introducción a las opu (1)

Profesor Principal: Dr. Luis E. Arteaga-Pérez ([email protected])*Ayudantes: Ing. Oscar Gómez, Ing. Yainé Beltrán

*Universidad de Concepción. Unidad de Desarrollo Tecnológico (http://www.udt.cl/bioenergia/)

Curso: Procesos Químicos y Térmicos

Tema I: Introducción a las operaciones unitarias. Generalidades

mailto:[email protected]

http://www.udt.cl/bioenergia/

Sumario1. Introducción

1.1 Review de la Conferencia 1

2. Operaciones unitarias. Conceptos

2.1 Sistema, propiedad, estado y proceso

2.2 Clasificación de las operaciones unitarias

2.3 Caso de estudio: Destilación de crudo

3. Conceptos básicos para el diseño de operaciones

3.1 Magnitudes, Unidades y Dimensiones

3.2 Consistencia dimensional

4. Balances de masa y energía en unidades de proceso

4.1 Ley de conservación de la masa y la energía

4.2 Metodología para la solución de balances

4.3 Ejemplos

5. Literatura

6. Trabajo independiente (Guía 1)

Introducción

UTILIDADES

RECUP.TERMICA

SEPARACION

REACTOR

Conceptos Fundamentales

Sistema: “Conjunto íntegro de elementos ligados estrechamente que aparece como un todoúnico respecto a otro sistema. No existen en el universo objetos aislados unos de otros, todosestán interconectados. Esto es lo que se llama sistemas y subsistemas: un conjunto de elementosdiversos que poseen una estructura y cumplen determinada función”. Para su estudio, lossistemas se clasifican en:

Cerrado: no intercambia masa con el entorno Abierto: intercambia masa Aislado: no intercambia energía

Sistema Cerrado Sistema Abierto Sistema Aislado


Propiedad: Cualquier característica del sistema mensurable (presión, volumen, temperatura, etc.) ocalculable (densidad, contenido energético, etc.). La clasificación más común es en:

- Extensivas: su valor es aditivo. Dependen de la magnitud del sistema (masa, volumen, cantidad desustancia, entalpía específica, entropía específica, etc.)- Intensivas: su valor no es aditivo y no varía con la porción tomada para el análisis. Son generalmentemagnitudes relativas (temperatura, presión, densidad, volumen específico, etc.). Una propiedadextensiva puede ser convertida en intensiva, dividiéndola entre otra. Ej.: densidad = masa/volumen

Pueden utilizarse para caracterizar los estados en los sistemas.


Proceso: Cambio que opera un sistema entre dos o más estados. Se dice que el proceso es reversible si serealiza a través de estados de equilibrio termodinámico. Los procesos se clasifican además, de acuerdo a lavariación de las propiedades que los rigen: Isotérmico (T = cte), Isobárico (P = cte), Isocórico (V = cte),Adiabático (sin intercambio de calor) y Politrópico (ninguna propiedad se mantiene constante).

Estado 1

Estado 2

Ejemplos?

Producción de celulosa. Cuántos procesos y etapas?

Cosecha

Transporte

ChipeadoPulpa

Residuos

Industria


Aplicación al análisis de procesos: Ejemplo

1 2 3A B

C

D

E

F

Limite tres sistemas que permitan obtener información de la corriente D


Aplicación al análisis de procesos: Ejemplo

1 2 3A B

C

D

E

F

Limite tres sistemas que permitan obtener información de la corriente DCuántas entradas y salidas?

- Más adelante retomaremos estos conceptos y veremos su pertinencia para la cuantificación de parámetros de diseño en procesos

Clasificación de las operaciones UnitariasEn las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos,existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación semodifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posibleconsiderar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en unaserie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias soncomunes a todos los tipos de industrias de proceso.

Transporte de sólidos:

La misma función

Clasificación de las operaciones Unitarias

Concentración de soluciones: Evaporación


Flujo de fluidos Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluidode un punto a otro.

Compresor Bomba

VentiladorBomba


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.

Sondex Plate Heat Exchanger - Working Principle.mp4

Sondex Plate Heat Exchanger - Working Principle.mp4


Evaporación

Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la

evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no

volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.


Secado Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.

Secador spray (Biotecnología)

Secador de Bandejas(Alimentos/Madera)

Secador rotatorio(Biomasa)

GALAXIE Proceso de Secado spray.mp4


Destilación Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebulliciónbasada en las diferencias de presión de vapor (volatilidades relativas).

Destilación de crudo

Destilación de Etanol

EmpacadasPlatos

AzeotrópicaReactiva

Etc.

Distillation Column.mp4

Distillation Column.mp4


Absorción En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido.

Deshidrodesulfurización de gass en refinerías

Absorbedor de Amoniaco

• Diferentes absorbentes (Aminas,Agua, Aceites)

• Ocurrencia de reacciones químicas


Operaciones

Extracción L-L En este caso, el soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto conotro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución.

Adsorción En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado yadsorbido por un adsorbente sólido.

Lixiviación líquido-sólido Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelvey extrae un soluto contenido en el sólido.

Cristalización Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por precipitaciónde dicho soluto

Separaciones físico-mecánicas

Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales comofiltración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasificancomo operaciones unitarias individuales.

Buscar ejemplos…


Operaciones fundamentales:

Transferencia de momento lineal (Mecánica de fluidos): Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.

Transferencia de calor: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor quepasa de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado,evaporación, destilación y otras.

Transferencia de masa: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, vaporación, destilación y otras.

Transferencia de calor

Mecánica o flujo de fluidos

Transferencia de masa


Magnitudes, Unidades y Dimensiones

Conceptos básicos para el diseño de Operaciones

Las dimensiones son nuestros conceptos básicos de medición, como longitud, tiempo, masa,temperatura, etc. Las unidades son la forma de expresar las dimensiones, como metros o piespara la longitud, u horas o segundos para el tiempo.

Las reglas para manejar unidades son muy sencillas:

Manzanas Naranjas

Magnitudes, Unidades y Dimensiones


Sistemas de Unidades


1. Sistema Internacional

2. Sistema Inglés (pls)

3. Sistema cgs

4. Personalizados

Para convertir de un sistema a otro se utilizan factores de conversión. El conceptoconsiste en multiplicar cualquier número y sus unidades por razones adimensionalesdenominadas factores con el fin de obtener la respuesta deseada y sus unidadescorrespondientes. Los factores se encuentran usualmente en libros de ingeniería.

Magnitudes y Análisis Dimensional


Sistemas de Magnitudes: Un Sistema de Magnitudes Físicas está definido por un grupo mínimo depropiedades fundamentales que lo caracterizan. Todas las demás propiedades serán derivadas de lasdesignadas como fundamentales. A continuación se listan una serie de sistemas con sus MF fundamentales,par que sirvan de base a la discusión.

Nota: Lo importante no es aprender de memoria los sistemas, sino entender la filosofía de creación de losmismos.

Sistema Magnitudes Físicas fundamentales

Absoluto L, T, M,

Gravitacional L, T, F,

Ingeniería L, T, F, M,

Energía 1 L, T, M, E,

Energía 2 L, T, F, E,

Energía 3 L, T, M, F, E,

L: Longitud F: FuerzaT: Tiempo E: EnergíaM: Masa : Temperatura

Magnitudes y Análisis Dimensional


Ejemplo: Demuestre la consistencia dimensional de la ecuación para determinar el período de un péndulo simple:

Siendo: T (Período), g (aceleración), l (longitud), 2π (adimensional)

Aplicando las dimensiones y sustituyendo: T = [T]g = LT-2

L = L

Guía de estudioTI: Consultar en texto básico las magnitudes de uso frecuente en ingeniería (Temperatura, concentración, Cantidad).

Diferencia entre peso y masa?

Leyes de conservación

Balances de masa en Unidades de proceso

ACUMULACION = ENTRADA - SALIDA + GENERACION – CONSUMO

La aplicación de este principio a un proceso permite conocer las características del mismo. Los términos ENTRADA y SALIDA se refieren a la interrelación entre el Sistema y sus Alrededores. En un sistema

representativo de una operación industrial constituyen las corrientes que atraviesan las frontera o límites delmismo.

La GENERACION y el CONSUMO se refieren a procesos donde ocurren reacciones químicas. La existencia de ACUMULACION implica un comportamiento en ESTADO NO ESTACIONARIO, donde las

propiedades que rigen el sistema varía con el tiempo, un sistema sin acumulación se encuentra en ESTADOESTACIONARIO.



Masa (Acum.) = Masa (Ent.) – Masa (Sal) + Masa (Gener) – Masa (Cons)

BALANCE TOTAL: Analiza los elementos del principio general sin atender a la composición de losmismos. Para procesos con reacción química el planteamiento en unidades de cantidad desustancia no es recomendable, pues la misma no siempre aparece en igual proporción a amboslados de la reacción

BALANCE PARCIAL: Analiza uno sólo de los compuestos participantes o una especie química(elemento). El balance puede indistintamente plantearse en masa o cantidad de sustancia. Lostérminos que se toman como parcial pueden ser un compuesto o una especie química de acuerdoa los datos disponibles. Este compuesto se conoce como sustancia de unión o enlace y su balancetiene dos términos solamente.

Fracción molar = moles de un componente/moles de la mezclaFracción masa (peso) = masa (peso) de un componente/masa (peso) de la mezcla


Balances de masa en Unidades de procesoPrograma de análisis

La solución de un problema empleando Balances de Masa se puede facilitar siguiendo una metodología propia de lasolución de cualquier problema, pero particularizando algunos aspectos individuales de esta técnica:1. Realizar un estudio pormenorizado de los datos con que se cuenta concluyendo con el establecimiento de un

sistema para el análisis donde se incluyen diagramas de flujo, datos, incógnitas, etc.2. Establecer el sistema de ecuaciones formado por todas las ecuaciones posibles, teniendo presente los siguientes

aspectos: Nunca se pueden plantear como sistema todos los balances, es decir, el total y los parciales, pues la suma de estos

últimos coincide con el total y se anula el sistema. Se plantea entonces uno menos de los posibles. Es posible que al concluir el planteamiento de los balances quede un sistema con más incógnitas que ecuaciones,

esta situación puede tener diversas soluciones, entre ellas: Suponer una base de cálculo para tomarla como referencia de los cálculos, siempre que no se conozca ninguna de

las corrientes. Buscar otras correlaciones que no constituyen balances de masa. Utilizar sistemas complementarios que permitan el completamiento del modelo con ecuaciones no existentes en

el sistema primario.1. Resolver el sistema de ecuaciones. Existe la posibilidad de que el sistema no tenga solución de acuerdo a los datos

disponibles

Aplicación de Balances de masa en sistemas complejos

En esquemas tecnológicos complejos existen corrientes de DESVIOS, RECICLOS y PURGAS que complican losanálisis y entonces se hace necesario la elección de varios sistemas de trabajo simultáneamente, cuando sepresenta esta situación cada sistema se trata individualmente y después se integran para una solución final.Aquí los puntos de mezcla y separación se utilizan como sistemas al igual que el resto del equipamiento.





Trabajo independiente: En un proceso se produce KNO3, el evaporador se alimenta con 1000 kg/h de unasolución que contiene 20% de KNO3 de solidos en peso y se concentra a 422 K para obtener una solución deKNO3 al 50% de solidos en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311 K, donde se obtienencristales de KNO3 al 96% de solidos en peso. La solución saturada que contiene 37.5% de KNO3 de solidos enpeso se recircula al evaporador. Calcule la cantidad de corriente de recirculación R en kg/h y la corriente desalida de cristales P en lb/min.

Evaporador422 K

Cristalizador311 K

Alim. 1000 kg/h

20% KNO3

Recic. R kg/h

37.5% KNO3

Salida. S kg/h

50% KNO3

Agua. W kg/h

Cristales. P kg/h

4% H2O


Balances de energía en Unidades de proceso

Energía (Acum.) = Energía (Ent.) – Energía (Sal) + Energía (Gener) – Energía(Cons)

Similar al principio de conservación de la masa:

ENERGIA

Acumulable1. Cinética (½m v2, ½ I w2, etc.). 2. Potencial (mgh, ½ k x2, etc.).3. Interna (u = cv dt)4. Entalpía (h = cp dt)

Transferible1. Trabajo W = P dV ó -V dP en sistemas cerrados o abiertos)2. Calor Q (depende del proceso)



Primera Ley de la Termodinámica:

Es la manifestación del Principio de Conservación de la Energía y su aplicación a un sistema concreto se conoce como Balance de Energía

E = -(H + Ec + Ep + ...) +Q –W -Hr

Tips• La entalpía se utiliza cuando se trabaja con sistemas

abiertos, la energía interna en sistemas cerrados.• El calor se toma con signo positivo cuando es ganado por

el sistema.• El trabajo se toma positivo cuando lo realiza el sistema.• El calor de reacción se define para reacciones

exotérmicas, es desprendido por el sistema y por tanto, aparece negativo en la expresión.

• La letra “E” se utiliza para la energía acumulable en función del tiempo. Para procesos en estado estacionario su valor es nulo.

• El operador representa salida - entrada, por eso en la expresión aparece con signo negativo para las formas de energía acumulable.



Primera Ley de la Termodinámica

Es la manifestación del Principio de Conservación de la Energía y su aplicación a un sistema concreto se conoce como Balance de Energía

E = -(H + Ec + Ep + ...) +Q –W -Hr

Aplicaciones del Balance de Energía

PROCESO EN ESTADO ESTACIONARIO: E = 0, Q – W = H +.....CALENTADOR, EVAPORADOR, CALDERA: Q = HTURBINA, COMPRESOR: W = -HREACTORES, HORNOS: Q = Hr

Evaluar formas de energía acumulable (Principalmente entalpía)

Propiedades Importantes (Bases de Datos)• Capacidad calorífica• Calores de cambio de fase• Calores de reacción



Análisis de sistemas que intercambian calor

Qg + Qc = 0

Análisis del intercambio: Qg + Qc = 0Aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica:Qg = H(Sistema 1) Qc = H (2)

Sistema Frío (1)

Sistema Caliente (2)

Sistema Frío (2)

Sistema Caliente (1)



Ejemplo 1: Resolver en Pizarra

2000 L/h de leche para fabricación de queso (V1) se ha de calentar desde 4ºC hasta 34ºC utilizando agua caliente (V2)

a 50ºC. Considere las siguientes propiedades:

Datos

La densidad (ρ) y el Cp de la leche se de 1020 kg/m3 y 3.95 KJ/kg.K y para el agua 990 kg/m3 (a 50ºC) y 4.18 KJ/kg.K.

Asuma que el agua sale a 25 Cº.

Considerando que el Cp del agua se mantiene constante, calcule el caudal necesario:

XMP_1.pdf


Balances de masa y energía en Unidades de proceso

Ejemplo 2: Resolver en Pizarra

Un evaporador concentra una solución salina de NaOH en agua desde 17,5 hasta 37,5 % peso. La alimentación tiene

una temperatura de 38 0C y se introduce a razón de 500 kg/h. El calor para el proceso proviene de vapor saturado a p

= 1 atm y el agua condensada sale saturada. Determine el flujo de vapor (kg/h) si se desprecia la elevación del punto

de ebullición y existen 10 % de pérdidas caloríficas.

Búsqueda de datos en fuentes especializadas-E m = 9 717 cal/mol, cp(solución) = 0,82 cal/g.K, T(ebullición) = 100 0C, M = 18

XMP_2.1.pdf

XMP_2.2.pdf

CONCLUSIONESConsultar: Guía de Estudio 1

Básica

1. Kirk & Othmer, “Enciclopedia de Tecnología Química”, 3º Ed.

2. Austin, G., “Manual de procesos químicos en la industria”, 5ª Ed., Mc Graw- Hill, 1997.

3. Mc Cabe W., Smith J., Harriot P., “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”, Mc Graw- Hill, 1995.

4. Incropera F.P., De Witt. 1999. Fundamentos de Transferencia de Calor. New York: John Wiley and Sons.

5. Kern D. 1990. Procesos de Transferencia de Calor. México: Editorial Continental.

6. Levenspiel, O. 1998. Flujo de fluidos e intercambio de calor. Editorial Reverté.

Complementaria

1. Zaror, Claudio, “ Introducción a la ingeniería ambiental para la industria de procesos”, Editorial Universidad deConcepción, 2002.

2. Perry, R.H., “Manual del Ingeniero Químico”, 6ª Ed., Mc Graw- Hill, 1992.

3. Costa J., Cervere, S., Cunill P., “Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos detransporte”, Editorial Reverté S.A, 1994.

4. Hougen O., Watson, K., Ragatz, R., “Principio de los procesos químicos”, Parte I, Editorial Reverté S.A, 1964.

5. Himmelblau D., Principios y cálculos básicos de la Ingeniería Química, Prentice Hall, 1974.

6. Felder, R., Rousseau, R., “Elementary principles of chemical process”., John Wiley and Sons, 1978.

Literatura

introducción a las opu (1)

Documents