunta.Una vez explicitadas las decisiones estratégicas, el plan de marketing debeproducir respuestas convincentes a cuatro preguntas fundamentales: Producto/servicio: ¿Cuáles son los beneficios que el producto generará para los potenciales clientes? Precio: ¿A qué precio se va a ofrecer el producto y cuánto influye el precio en la decisión de compra de los potenciales clientes? Distribución: ¿Cómo y en qué lugar se va a vender el producto? Comunicación: ¿De qué manera se va a comunicar el producto de modo tal que los clientes potenciales se enteren de su existencia y deseen comprarlo?Teniendo definido todo lo anterior como es la cantidad a producir, presentación delproducto al cliente, área de influencia, la logística de entrega, se puede proceder alos diseños en detalle de los procesos químicos.La investigación le ayuda a identificar oportunidades en el mercado; Por ejemplo,si usted planea iniciar la fabricación de un producto químico en cierta localizacióngeográfica y descubre que en ese lugar existe poca competencia, entonces ustedya identificó una oportunidad. Las oportunidades para el éxito aumentan si la 20
  21. 21. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosregión en la que piensa hacer negocio está altamente poblada y los residentesreúnen las características de su grupo seleccionado.La investigación de mercado minimiza los riesgos; Si en lugar de identificaroportunidades en el mercado, los resultados de la investigación le indican que nodebe seguir con el plan de acción, entonces es el momento de hacer ajustes. Porejemplo, si los hallazgos reflejan que el mercado está saturado con el tipo deservicio o producto que planifica ofrecer, entonces usted sabe que tal vez seamejor moverse hacia otra localización.La investigación de mercado identifica futuros problemas; A través de lainvestigación puede descubrir, por ejemplo, que en el lugar donde quiereestablecer su negocio, el municipio planifica construir un paso a desnivel o unaruta alterna con el propósito de aliviar la congestión de tránsito. ¡Usted haidentificado un posible problema! La investigación de mercado le ayuda a evaluarlos resultados de sus esfuerzos; Con la investigación puede determinar si halogrado las metas y los objetivos que se propuso al iniciar la empresa.Datos demográficos: Es información específica sobre una población. Incluye:1. edad2. sexo3. ingreso aproximado4. preparación académica5. estado civil6. composición familiar7. nacionalidad8. zona residencialLos datos demográficos están basados en los hallazgos del censo nacional,agencias de gobierno y firmas privadas que se dedican a recopilar este tipo deinformación. Usted puede obtener esta información en la Cámara de Comercio, enel periódico local, en el Departamento de Comercio o en una biblioteca local. Porejemplo, para el censo del 1990 en los EEUU se encontró que la mayor parte de lapoblación se encontraba entre los 50 y 65 años de edad. Estos datos fueronaprovechados por algunas empresas para desarrollar productos y servicios paraatender las necesidades de esta población. Como consecuencia, en los últimosaños se registró un alza en las ventas de productos y servicios para la salud.Datos psicológicos: Estos datos recopilan la información que se encuentra en lamente del consumidor:1. actitudes2. estilos de vida3. intereses 21
  22. 22. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos4. valores5. culturaCon la obtención de esta información podríamos:1. determinar qué factores motivan al consumidor a comprar nuestro producto oservicio2. identificar cualquier predisposición por parte del consumidor por razonesculturales o ambientales.3. conocer las preferencias del consumidorOJO…La obtención de datos demográficos y psicológicos ahorra mucho tiempo ydinero a la compañía. La información sirve para delinear el perfil de nuestrocliente.Métodos para investigar un mercado:1. La Encuesta: En este método se diseña un cuestionario con preguntas queexaminan a una muestra con el fin de inferir conclusiones sobre la población.Una muestra es un grupo considerable de personas que reúne ciertascaracterísticas de nuestro grupo objeto. Es recomendable que las preguntas de laencuesta sean cerradas [preguntas con alternativas para escoger].Éste es el método que más se utiliza para realizar investigaciones de mercado.Otro factor importante es la secuencia en la cual las preguntas son presentadas.Las preguntas iniciales deben ser sencillas e interesantes.Las preguntas se deben tocar desde lo general hasta lo específico.El cuestionario debe ser fácil de leer. Por ejemplo,¿Cuál es el factor que más influye al momento que usted compra un carro nuevo?__ Garantía__ Precio__ Servicio__ Experiencia previa.2.- La Entrevista: Una vez diseñado un cuestionario se procede a entrevistar apersonas consideradas líderes de opinión. Generalmente, los participantesexpresan información valiosa para nuestro producto o servicio.Por ejemplo,* ideas para promoción* estrategias de ventas / mercadeo3.- La Observación: Otra opción que tenemos para obtener información es a travésde la observación. Con simplemente observar la conducta de nuestro públicoprimario podemos inferir conclusiones. Un ejemplo sería observar cómo laspersonas se comportan al momento de escoger un producto en el supermercado.4.-Grupo Focal: Los grupos focales son parecidos al método de la entrevista, conla diferencia de que la entrevista se realiza a un grupo en vez de a un individuo. 22
  23. 23. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosPara el grupo focal se selecciona entre 10 a 12 personas con características oexperiencias comunes.OJO…Es necesario tener un moderador para queconduzca la entrevista.EJEMPLO 1. Para producir bebidas refrescantes en el área de influencia deGirardot, se debe conocer los gustos en bebidas de la ciudad como por ejemplolimonada 60% y naranja 40%, la población media de la ciudad es de 200000habitantes, de los cuales el 65% es adulto mayor de 18 años, su consumo es de1.5 litros de bebidas refrescantes en promedio día, la presentación de consumo esde 300 mililitros. Con esta información que solo se obtiene con la investigación delmercado y una encuesta se puede definir que para penetrar en el 50% delmercado o sea:200000 * 0.65 = 130000 adulto en la ciudad, se desea cubrir el 50% o sea 65000personas.Estas 65000 personas consumen en total 97500 litros de bebidas refrescantes enel día o sea que consumen:9750000 mililitros/ 300 ml. = 325000 bolsas de 300 ml. En bebidas.Esta es nuestra base de cálculo para las cantidades a producir de limonada ynaranja, además de las materias primas necesarias.Al ejemplo le faltan los costos y precios de venta para desarrollar el esquemafinanciero.Lección 4. Operaciones Unitarias y Clasificación de las OperacionesunitariasFuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090002/docs_curso/pages/cap1/c1_4.htmEn las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesosbiológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma enque los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para 23
  24. 24. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosobtener, los materiales finales o productos químicos o biológicos. Es posibleconsiderar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos,y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadasoperaciones unitarias. Por lo tano se pueden definir como cada una de las etapascon una función específica que se lleva a cabo sistemáticamente en la industriaquímica: destilación, extracción, evaporización, etc.Las operaciones unitarias tienen las siguientes características: • Son esencialmente las mismas con independencia del proceso en el que se apliquen. • Permite estandarizar el diseño de equipos con el mismo fundamento para procesos distintos. • Técnica de cálculos similares. • Estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, la transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos. EJEMPLO 2.1. La operación unitaria conocida como destilación se usa purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y también para separar los hidrocarburos en la industria del petróleo.2. El secado de granos y otros alimentos es similar al secado de maderas.3. La operación unitaria absorción se presenta en el oxigeno del aire en los procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así como en la absorción de hidrogeno gaseoso en un proceso de hidrogenación liquida de aceites.4. La evaporación de salmuera en la industria química es similar a la evaporación de soluciones de azúcar en la industria alimenticia.5. La sedimentación de sólidos en suspensiones en las industrias de tratamiento de aguas y minería, es una operación similar.6. El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche en una planta de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante.A continuación se describen las operaciones unitarias más importantes y quecorresponden a aquellas que se pueden combinar en diversas secuencias en unproceso. 1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro. 24
  25. 25. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADEscuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e IngenieriasContenido didáctico del curso Procesos Químicos 2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro. 3. Operaciones gas-líquido y líquido-vapor Absorción-desorción: Consiste en la transferencia selectiva de uno o más componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente líquido de reducida volatilidad o viceversa. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla liquida por medio de la ebullición basadas en las diferencias de presión de vapor. Rectificación: En la destilación el contacto se realiza entre una mezcla en fase líquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullición del líquido pero que no se encuentran inicialmente en el equilibrio, a consecuencia de ello, la fase vapor se condesa parcialmente y la fase líquida se vaporiza también parcialmente de modo que tras el contacto entre ambas el vapor se enriquece en los componentes más volátiles de la mezcla y el líquido lo hace en los menos volátiles. 25
  26. 26. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADEscuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e IngenieriasContenido didáctico del curso Procesos Químicos TABLA 1. Operaciones básicas de separación 4. Operaciones de interacción aire-agua: Humidificación y deshumidificación de aire y enfriamiento de agua: En ellas el vapor de agua (equivalente al componente volátil pasa de una fase a otra con el consiguiente efecto térmico del elevado calor latente de vaporización/condensación. Evaporación: Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación es que sólo hay un componente volátil. 5. Operaciones líquido-líquido: Extracción: Se ponen en contacto dos mezclas líquidas inmiscibles con objeto de transferir uno o varios componentes de una fase a otra. 26
  27. 27. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos 6. Operaciones líquido-sólido: Lixiviación: es una extracción líquido-sólido, es la separación de uno o varios solutos contenidos en una fase sólida mediante su contacto con un disolvente líquido que los disuelve selectivamente. Adsorción: esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de una mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie de un sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la absorción donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido aquí los componentes se incorporan solamente a la superficie de la fase receptora. Intercambio iónico: Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del líquido al sólido son especies iónicas en la fase líquida. Cristalización: aquí se produce la transferencia de un soluto desde una disolución a una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la temperatura y/o en la concentración. Secado: en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por vaporización. Separación de membrana: Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido. Separaciones físico-mecánicas: Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.Muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos ofundamentales comunes. Por ejemplo, el mecanismo de difusión o detransferencia de masa se presenta en el secado, absorción, destilación ycristalización. La transferencia de calor es común al secado, la destilación, laevaporación, etc. Por lo tanto, es conveniente establecer la siguiente clasificaciónmás fundamental de los procesos de transporte o transferencia.TIPOS DE OPERACIONES UNITARIAS.Estos se clasifican de acuerdo a la forma de manejarse como son continuos,semicontinuos y por cochadas o discontinuas. 27
  28. 28. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosLección 5: Procesos fundamentales de transporteCualquier proceso físico o químico tiene por objeto modificar las condiciones deuna determinada cantidad de materia, para adecuarla a nuestros fines. Estamodificación se provoca alterando los valores de las variables que definen alsistema, dando lugar al transporte de alguna de las tres propiedades intensivasque se conservan en las colisiones moleculares: la materia, la energía o lacantidad de movimiento.1. Transferencia de la materia. Se refiere a la que se presenta en los materialescuando pasa cierta cantidad de un espacio a ocupar otro espacio, disminuyendoen uno y aumentando en otro, como en operaciones unitarias de adsorción, yabsorción. 28
  29. 29. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos2. Transferencia de Energía. En este proceso fundamental se considera como tal ala transferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en lasoperaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación yotras.3. Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en losmateriales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos,sedimentación y mezclado.Momentum, palabra de origen latino, se ha conservado en idiomas modernospara significar la cantidad de movimiento definido en la aplicación de la primera leyde Newton. La primera ley de Newton postula “Todo cuerpo continua en su estadode reposo, o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea impelido acambiar dicho estado por fuerzas que actúan sobre él”. Esta ley es tambiénconocida como ley de la inercia o ley del movimiento de Newton.Uno de los efectos de una fuerza es modificar el estado de movimiento de uncuerpo y ello se establece en el enunciado de la segunda ley de Newton “Larapidez de cambio de momentum de un sistema es igual a la fuerza neta queactúa sobre el sistema y ocurre en la dirección de la fuerza neta”Matemáticamente la ley se escribe en la forma: Ecuación 0.Donde:F: las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.m: la masa del cuerpo.v: velocidadP: Momentum ó cantidad de movimiento.El principio se aplica en el manejo de fluidos y de sólidos.La variación de una de estas propiedades es provocada por la existencia de ungradiente de la misma, es decir, de una variación a lo largo de una o másdimensiones (ejes de coordenadas espaciales y tiempo):-Si en una mezcla fluida multicomponente existe un gradiente en la composiciónde alguno de ellos, existirá un transporte de materia.- Si existe en un medio un gradiente de temperatura, se producirá un transporte deenergía.-Si existe un gradiente de velocidades entre diferentes partes de un fluido, segenerará un transporte de cantidad de movimiento. 29
  30. 30. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos Figura 7. Fenómeno de transporte. Fuente: www.uc3m.esEn definitiva, para que exista un proceso debe existir un gradiente de la magnitudindependiente. Este gradiente es la fuerza impulsora y el fenómeno de transportese realiza en el sentido de alcanzar el estado de mínima energía (equilibrio) en elque las magnitudes independientes son constantes en todas las direcciones, esdecir el sistema sufre un cambio en el sentido contrario al gradiente.El objetivo del estudio de los fenómenos de transporte es pues, determinar lavelocidad con que se alcanza el equilibrio (de composición, de energía y decantidad de movimiento) en el sistema.Los fenómenos de transporte pueden estudiarse a nivel macroscópico,microscópico o molecular.TRANSPORTE A NIVEL MOLECULARLa descripción molecular se caracteriza porque trata un sistema macro omicroscópico como si estuviese compuesto de entidades individuales infinitamentepequeñas, cada una de las cuales sigue ciertas leyes. En consecuencia, laspropiedades y las variables de estado del sistema se obtienen como suma de lasde todas las entidades que constituyen el sistema. La mecánica cuántica y lamecánica estadística son métodos típicos de análisis molecular de laspropiedades de los sistemas, sin embargo, la complejidad de cálculo no haceviable esta aproximación como método de cálculo de los fenómenos de transporteen la mayor parte de los problemas, permitiendo al ingeniero utilizar estosconceptos en el análisis y diseño.TRANSPORTE A NIVEL MICROSCÓPICOEl transporte a nivel microscópico corresponde a un tratamiento fenomenológicodel problema y admite que el sistema puede considerarse como continuo,obviándose las interacciones moleculares detalladas y planteando ecuaciones debalance diferencial para materia, cantidad de movimiento y energía. Respondiendoa la expresión general: 30
  31. 31. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos ΔFz=-δdπ/dzDonde dπ/dz es la variación en la dirección z de la variable que gobierna eltransporte de la propiedad, δ es una variable característica de la resistencia quepone el sistema al transporte de la propiedad en estudio, y ΔFz es el flujo de lapropiedad transportada.•Ley de Newton de la viscosidad: En el caso de transporte de cantidad demovimiento τZX es la fuerza que hay que ejercer para que se desplace unaporción de fluido con respecto al de sus inmediaciones, suponiendo régimenlaminar, η y ν son respectivamente la viscosidad y la viscosidad cinemática y vx lavelocidad cinemática.•Ley de Fourier: El transporte de energía térmica se rige por la ley de Fourierdonde Qz es el flujo de calor K y α son la conductividad y difusibidad térmicarespectivamente y cp es la capacidad calorífica a presión constante.•Ley de Fick: No habiendo agitación la transferencia de masa viene gobernada porla ley de Fick donde Jiz es la densidad de flujo del componente “i” en la direcciónz, siendo Di el coeficiente de difusión de dicho componente y X1 su fracción molar.Para procesos sin movimiento o con flujo laminar, el tratamiento a nivelmicroscópico encuentra numerosas aplicaciones prácticas, aunque con frecuencia,resulta excesivamente complicado. Para flujo turbulento y elevado grado demezcla no presenta mucha aplicación práctica y es necesario recurrir a otrosmétodos de descripción.TRANSPORTE MACROSCÓPICO Figura 8. Transporte macroscópico. Fuente: www.uc3m.es 31
  32. 32. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosEl transporte macroscópico de una propiedad en un sistema es el cálculo de laentrada (E), salida (S), acumulación (A), generación (G) y consumo (C) de dichapropiedad en el sistema, el cual viene definido por unos límites físicos reales(paredes exteriores del sistema) o conceptuales (limites imaginarios impuestospara el cálculo). En cada sistema podemos aplicar al conjunto el principio deconservación por el cual: LA SUMA DE ENERGÍA Y MATERIA SE CONSERVAde manera que como puede haber entradas de reactivos, salida de productos ysubproductos, entrada y salida de inertes, refrigerantes, calefactores, etc. Elprincipio de conservación dice que: Σ Entradas - Σ Salidas = Σ Consume + Σ Acumula - Σ GeneraciónTALLER.1.- En su lugar de trabajo, residencia o estudio determine 5 ejemplos de procesosnaturales y artificiales.2.- En su región de influencia, determine un producto químico de preferencia ydesarrolle una investigación de mercado donde determine las cantidades aproducir, la presentación que más gusta, los precios de venta y los posiblescompetidores.3.- Con una receta de cocina determine las operaciones unitarias que se alcanzana detectar y desarrolle el análisis para su proyección industrial. 32
  33. 33. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos CAPITULO 2: CONCEPTOS BASICOS tubo venturiFuente:http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/venturi/index.htmlAntes de empezar a estudiar los procesos lo que primero se debe hacer es revisarlos conceptos previos a manejar en este curso. Por lo cual el segundo capítulotrata de manejar varios conceptos ya desarrollados en cursos previos, los cualesson el sistema de unidades de medición, la ley de los gases ideales, las leyes deconservación de la masa y al energía, y especialmente un repaso a los costos deproducción para ir teniendo a la par el componente financiero esencial para eléxito de todo producto químico.En el sistema de unidades de estudiará especialmente el sistema internacionalpara estandarizar los procesos, Las leyes de gases, masa y energía para dar uncorrecto manejo a los fluidos y más adelante a los sólidos. Por último el desarrollode costos para tener a la mano los balances de másicos y los costos directosbásicos para determinar el precio de venta de un producto químico.Lección 6. El sistema SI de unidades y otros sistemas.Fuente:www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/dinamic.Los sistemas de medición son claves en el estudio de los procesos químicos yaque estos permiten tener un control en el mismo y determinar eficiencia yefectividades de las operaciones y procesos. Existen tres sistemas de unidadesfundamentales empleados actualmente en la ciencia y la ingeniería.El primero y más importante es el sistema SI (Systeme International d‟unités),cuyas tres unidades básicas son el metro (m), el kilogramo (kg) y el segundo (s).Los otros son el sistema inglés: pie (ft) - libra (Ib) - segundo (s) o sistema pls (fps); 33
  34. 34. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosY el sistema cgs donde las unidades básicas son el centímetro (cm) - gramo (g) -segundo (s).El sistema SI se adopto de manera oficial para usos en ingeniería y las ciencias,aunque el sistema inglés y cgs todavía tienen bastante aceptación.Muchos de los datos químicos y físicos, así como las ecuaciones empíricas, estánexpresados en estos dos sistemas. Por tanto, el ingeniero no sólo debe conocer ala perfección el sistema SI, sino además poseer cierto grado de familiarización conlos otros dos sistemas.El sistema de unidades SILas unidades fundamentales del sistema SI son como sigue: la unidad de longitudes el metro (m); la de tiempo es el segundo (s); la de masa es el kilogramo (kg); lade temperatura es el Kelvin (K); y la de un elemento de materia es el kilogramomol (kg mol). Las unidades restantes se derivan de estas cantidades.- La unidad de fuerza es el newton (N), que se define como: 1 newton(N) = 1kg*m/s- La unidad básica de trabajo, energía o calor es el newton-metro, o joule (J): 1 joule (J) = 1 newton * m (N . m) = 1 kg . m2/s.- La potencia se mide en joule/s o watts (W): 1 joule/s (J/s) = 1 watt (W).- La unidad de presión es el newton/m2 o Pascal (Pa): 1 newton/m2 (N/m2) = 1 Pascal (Pa). La presión en atmósferas (atm) no es una unidad estándar delsistema SI, pero se usa en la etapa de transición.- La aceleración de la gravedad se define como: 1 g = 9.80665 m/s2.- Las temperaturas se definen en Kelvins (oK), como unidad estándar del sistemaSI. Sin embargo, en la práctica se usa mucho la escala Celsius (ºC) que se definecomo: T °C = T (oK) - 273.15Nótese que 1 °C = 1oK cuando se trata de diferencias de temperatura: ΔT ºC = ΔToK- La unidad estándar de tiempo preferible es el segundo (s), pero también puedeexpresarse en unidades no decimales de minutos (min), horas (h) o días (d).- Algunos de los prefijos para múltiplos de las unidades básicas son:Giga (G) = 109, Mega (M) = 106, kilo (k) =103, centi (c) = 10-2, mili (m) = 10-3, micro(μ) = 10-6 y nano (n) = 10-9.El sistema de unidades cgsEl sistema cgs se relaciona con el sistema SI como sigue:- 1 g masa (g) = 1 x 10-3 kg masa (kg) 34
  35. 35. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos- 1 cm = 1 x 10-2 m- 1 dina = 1 g * cms = 1 x 10-5 newton (N)- 1 erg = 1 dina* cm = 1 x lO-7 joule (J).- La aceleración estándar de la gravedad es g = 980.665 cm/s2El sistema inglés de unidadesLa equivalencia entre el sistema inglés y el SI es como sigue:- 1 lb masa (lbm) = 0.45359 kg- 1 pie = 0.30480 m- 1 lb fuerza (lbf) = 4.4482 newtons (N)- 1 pie. lbf = 1.35582 newton*m (N*m) = 1.35582 joules (J)- 1 lbf/pulg2 abs = 6.89476 x 103 newton/m2 (N/m2)- 1.8 °F = 1o K = 1 °C (centígrado o Celsius)- El factor de proporcionalidad para la ley de Newton es gc = 32.174 pie . lbm / lbf * s2- El factor g, en unidades SI y cgs es 1.0 y se omite.En el curso se emplea el sistema SI como conjunto primario de unidades. Sinembargo, las ecuaciones importantes que se desarrollan en el transcurso delmismo se expresan en dos sistemas de unidades, SI e ingles, cuando lasecuaciones difieren. Algunos problemas de ejemplo y de estudio también usanunidades inglesas.Ecuaciones dimensionalmente homogéneas y con unidades consistentes:Una ecuación dimensionalmente homogénea es aquella en la cual todos lostérminos tienen el mismo tipo de unidades. Estas unidades pueden ser las básicaso derivadas (por ejemplo, kg/s2*m o Pa).Esta clase de ecuaciones puede usarse con cualquier sistema de unidadessiempre y cuando se utilicen idénticas unidades básicas o derivadas en toda laecuación. (No se requieren factores de conversión cuando se emplean unidadesconsistentes.)Se debe ser cuidadoso en el uso de ecuaciones, comprobando siempre suhomogeneidad dimensional, lo puede hacer así:1. Seleccionar un sistema de unidades (SI, inglés, etc.).2. Incluir las unidades de cada término y se comprueba su equivalencia, luego decancelar las que sean iguales en cada términoFormas de expresar Temperaturas y Composiciones:Temperatura: Existen dos escalas de temperatura comunes en las industrias 35
  36. 36. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosquímica y biológica; los grados Fahrenheit (ºF) y Celsius (°C). Es muy frecuenteque se necesite obtener valores equivalentes de una escala a la otra.Las temperaturas también se expresan en grados K absolutos (sistema SI) ogrados Rankine (°R) en vez de °C o °F, generalmente el valor de -273.15 °C seredondea a -273.2 °C y el de -459.7 °F a -460 °F. Celsius Farenheit Rankine Kelvin Agua en 100 212 671.7 373.15 Ebullición Fusión del 0 32 491.7 273.15 Hielo Cero - 273.15 -459.7 0 0 Absoluto Tabla 2. Escalas y equivalencias de temperatura.Para convertir de una escala a otra pueden usarse las siguientes ecuaciones: °F = 32 + 1.8*(°C) ºC=(1/1.8)(ºF-32) Ecuación 1. °R = °F + 460 K = °C + 273.15 Ecuación 2.Unidades molares y unidades de peso y masa:Existen muchos métodos para expresar las composiciones de gases, líquidos ysólidos; Uno de los más útiles es el de las unidades molares, pues las reaccionesquímicas y las leyes de los gases resultan más simples al expresarlas en unidadesmolares. Además son necesarias e indispensables en el desarrollo de losbalances másicos.Recordando un mol de una sustancia pura se define como la cantidad de dichasustancia cuya masa es numéricamente igual a su peso molecular. De estamanera, 1 kg mol de metano, CH4, contiene 16.04 kg. Igal a 1.0 lbmol de metanocontiene 16.04 lbm de CH4.La fracción mol de una determinada sustancia es el número de moles de dichasustancia dividido entre el número total de moles. Igualmente, la fracción en pesoo en masa es la masa de la sustancia dividida entre la masa total. Estas dos 36
  37. 37. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos composiciones que se aplican por igual a gases, líquidos y sólidos, pueden expresarse como sigue para el componente A de una mezcla: XA (Fracción mol de A)= moles de A / moles totales WA (fracción másica de A) = masa de A/ masa total Ecuación 3. EJEMPLO 3: Un recipiente contiene 50 g de agua (B) y 50 g de NaCl (A). Calcule la fracción en peso y la fracción mol de NaCl. Calcule también el valor lbm para NaCl (A) y H20 (B). Solución: Se debe tomar como base de cálculo: 50 g de agua + 50 g de NaCl ó en otras palabras 100 g de solución, luego se determinan los siguientes datos: masa Fracción Peso Moles o FracciónComponente (g) Peso Molecular Gramos-mol molarH2O (A) 50 WA= 50/100=0.5 18.02 50/18.02=2.78 XA=2.78/3.63=0.77NaCl (B) 50 WB=50/100=0.5 58.5 50/58.5=0.85 XB=0.85/3.63=0.23Solución 100 WA+B=100/100=1.0 2.78+0.85=3.63 0.77+0.23= 1.00Total Como se puede observar, XA = 0.23 y XB= 0.77 y XA + XB = 0.23 + 0.77 = 1.00. Además, WA + WB= 0.5 + 0.5= 1.00. Para calcular lbm de cada componente, el factor de conversión es 453.6 g por 1 lbm, Usando esto, Nótese que los gramos de A en el numerador se cancelan con los gramos de A en el denominador, quedando lbm de A en el numerador. Siempre debe tomarse la precaución de incluir todas las unidades de la ecuación y cancelar las que aparezcan en el numerador y en el denominador. Los análisis de sólidos y líquidos generalmente se expresan como fracción en peso o en masa o porcentaje en peso, y los gases en porcentaje o fracción mol. A menos que se indique lo contrario. Unidades de concentración para líquidos: En general, cuando un líquido se mezcla con otro en el que sea miscible, los volúmenes no son aditivos. Por consiguiente, las composiciones de los líquidos no suelen expresarse en porcentaje en volumen sino como porcentaje en peso o molar. Otra forma conveniente de expresar las concentraciones de los 37
  38. 38. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicoscomponentes de una solución es la molaridad, que se define como el número deg mol de un componente por litro de solución; Otras formas de expresar lasconcentraciones como son: kg/m3, g/l, g/cm3, lbmol/pie3, lbm/pie3 y lbm/galón.Todas estas medidas de concentración dependen de la temperatura, por lo que esnecesario especificarla. La forma más común para expresar la concentración totalpor unidad de volumen es la densidad, kg/m3, g/cm3 o lb,/pie3. Por ejemplo, ladensidad del agua a 277.2 K (4 ºC) es 1000 kg/m 3 o 62.43 lb,/pie3.Algunas veces la densidad de una solución se expresa como densidad relativa(peso específico), que se define como la densidad de la solución a unatemperatura específica, dividida entre la densidad de una sustancia de referenciaa esa temperatura. Si la sustancia de referencia es el agua a 277.2oK, la densidadrelativa (peso específico) y la densidad de una sustancia son numéricamenteiguales.Lección 7: Leyes de los gases y presión de vapor Fuente:thermo.sdsu.edu/.../exClosedProcessesP.htmlLas características a estudiar en esta lección tiene que ver con las propiedades delos fluidos ya se los compresibles como son los gases e incompresibles como sonlos líquidos, lo cual les da un comportamiento diferente a cada uno, por lo tanto loinicial es recordar las definiciones como presión y la ley de gases ideales.Presión: Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, ysirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobreuna superficie; Existen muchas formas para expresar la presión ejercida por unfluido o un sistema.La presión absoluta de 1.00 atm es equivalente a: 760 mm de Hg a 0ºC, 29.921pulg de Hg, 0.760 m de Hg, 14.696 lb fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg 2 abs),o 33.90 pies de agua a 4 ºC.La presión manométrica es la presión por encima de la presión absoluta. De estamanera, una presión manométrica de 21.5 lb por pulgada cuadrada (lb/pulg2) esigual a 21.5 + 14.7 (redondeando) o 36.2 lb/pulg2 abs. 38
  39. 39. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosEn unidades SI, 1 lb/pulg2 abs = 6.89476 x 103 pascales(Pa)= 6.89476 x 103newtons/m2. Además, 1 atm = 1.01325 x 105 Pa.En algunos casos, en especial cuando se trata de evaporación, puede expresarsela presión como pulgadas de vacío de mercurio. Esto significa la presión enpulgadas de mercurio medida “por debajo” de la presión barométrica absoluta. Porejemplo, una lectura de 25.4 pulg de vacío de Hg es 29.92 - 25.4, o 4.52 pulg deHg de presión absoluta.Ley de los gases ideales: Un gas ideal se define como aquel que obedece aleyes simples. Además, las moléculas gaseosas de un gas considerado comoideal son esferas rígidas que no ocupan volumen por sí mismas y que no seafectan mutuamente; Ningún gas real obedece estas leyes con exactitud, pero atemperaturas y presiones normales de pocas atmósferas, la ley de los gasesideales proporciona respuestas con bastante aproximación. Por consiguiente, estaley tiene una precisión suficiente para los cálculos de ingeniería.La ley de los gases ideales de Boyle indica que el volumen de un gas esdirectamente proporcional a la temperatura absoluta e inversamente proporcionala la presión absoluta. Esto se expresa como: pV = nRT Ecuación 4.Donde p es la presión absoluta en N/m2, V es el volumen del gas en m3, n es elnúmero de kg mol de gas, T es la temperatura absoluta en °K, y R es la constantede la ley de los gases y tiene un valor de 8314.3 kg * m2/kg mol. s2. °K.Cuando el volumen se expresa en pie3, n en lb mol y T en °R, el valor de R es0.7302 pie3atm/lb mol T =°K; Para unidades cgs, V = cm3, T = °K, R = 82.057cm3atm/g mol.°K y n = g mol.Para comparar diferentes cantidades de gases, se deben tener estos en lascondiciones estándar o normales de temperatura y presión (abreviadas TPE oCE) se definen arbitrariamente como 101.325 kPa (1.0 atm) abs y 273.15 °K (0ºC). En estas condiciones, los volúmenes son: Volumen de 1.0 kg mol (CE) = 22.414 m3 volumen de 1.0 g mol (CE) = 22.414 litros = 22 414 cm3 volumen de 1.0 lb mol (CE) = 359.05 pies3EJEMPLO 4.Calcule el valor de la constante de la ley de los gases, R, cuando lapresión está en lb/pulg2 abs, las moles en lb moles, el volumen en pie3 y latemperatura en °R. Repita para unidades SI. 39
  40. 40. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosSolución: En condiciones estándar, p = 14.7 lb/pulg2 abs, V = 359 pies3 y T =460+ 32 = 492 °R (273.15 °K). Sustituyendo en la ecuación 1-3 n = 1 .0 lb mol ydespejando R,De la ecuación 4 puede obtenerse una relación muy útil para n moles de gas encondiciones P1, V1, T1 y para condiciones P2, V2, T2. Sustituyendo en laecuación 4 se obtiene: Ecuación 5.Mezclas de gases ideales: La ley de Dalton para mezclas de gases idealesenuncia que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de laspresiones parciales individuales: P = PA + PB + PC +. . . Ecuación 6.Donde P es la presión total y PA, PB, PC,. . . son las presiones parciales de loscomponentes A, B, C,. . . de la mezcla. Puesto que el número de moles de uncomponente es proporcional a su presión parcial, la fracción mol de uncomponente es Ecuación 7.La fracción volumen es igual a la fracción mol. Las mezclas de gases casi siemprese expresan en términos de fracciones mol y no de fracciones en peso.Presión de vapor y punto de ebullición de los líquidos: Cuando un líquido seintroduce en un recipiente cerrado, las moléculas de dicho líquido se evaporan enel espacio por encima de él y lo llenan por completo. Después de un tiempo seestablece un equilibrio. Este vapor ejerce una presión al igual que un gas y a estapresión se le puede llamar presión de vapor del líquido. El valor de la presión devapor es independiente de la cantidad de líquido en el recipiente siempre y cuando 40
  41. 41. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicoshaya algo de líquido presente. La presión de vapor de un líquido aumentanotablemente al elevarse la temperatura.EJEMPLO 5. Sí la presión de vapor a 50 °C es 12.333 kPa (92.5 1 mm de Hg). A100 °C, la presión de vapor aumenta en alto grado a un valor de 101.325 kPa (760mm de Hg).El punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura a la cual lapresión de vapor del líquido es igual a la presión total. Por lo tanto, si la presiónatmosférica total es de 760 mm de Hg, el agua hierve a 100 ºC. En la cumbre deuna montaña alta, donde la presión es considerablemente más baja, el aguahierve a temperaturas inferiores a 100 °C. La gráfica de la presión de vapor PA deun líquido en función de la temperatura corresponde a la expresión: Ecuación 8.Donde m es la pendiente, b una constante para el líquido A y T la temperatura en°K.Lección 8: Conservación de masa y Balance de materia.Fuente:http://edimae.blogspot.com/2007/06/fundamentos-de-ingeniera-i-balances-de.htmlConservación de la masa: Una de las leyes básicas de física es la ley de laconservación de la masa. Esta ley, expresada en forma simple, enuncia que lamasa total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual ala de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales quese acumulan o permanecen en el proceso. Entradas = Salidas + Acumulación Ecuación 9. 41
  42. 42. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosEn la mayoría de los casos no se presenta acumulación de materiales en elproceso, por lo que las entradas son iguales a las salidas. Expresado en otraspalabras, “lo que entra debe salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso enestado estacionario. Entradas = Salidas (estado estacionario) Ecuación 10.Balances de MateriaFuente:www.estrucplan.com.mx/articulos/verarticulo.Antes de aplicar la ley de conservación de la masa, se debe definir el esquema amostrar el proceso de las operaciones unitarias como es el diagrama de flujo delproceso que es una representación gráfica de la secuencia de pasos que serealizan para obtener un cierto producto.En el deben estar indicadas todas las entradas y salidas del sistema y de cadauna de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja lainformación sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas. Figura 9. Diagrama de flujo. Fuente: www.uc3m.esEstos diagramas sirven para proporcionar información clara, ordenada y concisasobre el proceso global y sus diversas partes en el desarrollo de los balances demasa y energía. 42
  43. 43. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosUn balance de materia es un inventario entre la masa que entra en el sistema y laque sale. En estado estacionario (no hay variación con el tiempo) se plantea unsistema de ecuaciones algebraicas lineales, mientras que en estado noestacionario se planteará un sistema de ecuaciones diferenciales de 1 er orden conel tiempo.Lo primero que hay que determinar son los límites del sistema sobre el que se vaa efectuar el balance, sean estos reales o conceptuales. El balance se efectuarásobre toda la materia que entre y salga del sistema (balance global) o sobreaquellos compuestos, grupos atómicos o átomos (balances parciales) queparticipen en el sistema. Aquellas sustancias que permanezcan invariantesdurante el proceso (gases inertes, sólidos no reactivos, etc.), servirán pararelacionar las entradas y salidas del sistema.El número de ecuaciones a plantear debe ser igual al de componentes adeterminar (variables independientes), en caso de que se puedan plantear másecuaciones estas serán combinación lineal de otras.Balances simples de materia: En esta sección se estudiarán los balancessimples de materia (en peso o en masa) en diversos procesos en estado establesin que se verifique una reacción química. Se pueden usar unidades kg, lb, lbmol,g, kg mol, etc., conviene recordar la necesidad de ser consistentes y no mezclarvarios tipos de unidades en los balances.Cuando intervienen reacciones químicas en los balances, deben usarse unidadesde kg mol, pues las ecuaciones químicas relacionan moles reaccionantes. Pararesolver un problema de balance de materia es aconsejable proceder medianteuna serie de etapas definidas, tal como se explican a continuación:1. Trace un diagrama simple del proceso. Este puede ser un diagrama debloques que muestre simplemente la corriente de entrada con una flechaapuntando hacia dentro y la corriente de salida con una flecha apuntando haciafuera. Incluya en cada flecha (en este caso una flecha por cada entrada)composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente. Todoslos datos pertinentes deben quedar incluidos en este diagrama. Figura 10. Diagrama para caldera Fuente: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1851-30182005000100003 43
  44. 44. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos2. Escriba las ecuaciones químicas involucradas (si las hay). Figura 11. Ecuación química. Fuente: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Materiayenergia.htm3. Seleccione una base para el cálculo. Que es la magnitud a la que referimostodos los cálculos de un balance de manera arbitraria. La base de cálculo elegidano influye en el valor de las variables intensivas (no dependen de la masa) y si enel de las extensivas (dependen de la masa de referencia), aunque sobre lo queafecta de una manera radical es en la complejidad de los cálculos a realizar.Para la selección de una base de cálculo no hay unas reglas exactas, aunque hayciertas recomendaciones empíricas que ayudan en su selección:a.- Se seleccionará aquella magnitud de la corriente de entrada o de salida de laque más datos conozcamos.b.- En sistemas discontinuos utilizar la masa o volumen (si no son gases) dealguno de los componentes o corrientes que entra o sale del sistema en cadaciclo.c.- En estado estacionario usar como base de cálculo la unidad temporal a la quese refieran las corrientes de entrada o salida.d.- Cien unidades de alguna de las materias de entrada o salida, preferentementede aquella que no sufra reacción química.4. Proceda al balance de materia. Las flechas hacia dentro del procesosignificarán entradas y las que van hacia fuera, salidas. El balance puede ser unbalance total del material, como en la ecuación 10, o un balance de cadacomponente presente (cuando no se verifican reacciones químicas).Algunos de los procesos típicos en los que no hay una reacción química son:Secado, Evaporación, Dilución de soluciones, Destilación, Extracción; Y puedenmanejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendoposteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas.EJEMPLO 5. En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo reciénextraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a unevaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidosaumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h; Calcular la cantidad delas corrientes de jugo concentrado y agua de salida.Solución: Siguiendo las cuatro etapas descritas, se traza un diagrama de flujo delproceso (etapa 1) 44
  45. 45. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos Figura 15. Flujo ejemplo 5.Note que la letra W representa la cantidad desconocida o incógnita de agua y C esla cantidad de jugo concentrado.No hay reacciones químicas (etapa 2).Base: 1000 kg/h de jugo de entrada (etapa 3).Para llevar a cabo los balances de materia (etapa 4), se procede a un balancetotal de materia usando la ecuación 10. 1000 = W + C Ecuación 11.Esto produce una ecuación con dos incógnitas. Por lo tanto, se hace un balancede componentes con base en el sólido: Ecuación 12.Obsérvese que el término de la izquierda cuantifica los sólidos que entran con eljugo, el primer término de la derecha representa los sólidos que salen con el aguaevaporada, que obviamente son cero; el segundo término de la derechacorresponde a los sólidos que salen con el jugo concentrado. Para resolver estasecuaciones, primero se despeja C en la ecuación 12 pues W desaparece. Seobtiene C = 122.07 kg/h de jugo concentrado.Sustituyendo el valor de C en la ecuación 11: 1000 = W + 122.1Despejando se obtiene W=877.93 kg/h de agua evaporada.Para comprobar los cálculos, puede escribirse un balance del componente agua. 45
  46. 46. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosAl resolver se verifica la igualdad. En este proceso solo intervino una operación,muchas veces se presentan varias de ellas en serie, en cuyo caso puede llevarsea cabo un balance por separado de cada proceso y un balance para la totalidaddel proceso general.Balance de materia y recirculación: En algunas ocasiones se presentan casosen los que hay una recirculación o retroalimentación de parte del producto a lacorriente de alimentación. Figura 13. Recirculación. Fuente: http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00071.htmPor ejemplo, en una planta de tratamiento de aguas, parte de los lodos activadosde un tanque de sedimentación se recirculan al tanque de aireación donde se tratael líquido. En algunas operaciones de secado de alimentos, la humedad del airede entrada se controla recirculando parte del aire húmedo y caliente que sale delsecador. En las reacciones químicas, el material que no reaccionó en el reactorpuede separarse del producto final y volver a alimentarse al reactor.EJEMPLO 6. En un proceso que produce KNO3, el evaporador se alimenta con1000 kg/h de una solución que contiene 20% de KNO 3, de sólidos en peso y seconcentra a 422 °K para obtener una solución de KNO3 al 50% de sólidos en peso.Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311°K, donde se obtienen cristalesde KNO3 al 96% de sólidos en peso. La solución saturada que contiene 37.5% deKN03 de sólidos en peso se recircula al evaporador. Calcular la cantidad decorriente de recirculación R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h.Solución: 46
  47. 47. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos Figura 14. Ejemplo 6.Como base del cálculo usaremos 1000 kg/h de alimentación original.No se verifican reacciones químicas.Podemos efectuar el balance global del proceso (marco azul de la figura14) parael KN03 y obtener directamente el valor de P, 1000(0.2) = W (0) + P (0.96) P = 208.3 kg cristales/hPara calcular la corriente de recirculación, podemos llevar a cabo un balance conrespecto al evaporador o al cristalizador (marco rojo de la figura 14). Efectuando elbalance en el cristalizador sólo existen dos incógnitas, S y R y se obtiene que: S = R + P ----- S = R+ 208.3 Ecuación 13.Para el balance de KN03 en el cristalizador, S(O.50) = R(0.375) + 208.3(0.96) Ecuación 14.Sustituyendo el valor de S de la ecuación 13 en la 14 y despejando:R = 766.6 kg, recirculado/h y S = 974.9 kg/h.Resumiendo se tiene el siguiente cuadro; Donde E= entrada, C=consumo,A=Acumulación, G=generación y S=salidas. 47
  48. 48. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosLección 9: Energía y Calor fuente:clisampa.com/imagenes/ciclo.jpgAntes de estudiar la conservación de la energía (Unidad 2.), se dará una mirada alos conceptos básicos de energía y calor como son;Unidades de Energía: es necesario inicialmente comprender los diversos tipos deunidades para la energía y el calor.En el sistema SI, la energía se expresa en joules (J) o kilojoules (kJ). La energíatambién se expresa en Btu, abreviatura de “British thermal units” (unidadestérmicas inglesas) o en cal (calorías).La caloría gramo (abreviada cal) se define como la cantidad de calor necesariapara calentar 1.0 g de agua 1.0 °C (de 14.5 °C a 15.5 °C). Otra unidad es lakilocaloría, 1 Kcal = 1000 cal.El Btu se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar 1 °F latemperatura de 1 lb de agua. 48
  49. 49. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos 1 btu = 252.16 cal = 1.05506 kJCapacidad calorifica: Se define como la cantidad de calor necesaria paraaumentar la temperatura un grado de una unidad de masa de una sustancia, estamasa puede expresarse para 1 g, 1 lb, 1 g mol, 1 kg mol o 1 lb mol. Figura 15. Capacidad calorífica.Por ejemplo, una capacidad calorífica expresada en unidades SI es J/kg mol°K: enotras unidades es cal/g ° C, cal/g mol.°C, kcal/kg mol.°C, Btu/lbm.°F oBtu/lbmol.ºF.Se puede demostrar que el valor numérico de la capacidad calorífica es el mismoen unidades de masa y unidades molares. Es decir, 1.0 cal/g.°C = 1.0 btu/lbm.°F 1.0 cal/g mol.ºC = 1.0 btu/lb mol.°FPor ejemplo, para comprobar esto, supóngase que una sustancia tiene unacapacidad calorífica de 0.8 Btu/lbm.°F. La conversión se obtiene tomando 1.8 °Fpor 1 °C o 1 K, 252.16 cal por 1 Btu y 453.6 g por 1 lbm, de la siguiente manera:Las capacidades caloríficas de los gases (también conocidas como caloresespecíficos a presión constante, Cp, están en función de la temperatura y, paracálculos de ingeniería puede suponerse que son „independientes de la presióncuando se trata de pocas atmósferas. En la gran mayoría de los problemas deingeniería el interés radica en determinar la cantidad de calor que se requiere paracalentar un gas de una temperatura T 1 a otra T2. Puesto que el valor de Cp varíacon la temperatura, es necesario integrar o bien usar un valor promedio adecuadode Cpm. 49
  50. 50. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosExisten datos experimentales de estos valores medios para una T 1 de 298°K o25°C (77 ºF) y diversos valores de T 2 (como los que se muestran en la tabla 3) a101.325 kPa de presión o menos, con el valor de Cpm expresado en kJ/kg mol°K,a diferentes valores de T2 en °K o °C.EJEMPLO 7: Una cierta cantidad de N2 gaseoso a 1 atm de presión se calienta enun intercambiador de calor. Calcule la cantidad de calor necesario expresado en J,para calentar 3.0 g mol de N2 en los siguientes intervalos de temperatura:a) 298-673 K (25-400 °C)b) 298-1123 K (25-850 °C)c) 673-1123 K (400-850 °C)Solución:Para la parte a), la tabla 3 muestra los valores de Cpm a 1 atm de presión omenos, que pueden usarse hasta varias atmósferas. Para N2 a 673 K, Cpm = 29.68kJ/kg mol.K o 29.68 J/g mol.K. Ésta es la capacidad calorífica media para elintervalo 298-673 K. Ecuación 15Sustituyendo los valores conocidos, calor necesario = (3.0) (29.68) (673 - 298) = 33390 JPara la parte b), el valor de Cpm a 1123 K (obtenido por interpolación lineal entre1073 y 1173 K) es 31.00 J/g mol.K. calor necesario = 3.0 (3 1.00) (1123 - 298) = 76725 JPara la parte c), no existe capacidad de calor media para el intervalo 673-1123 K.Sin embargo, se puede utilizar el calor requerido para calentar el gas de 298 a 673K en la parte a) y restarlo de la parte b), lo cual incluye que el calor pase de 298 a673 K, más 673 hasta 1123 K. Calor necesario (673 - 1123 K) = calor necesario (298 - 1123 K)- calor necesario (298-673) Ecuación 16Sustituyendo los valores apropiados en la ecuación, Calor necesario = 76725 - 33390 = 43335 JAl calentar una mezcla gaseosa, el calor total requerido se determina calculandoprimero el calor necesario para cada componente individual y sumando los 50
  51. 51. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicosresultados. Las capacidades caloríficas de sólidos y líquidos también dependen dela temperatura y son independientes de la presión. 3 .Fuente: 0. A. Hougen, K. W. Watson y R. A. Ragatz. Chemical Process Principles Parte 1, 2a. ed., Nueva York, John Wileyand Sons, Inc,. 1954.EJEMPLO 8: En un intercambiador de calor se calienta leche entera de vaca(4536 kg/h) de 4.4 °C a 54.4 °C, usando agua caliente. ¿Cuánto calor se necesita?Solución: La capacidad calorífica de la leche entera de vaca se asimila al delagua es 3.85 kJ/kg.K.La elevación de la temperatura es ΔT = (54.4 - 4.4) °C = 50 K. Calor necesario = (4536 kg/h) (3.85 kJ/kg . K) (1/3600 h/s) (50 K) = 242.5 kWLa entalpía, H, de una sustancia en J/kg representa la suma de la energía internamás el término presión-volumen. Cuando no hay reacción y se trata de un procesoa presión constante y un cambio de temperatura, la variación de calor que secalcula con la ecuación 15 es la diferencia de entalpía, ΔH, de la sustancia, conrespecto a la temperatura dada o punto base. En otras unidades, H = btu/lb, ocal/g.Calor latente y tablas de vapor: Cuando una sustancia cambia de fase seproducen cambios de calor relativamente considerables a temperatura constante.Por ejemplo, el hielo a 0 °C y 1 atm de presión puede absorber 6014.4 kJ/kg mol.A este cambio de entalpía se le llama calor latente de fusión. 51
  52. 52. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos QuímicosCuando una fase líquida pasa a fase vapor con su presión de vapor a temperaturaconstante, se debe agregar cierta cantidad de calor que recibe el nombre de calorlatente de vaporización.Para el agua a 25 °C y una presión de 23.75 mm de Hg, el calor latente es 44 020kJ/kg mol. Por consiguiente, el efecto de la presión puede despreciarse paracálculos de ingeniería. Sin embargo, el efecto de la temperatura sobre el calorlatente del agua es bastante considerable; además, el efecto de la presión sobre lacapacidad calorífica del agua líquida es pequeño y puede despreciarse.EJEMPLO 9: Determine los cambios de entalpía (esto es, las cantidades de calorque deben añadirse) en cada uno de los siguientes casos en unidades SI y delsistema inglés.a) Calentamiento de 1 kg (lb,) de agua: de 21.11 °C (70 °F) a 60 °C (140 °F) a101.325 kPa (1 atm) de presión.b) Calentamiento de 1 kg (lb,) de agua: 21.11 °C (70 ºF) a 115.6 °C (240 ºF) yvaporización a 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs).c) Vaporización de 1 kg (lb,) de agua a 115.6 °C (240 °F) y 172.2 kPa (24.97lb/pulg2 abs).Solución:En la parte a), el efecto de la presión sobre la entalpía del agua líquida esdespreciable. De tablas de vapor del agua A 21.11 °C = 88.60 kJ/kg o a 70 ° F = 38.09 btu/lb, A 60 °C = 251.13 kJ/kg o a 140 °F = 107.96 btu/lb,El cambio de H = ΔH = 251.13 - 88.60 = 162.53 kJ/kg = 107.96 - 38.09 = 69.87btu/lb,En la parte b), de las tablas de vapor se encuentra que la entalpía a 115.6 °C (240ºF) y 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs) de vapor saturado es 2699.9 kJ/kg o 1160.7btu/lb,El cambio de H = ΔH = 2699.9 - 88.60 = 2611.3 kJ/kg= 1160.7 - 38.09 = 1122.6btu/lbEl calor latente del agua a 115.6 °C (240 °F) en la parte c) es 2699.9 - 484.9 =2215.0 kJ/kg=1160.7 - 208.44 = 952.26 btu/lb.Lección 10. Fundamentos de costos de producciónPara tener éxito con un producto industrial se debe desarrollar siempre laestructura financiera por esto es muy importante definir y calcular el presupuestode producción, el cual, va desde la adquisición de la materia prima hasta latransformación de la misma, con la utilización de los recursos técnicos, 52

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