Download - Fundamentos de Procesos Industriales
Hoy en día, el hombre en búsqueda de un mejor nivel de vida
transforma la naturaleza para obtener productos y servicios
considerados indispensables para su existencia. Algunos ejemplos
relacionados con la transformación de recursos naturales y de
materia se presentan en Ias figuras a continuación.
Sin embargo, Ia transformación de la naturaleza o parte de ella para
obtener productos y/o servicios, requiere tener en cuenta entre otros
factores los siguientes:
Bienestar en el ambiente de trabajo
Procesos de producción a bajo costo
Materias primas adecuadas
Consumos mínimos de energía
Conservación del medio ambiente
Los procesos en los cuales estos factores son agrupados en su totalidad
se conocen como procesos de Producción más Limpia (PML) y
Desarrollo Sostenible.
En la búsqueda tanto de cumplir con el conjunto de los factores
mencionados, como de controlar y mejorar los procesos para obtener
productos de óptima calidad y mejorar los procesos encajando dentro de
un desarrollo sostenible y aprovechando las posibilidades de procesos
de producción más limpia; el hombre pretende reproducir los fenómenos
tal como ocurren en la naturaleza procurando hacer “nulo” el efecto
adverso producido por la transformación.
Así, el hombre desde hace algún tiempo atrás empezó a estudiar Ia
naturaleza, dedujo algunos principios, formuló algunas leyes
fundamentales y con base en todos ellos trata de mitigar los efectos
adversos de mejorar sus productos. Sin embargo, la aplicación de
leyes o principios no puede realizarse globalmente. Para estudiar
cualquier problema es necesario aislarlo y establecer su
comportamiento.
“La predicción de los efectos de una situación anómala no puede
predecirse sin el conocimiento de sus causas”. Por tanto para el
estudio de los procesos de transformación es necesario realizar: un
aislamiento del proceso bajo estudio, una cuantificación y deducción
de los efectos anómalos presentes y finalmente la aplicación de los
correctivos necesarios.
Un sistema es toda porción de Ia naturaleza aislada imaginariamente
por el hombre para su estudio. Tanto la determinación de Ias
interacciones del sistema con los alrededores como en el caso
contrario; de los alrededores con el sistema; son un aspecto básico a
considerar.
Una vez aislado imaginariamente el sistema se deben establecer
todas las posibles interacciones con los alrededores. Para lo cual es
necesario analizar los sistemas desde diferentes puntos de vista
considerando sus características.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMASLos sistemas se clasifican de acuerdo a cinco puntos de vista de Ia
siguiente manera:
1. POR SU COMPORTAMIENTO: SISTEMAS IDEALES Y
REALESLos sistemas ideales corno tal no existen en la naturaleza. Sin
embargo, tienen una gran importancia ya que a partir de esos se
establecen los puntos de comparación o de referencia para el
estudio de los sistemas reales.
Por lo tanto todos los sistemas presentes en la naturaleza que
delimitemos para someter a un estudio son sistemas reales.
Algunos ejemplos de sistemas son:
- Planta de producción de papel
- Planta de producción de azúcar
- Producción de vapor en una caldera
- Planta de Molinos
- Planta de Pulpa
2. POR SU TAMAÑO: SISTEMAS MACROSCÓPICOS Y
MICROSCÓPICOSLos sistemas observables a simple vista se denominan sistemas
macroscópicos; por ejemplo, una hoja de papel. Mientras que, un sistema
microscópico es aquel determinado por sus dimensiones a nivel
molecular (del orden de micras y aún más pequeños); por ejemplo, una
molécula de celulosa. La agrupación de varios sistemas microscópicos
conforman un sistema macroscópico.
3. POR SU CONFORMACIÓN: SISTEMAS HOMOGÉNEOS Y
HETEROGÉNEOS
Los sistemas homogéneos son aquellas porciones de materia
que. a simple vista, parecen ser una sola clase de materia.
Cuando es posible diferenciar aspectos diferentes (tales como
color, estado, olor) en los diferentes puntos de una porción de
materia se tiene un sistema heterogéneo.
En el caso de sistemas homogéneos se puede hablar de
medios continuos (o fases) y en el caso de sistemas
heterogéneos de medios discontinuos.
También, se puede mencionar que en un medio discontinuo
existen separaciones entre sus diferentes partes. A estas partes
se les denomina “interfases”.
Un ejemplo de sistema heterogéneo corresponde a la mezcla
de pulpa más agua. Y así mismo, ejemplos de sistemas
homogéneos pueden ser: un tinto y una hoja de papel.
4. POR SU INTERCAMBIO DE MATERIA: SISTEMAS CERRADOS
Y ABIERTOSSe conoce como sistema abierto a aquel en el cual ocurre transferencia de
materia desde o hacia el interior del mismo a través de los limites del
sistema. Y un sistema se considera cerrado, cuando no existe intercambio
de materia entre el sistema y los alrededores. Esto es, no existe entrega de
materia del sistema a los alrededores ni recibo de materia proveniente de los
alrededores al sistema.
5. POR SU INTERCAMBIO DE ENERGÍA: SISTEMAS AISLADOS
Y NO AISLADOS.Cuando existe una cantidad de calor o de trabajo que pueda entrar o salir
del sistema se dice que este sistema está intercambiando energía con los
alrededores por lo tanto se considera un sistema no aislado. En caso de que
en un sistema cerrado no exista ningún intercambio ni de calor ni de trabajo
entre el sistema y los alrededores el sistema se considera aislado. Decir que
tipo de sistema es:
a. Smurfit - Cartón Colombia
b. Este salón de clase
c. Cada uno de nosotros
d. La planta de molinos
MEDICIÓN DE LOS SISTEMAS
Medir un sistema significa asignar valores cualitativos y/o
cuantitativos a Ias variables y propiedades de los materiales y
energías que conforman el sistema.
Para asignar estos valores se debe recurrir al uso de los
instrumentos de medición y así mismo, al hablar de
instrumentos de medición se debe tener en cuenta que existen
los siguientes conjuntos de valores:
Valores que son solo función del estado real del sistema e
independientes de la manera como se llegó a ellos y se
denominan: Variables de estado. Por otra parte están los
valores que son función de la trayectoria seguida, conocidos
como: Variables de proceso. Y los valores que son función de la
materia presente en el sistema, denominados: Propiedades.
VARIABLES DE ESTADOComo se mencionó anteriormente, las variables de estado solo dependen
como su nombre lo indica del estado del sistema, lo cual implica que la
determinación cuantitativa nos mide el sistema. Entre Ias variables de
estado se pueden mencionar:
1. MASA. La masa hace referencia a la cantidad de sustancia de un
sistema. Generalmente se expresa en libras [lb] o gramos [g]. Cuando se
tiene una cantidad muy grande de masa se recurre a los múltiplos de 10 y
cuando se tienen cantidades muy pequeñas a los submúltiplos.
Como se puede observar toda variable ya sea de estado, de proceso o
una propiedad, está compuesta de dos partes:
Parte numérica Parte Dimensional
La parte numérica hace referencia a la cantidad y la parte dimensional
hace referencia al patrón de medida y/o al sistema de medición empleado.
2. COMPOSICIÓN
Esta variable expresa Ia cantidad relativa de Ias sustancias
que conforman una mezcla o solución.
Algunas formas de definir la composición son:
Fracción en peso o masa
Relación en peso o masa
Humedad absoluta
pH es una medida que permite determinar la concentración
de especies químicas de carácter ácido o básico en una
solución. El intervalo de medición del pH se encuentra en
una escala de 1 a 14, para el cual el valor intermedio (7)
corresponde al valor del agua absolutamente pura o punto
neutro.
El intervalo de valores menores que el punto neutro
determina el carácter ácido de la solución, mientras que el
intervalo de valores mayores que el punto neutro determina
el carácter básico de la solución.
DENSIDAD
La densidad puede ser usada para medir la composición de unamezcla de dos componentes si se tiene una curva de calibraciónestablecida previamente.
El instrumento de medida más usado es el aerómetro. Esteinstrumento consiste en un tubo de vidrio con una carga debolitas metálicas y una escala graduada dependiendo de que eslo que se mide. También se usa el Densitómetro. Por ejemplo:
° Brix: Utilizados en la industria azucarera; mezclas de azúcar enagua.
° Gay Lussac: Utilizados en Ia industria licorera; mezclas etanol enagua).
° API: Utilizados en la industria petrolera.
De acuerdo con Ias definiciones de densidad y volumen especifico se
puede decir que:
Existen sustancias y mezclas que tienen densidades menores ô
mayores que la del agua, por lo tanto se requiere en cada caso usar el
aerómetro indicado para la medición de esta variable considerando
tanto su escala como su magnitud. De manera correspondiente a la
densidad puede recurrirse al volumen especifico de una sustancia o
mezcla de sustancias para expresar el volumen ocupado por unidad de
masa de Ia sustancia o mezcla.
Viscosidad
Se dice que la viscosidad es la resistencia que presenta la materia a fluir.
Imagínese que sobre una lámina de vidrio o de metal se coloca una gota de
agua. La lámina se levanta por uno de sus bordes (si va a realizar el
experimento en casa: mida Ia altura que alcanza el borde por el que usted
levanta Ia lámina) hasta cuando Ia gota comienza a desplazarse.
Este experimento permite deducir algunos hechos que se generalizan en
términos matemáticos y conducen a criterios de selección de bombas,
tuberías y accesorios para el movimiento de los fluidos.
b. Si se realiza el mismo experimento con una gota de aceite (por
ejemplo: aceite de cocina), se observará que la altura H alcanzada por
la lámina es mayor. Lo cual indica que el aceite se mueve más
lentamente que el agua y Ia gota se deforma menos.
Algunos de estos hechos son:
a. Cuando Ia gota comienza a “deslizar’ se observa que alguna porción
de esta queda pegada a Ias paredes de Ia lámina. Es decir, la sustancia
no rueda como una gota, ella se deforma y la capa superior se desliza
más rápidamente que Ias capas inferiores
c. Y por último, otro hecho que se puede mencionar es que el aceite se
adhiere más fuertemente a la lámina. Se puede entonces concluir que
las sustancias presentan diferente fricción dada Ia superficie que las
soporta.
Los aspectos mencionados anteriormente indican que para poder mover
un fluido desde un punto a otro se requiere de mas o menos energía
dependiendo del fluido y del material que está construido el tubo o quien
soporta al fluido.
El hecho de que las moléculas de agua se deslicen más fácilmente que
Ias de aceite. Es Ia propiedad denominada VISCOSIDAD, la cual tiene
valores diferentes dependiendo de Ia sustancia a la que se refiere.
La viscosidad generalmente se expresa en unidades correspondientes a
centipoise [cPI. Esta propiedad para el agua pura a 4 °C y 1 atm de
presión es
3. LONGITUD
La longitud hace referencia a la distancia que separa dos puntos. Se expresa
frecuentemente en pies o metros. También se emplean los múltiplos y
submúltiplos de 10 para expresar longitudes muy grandes o muy pequeñas
respectivamente. Algunas equivalencias en longitud son:
4. TIEMPO
Se mide en horas, minutos, segundos.
5. TEMPERATURA
Es una medida indirecta del contenido energético de una sustancia, este
contenido energético se llama energía interna y solo depende de la
estructura molecular, del movimiento de Ias moléculas y de los choques
entre ellas. Las escalas de temperatura pueden ser definidas en términos
algunas propiedades físicas de Ias sustancia ô en términos de fenómenos
físicos como la fusión y la ebullición que toma lugar a temperaturas fijas.
Las escalas de temperatura más comunes son definidas usando el punto
de fusión y el punto de ebullición del agua pura a una presión de 1 atm.
La temperatura absoluta mide el contenido energético desde un estado
de absoluto reposo de Ias moléculas.
Para Ia escala en grados Celsius [°C] Ia temperatura absoluta equivalente
se expresa en Ia escala Kelvin [K]
T(K) = T(°C) + 273. 15
y para Ia escala Fahrenheit [°F) en grados Rankine
T(R)=T(°F)+459.67
Además pueden correlacionarse una y otra escala y los intervalos de
temperatura pueden expresarse considerando los siguientes lectores de
conversión:
∆T (K) = ∆T (°C)
∆T (R) = ∆T (°F)
∆T (R) = 1.8 ∆T (K)
6. PRESIÓN
Es una medida de Ia fuerza por unidad de área con que Ias moléculas
chocan contra la superficie del recipiente que las contiene; es muy
frecuente en este caso hablar de presión manométrica. Se expresa en
unidades correspondientes a psi, atm, Pa. Para establecer Ia equivalencia
entre estas unidades de presión debemos recurrir al experimento de
Torricelli.
Matemáticamente la presión se define como
El instrumento más usado para medir la presión es cl manómetro
Bourdon. El manómetro Bourdon consiste en un tubo metálico aplanado,
enrollado en forma de C; el cual tiene uno de sus extremos sellados y
por el otro extremo se conecta al equipo en el punto que se quiere
evaluar la presión. A medida que Ia presión aumenta, el tubo tiende a
estirarse causando el movimiento de una aguja sobre una escala
graduada mediante un mecanismo de piñones. La posición de la aguja
sobre Ia escala calibrada corresponde a la presión manométrica del
fluido.
Sin embargo, en algunos casos es necesario registrar la presión absoluta (en
el caso de gases o vapores). En estos casos Se recurre a Ia siguiente
definición
Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica
La presión atmosférica es la fuerza ejercida por una columna de aire de
altura igual a Ia de la atmósfera, sobre un área de un cm². Al nivel del mar
esta presión corresponde a 760 mm Hg = 101.33 kPa = 14.696 psi
A medida que ascendemos sobre el nivel del mar, la presión atmosférica
disminuye y esto hace que cambien en forma notoria algunas propiedades,
por ejemplo:
El punto de ebullición de los líquidos; en Bogotá el agua ebulle a ~ 94 °C,
mientras que en Cali el agua ebulle a ~96°C y en Barranquilla a ~100 °C.
Para cada uno de estos lugares las presiones equivalentes corresponden a
600 mm Hg, 680 mm Hg y 760 mm Hg respectivamente. Algunos factores de
conversión
Cuando se reporta Ia presión manométrica se escribe psig, atm, kPa;
para reportar una presión absoluta: psi, atm abs, kPa abs. Sin
embargo, los factores de conversión entre los diferentes sistemas de
medición son los mismos.
Algunas operaciones en la industria requieren condiciones de presión
por debajo de Ia presión atmosférica (presión de vacío). No puede
existir una presión de vacío por debajo de “cero”; el máximo valor para
una presión de vacío es igual a la presión atomística (el cual no se
puede alcanzar en ningún punto de la tierra).
Diferencial de Presiones. Tal como su nombre lo indica, se trata de la
diferencia de presión que se mide entre dos puntos. En algunas
oportunidades esta diferencia se aplica por medio de algún dispositivo
y en otras es el resultado de alguna energía dadas las características
de operación de un equipo.
Ejemplos:
1. Para elevar un liquido o una mezcla desde una altura determinada
hasta un punto más alto, se requiere suministrar Ia energía
necesaria para vencer el peso del fluido y los efectos de la fricción
entre el fluido/mezcla. Hay necesidad entonces de usar bombas,
sopladores, ventiladores, compresores
2. El agua de enfriamiento que pasa a través de un tortuoso camino
(por entre los tubos de un intercambiador de calor) pierde parte de
su energía y por lo tanto Ias moléculas a la salida de ese tortuoso
camino chocan con menos fuerza. En este caso el fluido debe entrar
con mayor presión.
7. CALOR ESPECÍFICO
Es la cantidad de calor que es necesario suministrar / retirar a una unidad de
masa para aumentar/disminuir en un grado Ia temperatura de una sustancia,
sin cambio de fase. El calor específico se expresa como Cp, y para el agua
a 4 °C su valor es
Esta propiedad es muy importante en el cálculo de la cantidad de energía
que es necesaria suministrar / retirar a un fluido o mezcla para calentarla /
enfriarla respectivamente.
Ejemplo: ¿Cuánta energía se debe suministrar a 10 lb de agua para llevarlas
desde 30 °C a 80°C?. De acuerdo con la definición de calor específico
8. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Es una propiedad de Ia materia que indica Ia facilidad o resistencia al
flujo de energía calórica. Se representa por K y tiene unidades de
Para los metales el valor de esta propiedad es relativamente alto. Lo
cual indica que los metales son buenos conductores de calor, razón por
la que cuando se transporta vapor de agua en una tubería, es necesario
aislarla para evitar la pérdida de energía hacia el ambiente. Ya que en
caso contrario Ia caldera (planta de fuerza) trabajaría con mucho
consumo de combustible. Por el contrario cuando se habla de aislantes
se hace referencia a materiales que tienen muy poca conductividad
térmica. Algunos valores de conductividad térmica corresponden a:
ENERGÍA Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍAComo se había mencionado anteriormente, el ser humano se enfrenta a
Ia necesidad de medir los efectos producidos en un determinado sistema
cuando los alrededores actúan sobre él o viceversa para establecer el
orden de magnitud de Ia relación CAUSA-EFECTO.
Toda interacción sistema-alrededores o alrededores-Sistema conlleva a
cambios en los estados energéticos, razón por la cual se establecerá la
definición de energía, sus diferentes formas y como se transfiere desde o
hasta un sistema.
ENERGIASe define como La capacidad de un cuerpo para producir trabajo o
calor. Algunos ejemplos prácticos y de gran utilidad que existen en
la naturaleza son:
1. Caída de agua: puede ser usada para mover las aspas de un
molino. En este caso se aprovecha la energía que posee el agua
ubicada a una altura respecto a la ubicación de Ias aspas.
2. Combustión de Gasolina en el motor de un vehículo: al
quemarse Ia gasolina se forman gases a alta presión los cuales
al estar confinados en un pequeño volumen (sistema cilindro-
pistón) hacen que el cilindro se desplace y a través de una biela
se hace rotar un eje. Se aprovecha Ia energía química contenida
en la gasolina.
3. Juego de Billar: A una bola quieta se le aplica un golpe, esta
adquiere una velocidad, la cual “bien dirigida” golpea a otra bola
haciendo esto que Ia segunda bola se empiece a mover. Se
aprovecha la velocidad que lleva Ia primera bola para hacer que
haya movimiento en Ia segunda bola.
4. Una nevera en funcionamiento (caso del congelador): el
refrigerante se descomprime en la válvula de expansión
haciendo que el gas disminuya su temperatura (disminución de
Ia energía interna). Los alimentos guardados en el congelador
ceden energía interna al gas, hay disminución de la
temperatura de los alimentos. Se aprovecha la diferencia de
temperatura entre los alimentos y el gas.
5. Bombillo alumbrando: Una corriente eléctrica pasa a través del
filamento del bombillo. Este filamento debido a su alta
resistencia eléctrica se calienta hasta alcanzar un punto de
luminiscencia. Se aprovecha Ia diferencia de voltaje aplicado
entre los dos puntos del filamento.
6. Una bomba centrífuga en funcionamiento: el sistema bobina-
rotor transforma Ia energía eléctrica en movimiento de un eje el
cual se transmite hasta el impeler (rodete o turbina) e impulsa
el fluido que está en el sistema carcaza-impeler y se aumenta
la presión de dicho fluido. Se aprovecha la velocidad del
impeler.
Los anteriores ejemplos permiten aclarar algunas cosas: La energía por
sí sola es una conceptualización matemática para describir el estado de
un sistema. Todo tipo de energía está asociado a un aprovechamiento
de dicha energía transformándola para su uso. Para aprovechar la
energía es necesario que el sistema y el ambiente interactúen. Se debe
permitir que Ia energía se transfiera desde o hacia el sistema. Las
formas básicas en que existe transferencia de energía son: Calor y
Trabajo.