332569 Procesos Quimicos Modulo 2011

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didctico del curso Procesos Qumicos

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIAS E INGENIERIAS

332569 PROCESOS QUIMICOS

ING. WILLIAM EDUARDO MOSQUERA LAVERDE

(Director Nacional)

DRA.NUBIA SALAZAR

(Acreditadora)

BOGOTA D.C.

Agosto de 2011


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INDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCION

UNIDAD 1. CONCEPTOS BASICOS Y OPERACIONES CON FLUIDOS Capitulo 1. GENERALIDADES Leccin 1. Definicin de proceso qumico Leccin 2. Diseo de un producto qumico Leccin 3. Como determinar cunto se debe producir. Leccin 4. Clasificacin de las operaciones unitarias Leccin 5. Procesos fundamentales de transporte Capitulo 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Leccin 6. El sistema de unidades Leccin 7. Leyes de los gases y presin de vapor Leccin 8. Conservacin de la masa y balances de materia Leccin 9. Conservacin de energa y balances de calor Leccin 10. Fundamentos de costos de produccin Capitulo 3. OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS Leccin 11. Caractersticas de los fluidos Leccin 12. Propiedades de los fluidos Leccin 13. Ecuacin de continuidad Leccin 14. Ecuacin de Bernoulli. Leccin 15. Aplicacin en procesos industriales para fluidos. Autoevaluacin de la unidad 1. UNIDAD 2 OPERACIONES CON SOLIDOS Y FENOMENOS DE TRANSFERENCIA CAPITULO 4. OPERACIONES UNITARIAS CON SOLIDOS Leccin 16. Reduccin de tamao. Leccin 17. La operacin de cribado Leccin 18. Separaciones mecnicas Leccin 19. Diseo de equipos para operacin y medicin de slidos. Leccin 20. Aplicacin de las operaciones con slidos en procesos industriales CAPITULO 5. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Leccin 21. Mecanismos de transferencia de calor. Leccin 22. Procesos trmicos. Leccin 23. Diseo de equipos y medicin de transferencia de calor


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Leccin 24. Aplicacin de las operaciones de transferencia de calor procesos industriales. CAPITULO 6. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA. Leccin 25. Difusin Leccin 26. Operaciones de transferencia de masa. Leccin 27. Diseo de equipos y medicin de transferencia de masa Leccin 28. Aplicacin de las operaciones de transferencia de masa en procesos industriales. CAPITULO 7. ANALISIS FINANCIERO EN UN PROCESO QUIMICO Leccin 29. Estados financieros y Anlisis financiero bsico en proceso productivo. CAPITULO 8. PETROQUMICA Leccin 30. El petrleo y sus derivados. Autoevaluacin de la unidad 2. BIBLIOGRAFIA


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LISTADO DE TABLAS


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LISTADO DE GRFICOS Y FIGURAS


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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didctico del curso acadmico: Procesos qumicos fue

diseado inicialmente en el ao 2006 por el Ing. Germn Augusto Castro, docente

temporal de la UNAD, ubicado en el Sede nacional Mutis. Es Ingeniero Qumico.

Las actualizaciones las ha desarrollado el I.Q. William Eduardo Mosquera Laverde

Ingeniero qumico de la Universidad Nacional de Colombia del ao 1993,

Especialista en Educacin superior a distancia de la UNAD en el ao 2009 y

maestrante en gestin y auditorias en tecnologa e ingeniera ambiental de la

Universidad de Len- Espaa. Se ha desempeado como tutor de la UNAD desde

el 2005 hasta la fecha.

El contenido didctico ha tenido dos actualizaciones: las dos desarrolladas

por el Ing. Mosquera en los aos 2008 y 2010 quien se desempea actualmente

como director del curso a nivel nacional.

La version del contenido didctico que actualmente se presenta tiene como

caractersticas: 1) Incorpora nuevos contenidos relacionados con la Unidad 1,

pues en la versin anterior solo enfatizaba en los procesos unitarios y ahora se

enfatiza en el diseo del producto y los costos de produccin. 2) Profundiza en la

unidad 2 en los procesos petroqumicos y los anlisis financieros bsicos para

determinar la viabilidad del producto qumico.

La Dra. Nubia Salazar, tutora del CEAD Duitama, apoy el proceso de

revisin de estilo del contenido didctico e hizo aportes disciplinares, didcticos y

pedaggicos en el proceso de acreditacin del material didctico desarrollado en

el mes de Julio de 2011.


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INTRODUCCIN

El modulo de procesos qumicos esta desarrollado con el fin que el estudiante de

tecnologa e ingeniera ambiental adquiera las habilidades necesarias para poder

identificar las diferentes operaciones unitarias y los equipos necesarios para un

proceso productivo en una empresa industrial, adems se pretende en la primera

unidad dar las herramientas para conceptualizar un proceso qumico, las

definiciones bsicas con todos los elementos para obtener las cantidades

necesarias en materiales y requerimientos energticos con los clculos de los

balances de calor y energa, igualmente que lograr conocer los costos necesarios

para el montaje de un proceso productivo, adicionalmente de mirar las

operaciones unitarias con fluidos y sus caractersticas.

En la segunda unidad se estudiaran cuatro temticas esenciales en los procesos

qumicos que se pueden ver en la ingeniera industrial como son las operaciones

con slidos y sus equipos, especificacin de los fenmenos de transferencia de

calor y masa, los fenmenos de la petroqumica tan necesaria en nuestra vida

cotidiana actual y por ltimo el anlisis financiero bsico para lograr determinar la

viabilidad de un proceso productivo.

Todo lo anterior para acercarnos a los curso de diseo y aplicar los cursos de

procesos, mediciones, dibujo tcnico, componente financiero, etc. Con el fin de

lograr la integralidad de los cursos del programa.


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UNIDAD 1

Nombre de la Unidad

Conceptos Bsicos y Operaciones con Fluidos

Introduccin

Justificacin

Intencionalidades Formativas Los propsitos, los objetivos, las metas a lograr y las competencias de aprendizaje

Denominacin de captulo 1 Generalidades

Denominacin de Leccin 1 Clasificacin de las operaciones unitarias

Denominacin de Leccin 2 Diseo de un producto qumico

Denominacin de Leccin 3 Como determinar cunto se debe producir

Denominacin de Leccin 4 Clasificacin de las operaciones unitarias

Denominacin de Leccin 5 Procesos fundamentales de transporte

Denominacin de captulo 2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Denominacin de Leccin 6 El sistema de unidades

Denominacin de Leccin 7 Leyes de los gases y presin de vapor

Denominacin de Leccin 8 Conservacin de la masa y balances de materia

Denominacin de Leccin 9 Conservacin de energa y balances de calor

Denominacin de Leccin 10 Fundamentos de costos de produccin

Denominacin de captulo 3 OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS

Denominacin de Leccin 11 Caractersticas de los fluidos

Denominacin de Leccin 12 Propiedades de los fluidos

Denominacin de Leccin 13 Ecuacin de continuidad

Denominacin de Leccin 14 Ecuacin de Bernoulli

Denominacin de Leccin 15 Aplicacin en procesos industriales para fluidos

UNIDAD 2

Nombre de la Unidad OPERACIONES CON SOLIDOS Y FENOMENOS DE TRANSFERENCIA

Introduccin

Justificacin

Intencionalidades Formativas Los propsitos, los objetivos, las metas a lograr y las competencias de aprendizaje

Denominacin de captulo 4 OPERACIONES UNITARIAS CON SOLIDOS

Denominacin de Leccin 16 Reduccin de tamao.

Denominacin de Leccin 17 La operacin de cribado


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Denominacin de Leccin 18 Separaciones mecnicas

Denominacin de Leccin 19 Diseo de equipos para operacin y medicin de slidos.

Denominacin de Leccin 20 Aplicacin de las operaciones con slidos en procesos industriales

Denominacin de captulo 5 FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Denominacin de Leccin 21 Mecanismos de transferencia de calor.

Denominacin de Leccin 22 Procesos trmicos

Denominacin de Leccin 23 Diseo de equipos y medicin de transferencia de calor

Denominacin de Leccin 24 Aplicacin de las operaciones de transferencia de calor procesos industriales.

Denominacin de captulo 6 FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA

Denominacin de Leccin 25 Difusin

Denominacin de Leccin 26 Operaciones de transferencia de masa.

Denominacin de Leccin 27 Diseo de equipos y medicin de transferencia de masa

Denominacin de Leccin 28 Aplicacin de las operaciones de transferencia de masa en procesos industriales.

Denominacin de captulo 7 ANALISIS FINANCIERO EN UN PROCESO QUIMICO

Denominacin de Leccin 29 Estados financieros y Anlisis financiero bsico en proceso productivo.

Denominacin de captulo 8 PETROQUMICA

Denominacin de Leccin 30 El petrleo y sus derivados.


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UNIDAD 1. Conceptos Bsicos y Operaciones con fluidos

Fuente:http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0378-18442005001100006&script=sci_arttext

INTRODUCCIN: Esta unidad desarrollar, las bases necesarias y recopilacin de informacin para llevar a cabo el curso de procesos qumicos, en la unidad se recordar las bases de qumica general en el manejo de estequiometria y gases ideales.

En el siguiente captulo empezar el estudiante a desarrollar el manejo de operaciones unitarias para los fluidos, adems de los tipos de equipos necesarios.

Por ltimo se observar fundamentos de costos de produccin y se estudiaran algunas industrias que tiene manejo de fluidos.

OBJETIVO GENERAL:

Dar a conocer a los estudiantes una vista general de los procesos qumicos que manejen fluidos, sus caractersticas y los conceptos bsicos que permitan manejar el vocabulario necesario en el curso.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

- Conocer los conceptos bsicos para las operaciones necesarias en los procesos qumicos.

- Desarrollar los manejos tericos para los requerimientos de materiales en un proceso qumico.

- Diferenciar entre los diferentes diagramas de bloques, operaciones y de flujo usados en procesos.

- Conocer las diferentes operaciones unitarias con fluidos en la industria.


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- Observar algunos procesos qumicos donde se operen fluidos.

- Recordar los fundamentos de costos de produccin para el diseo de un proceso qumico en la industria en general.

COMPETENCIAS: El estudiante despus de estudiar la unidad deber ser competente en los balances de materia necesarios para la elaboracin de un producto. Tambin en las condiciones de operacin para el manejo de gases.

Diferenciar entre las diferentes clases de fluidos, las condiciones de trabajo y requerimientos de manejo de los mismos y equipos para su operacin. Determinar los costos primos necesarios para el diseo y viabilidad de un proceso qumico.

CAPITULO 1: GENERALIDADES

Fuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090002/docs_curso/pages/cap1/c1_4.htm

En este captulo el estudiante desarrollar los temas concernientes a conocer un proceso qumico, una operacin unitaria y el diseo bsico de una operacin aplicando lo aprendido en qumica general, fsica general, parte del componente financiero como son los costos y profundizar en los balances de materia en las siguientes temticas a desarrollar as:

- Definicin de producto.

- Clasificacin de las operaciones unitarias.

- Procesos fundamentales de transporte.


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- Diseo bsico de un proceso productivo.

Leccin 1. Definicin de proceso qumico

Para llegar a definicin de proceso primero debemos entender que en nuestro entorno existe un flujo constante de materia y/o energa. La relacin existente entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de materia y energa entre ambos. Estas relaciones se pueden evidenciar observando la relacin existente entre esquemas que tienen la intervencin del hombre y aquellas que se dan por si solas para obtener un producto que beneficie a todos, como se observa en la Figura 1.1.

Figura 1. Relacin de procesos naturales y artificiales. Fuente: http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00111.htm

Se distinguen dos tipos de procesos:

- procesos NATURALES: Aquellos que no tienen la intervencin del hombre, como pueden ser la funcin cloroflica, la accin de plantas y animales o la produccin orgnica de alimentos por agricultura.

- procesos ARTIFICIALES: Aquellos que tiene influencia del hombre y que dan como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza. Estos ltimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominados PROCESOS QUMICOS.

Por lo anterior se puede decir que para llegar a estos tipos de procesos, antes se debe tener muy en cuenta los tipos de productos qumicos que existen en la industria como son aquellos que tienen un proceso sencillo, mientras otros necesitan variedad de etapas para que el producto final tenga una aplicacin industrial y comercial; Entonces se definen las actividades bsicas de la industria qumica como primero la Extraccin de materias primas o productos bsicos,


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segundo la preparacin de intermedios y tercero y ltimo los productos terminados o finales.

Los productos qumicos bsicos: son aquellos que se emplean para la manufactura de otros productos ms complejos y como reactivos de otros procesos de fabricacin; estos son obtenidos a partir de materiales naturales, en grandes cantidades por lo tanto a un costo bajo. Algunos ejemplos de estos son los cidos, las sales, los alcoholes, solventes, etc.

Los productos qumicos intermedios: son productos bsicos antes de pasar a ser productos finales que deben tener transformaciones previas, estos no son de utilidad directa a un consumidor final, por lo general, son para la misma planta de proceso y son usados en la fabricacin de varios productos finales. Algunos ejemplos de estos son los fenoles que sirven para alguna variedad de solventes especializados, el cloruro de vinilo que sirve para la fabricacin de pinturas o fibras plsticas.

Los productos qumicos finales: son aquellos que tienen las caractersticas especficas tanto fsicas, como qumicas solicitadas por los clientes o consumidores, se procesan en menor cantidad que los dos anteriores y a un costo mayor. Algunos ejemplos de estos son: Los aromas, las pinturas, los colorantes, etc.

Segn lo anterior el concepto general de proceso se refiere a una transformacin de una o ms etapas una material en otro con una o ms salidas.

Figura 2. Proceso qumico bsico

Las entradas es lo que generalmente se denominan las materias primas que se encuentran en la naturaleza o vienen de un proceso anterior; Estos materiales dependiendo de su disponibilidad (escasos o abundantes) determinan el costo de los mismos. Entre algunos ejemplos tenemos el aire, el agua dulce y salada, los minerales, la vegetacin, el petrleo, el gas, etc.

Durante el proceso es donde se logra la transformacin o cambio de estas entradas, estos cambios pueden ser de tipo fsico, qumico o ambos, es aqu donde se presentan las operaciones unitarias, definiendo los tipos de equipos a emplear, los controles a determinar y las velocidades de transformacin.

ENTRADAS PROCESO SALIDAS


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Las salidas es donde se tiene el producto terminado o intermedio segn donde se encuentre el proceso en la gran unidad productiva, es donde se miden las calidades de lo obtenido y en donde a los materiales se les acumula el costo de transformacin como es la mano de obra y los indirectos de fabricacin como son los consumos energticos, degaste de equipos, etc.

El concepto de proceso es aplicable a todo tipo de labor o desarrollo, por ejemplo los procesos administrativos como expedir un pase de conduccin que requieren como entrada una serie de documentos y dentro del desarrollo general se incluyen etapas o tramites que finalmente conducen a obtener como salida o producto final el pase; otro ejemplo es la digestin que tiene como entrada los alimentos, como etapas intermedias estn la masticacin , el transporte por el tracto digestivo, la descomposicin y asimilacin los alimentos, para finalmente obtener como salidas la energa, las excreciones y las secreciones.

Como se puede ver el concepto de proceso es ya conocido y manejado tal vez hasta ahora con otros enfoques, en el caso particular que nos corresponde los procesos qumicos se pueden definir como el conjunto de operaciones qumicas y/o fsicas ordenadas a la transformacin de unas materias iniciales (alimentacin o materias primas) en productos finales diferentes llamados tambin materiales de salida o productos, subproductos y coproductos. Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composicin, est en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones.

La figura 2. Representa a grandes rasgos los componentes elementales de un proceso qumico, pero estos tienen otras derivaciones como se puede apreciar a continuacin.

Figura 3. Proceso qumico general.

Fuente: www.uc3m.es


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Como se puede ver en la figura 3. Los tres pasos bsicos se expanden dependiendo de la complejidad del proceso y el producto a fabricar, esta se observa que las entradas al proceso adems de la materia prima se necesita energa, y en las salidas se tienen no solo los productos, subproductos o co-productos, se debe disponer de los desechos, los cuales se deben determinar y evaluar su esquema de vertido. Y en el interior del proceso se involucran todos los necesarios para el cambio del material al producto deseado. Leccin 2. Diseo de un producto qumico

Para la elaboracin de un producto o proceso qumico es necesario conocer las

etapas que este debe cumplir antes de iniciar la produccin y evitar prdidas o

fracaso en el proyecto.

Figura 4. Etapas de diseo de un producto qumico. Fuente: www.uc3m.es

IDEA DE PRODUCTO: En esta fase se concibe la idea de acuerdo a las necesidades analizadas previamente debido a que todo proceso qumico industrial surge por la necesidad de satisfacer una demanda existente, bien de un producto, de un servicio o de una tecnologa. El inters social y/o la rentabilidad econmica de satisfacer dicha demanda lleva a examinar los parmetros del proceso tanto a

escala de laboratorio como industrial, es necesario conocer los parmetros

cinticos (k, orden de reaccin,), termodinmicos (H, G, Keq,) y de equipos para el mismo. Sin embargo los procesos industriales involucran otros

estudios complementarios como la preparacin de las materias primas y acondicionamiento de los productos obtenidos (pureza, tamao de partcula,


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estado de agregacin,), adems del estudio de viabilidad econmica de todo el proceso.

Como se puede observar una reaccin qumica a escala industrial tiene unos condicionantes econmicos importantes que la diferencian de la que se puede

realizar a escala laboratorio. Por lo cual en toda reaccin qumica podemos decir en general que los reactivos se transforman en productos, en un proceso industrial tiene que darse que LOS REACTIVOS SE TRANSFORMAN EN PRODUCTOS Y

BENEFICIO ECONMICO, en caso de que no exista beneficio econmico el proceso INDUSTRIAL no se realiza.

Figura 5. Factores de influyen en un proceso.

Fuente: www.uc3m.es

Segn lo mencionado anteriormente para el desarrollo de un proceso qumico a escala industrial habr que tener en cuenta los factores fsico-qumicos, econmicos, medioambientales y sociales del mismo. Los factores fsico-qumicos se concretan en la aplicacin de las ciencias bsicas al diseo de las etapas fsicas y qumicas necesarias en el proceso productivo. Desde las materias primas hasta la obtencin del producto, existen una serie de etapas, que son englobadas y estudiadas bajo la denominacin de operaciones bsicas o unitarias. En aquellas etapas donde se realizan reacciones qumicas ser necesario el estudio cintico de las mismas. Este estudio est encuadrado en la disciplina denominada Ingeniera de la reaccin qumica. El principio fundamental en un sistema de economa de mercado es el factor de rentabilidad econmica, de forma que la rentabilidad de un proyecto nos indicar la viabilidad del mismo. En el caso de la economa dirigida, por contra, sern factores como el desarrollo regional o la necesidad de ocupar mano de obra, por encima de la obtencin de un mnimo costo o de plusvalas, los que motivarn el desarrollo de un proyecto.


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El factor medioambiental interviene en cuanto al cumplimiento de las normativas existentes, as como en el aumento de la conciencia de respeto medioambiental del consumidor. Estos dos aspectos cada vez influirn ms en la seleccin del propio proceso productivo y afectarn al costo del mismo. Finalmente existen una serie de factores sociales tambin importantes a la hora de disear una estrategia de produccin como son: el empleo de mano de obra de una serie de grupos sociales concretos, por criterios de edad, tnicos o religiosos, origen regional de las materias primas, desarrollo de nuevas modas de consumo, creacin de empleo indirecto, sectores productivos a desarrollar, etc. Resumiendo, el desarrollo de cualquier proceso qumico implica:

Figura 6. Requerimientos de un proceso qumico. Fuente: www.uc3m.es

Que en todo proceso qumico las ciencias bsicas (qumica, fsica, biologa, matemticas, etc.) nos permiten conocer los parmetros termodinmicos, cinticos y de movimiento que gobiernan el mismo, de manera que se puedan paramtrizar y generar expresiones algebraicas para su clculo. Este conocimiento nos permite evaluar los fenmenos de transferencia de materia, calor y cantidad de movimiento que van a gobernar el proceso. Necesitamos utilizar otras disciplinas como la economa, diseo y control de procesos para que el proceso propuesto sea no solo tcnicamente viable, sino tambin econmicamente. Adems hay que tener permanentemente presente los temas de seguridad de operarios, usuarios y poblacin en general, tanto durante la construccin de la instalacin como durante la explotacin de la misma, transporte y almacenamiento de materias primas y productos elaborados o semielaborados y por supuesto durante el uso final de los mismos y en caso de accidente o catstrofe.


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Hay que tener presente el medio ambiente durante todas las etapas del proceso, de manera que la huella medioambiental del proceso productivo sea la menor posible. Este planteamiento incidir tanto en la sostenibilidad medio ambiental, como en la econmica y social del proceso. MERCADO. Es esencial en cada proceso qumico y su proyeccin industrial, por

lo tanto se estudiar en la leccin 3.

DESARROLLO EXPERIMENTAL Y PLANTA PILOTO. Esta etapa es la descrita

en el grueso del curso con las operaciones unitarias necesarias y sus equipos.

ESCALA INDUSTRIAL. Es la etapa ms importante porque se desarrolla el

anlisis financiero para determinar la viabilidad o no de la produccin.

Leccin 3. Cmo determinar cunto se debe producir?

Fuente: http://www.emprendedoresunam.com.mx/articulos.php?id_art=264

Para resolver la pregunta anterior se debe acudir a un instrumento bsico para todo productor o persona que se piense dedica a la produccin y comercializacin de cualquier producto como es la investigacin de mercados que se utiliza para conocer:

La oferta (cules son las empresas o negocios similares y qu beneficios ofrecen) y para conocer la demanda (quines son y qu quieren los consumidores). Para resolver las siguientes inquietudes: cules son las necesidades insatisfechas del mercado, cul es el mercado potencial, qu buscan los consumidores, qu precios estn dispuestos a pagar, cuntos son los clientes que efectivamente comprarn, por qu comprarn, qu otros productos o servicios similares compran actualmente. Por lo cual debe buscarse informacin sobre la demanda que responda estas preguntas, sustentando la propuesta de diseo de un producto o proceso qumico. Fuentes como revistas y diarios especializados, cmaras empresariales, internet, consultores o personas que ya estn en el mercado pueden aportar informacin valiosa.

Lo anterior se puede conseguir un instrumento tipo encuesta, la que se aplicar especialmente en el rea de influencia de las personas involucradas en el


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proyecto de produccin de un producto qumico, para tener definido el universo a cubrir, cuanto es el mercado potencial y cul es el objetivo de penetracin inicial.

Adicionalmente el anlisis Swot (Strengths, Weakneses, Oportunities, Threatens) o Foda (Fortalezas, Oportunidades, Debilidades y Amenazas) es una herramienta estratgica que se utiliza para conocer la situacin presente del producto. Es una estructura conceptual que identifica las amenazas y oportunidades que surgen del ambiente, as como las fortalezas y debilidades internas del proyecto.

El propsito fundamental de este anlisis es potenciar las fortalezas del proyecto para:

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 posicin competitiva que ocupa la empresa entre ellos.

Las tendencias del mercado. El impacto de la globalizacin, los competidores internacionales que

ingresan al mercado local y las importaciones y exportaciones. Los factores macroeconmicos sociales, gubernamentales, legales y

tecnolgicos 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 innovacin en las acciones y los procedimientos. Capacidad de satisfacer al cliente.

Preguntas gua.

Qu se conoce sobre la demanda? Quines son los consumidores? Qu buscan? Cmo se van a satisfacer sus necesidades? Cuntos son los consumidores potenciales? Y cuntos los que realmente comprarn?

Si bien un producto qumico es el resultado de una infinidad de variables, siempre pueden identificarse algunos factores que, por el tipo de emprendimiento o por


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caractersticas particulares del mercado, determinarn que el negocio funcione. Segn el tipo de proceso, algunos de los factores crticos de xito son:

Ventas: define la cantidad de produccin a desarrollar inicialmente, siendo la base para los balances de materia y energa, conociendo con esto los materiales necesarios para la produccin.

Costo promedio de insumos: sirve para determinar el costo directo de nuestro producto y en ltimas determinar el precio de venta, logrando con esto hacer un anlisis financiero.

tasa de penetracin: nos define cuanto se inicia a producir y hasta dnde puede llegar la produccin o crecimiento de la planta.

plazo de entrega: Nos define que tipo de produccin se puede desarrollar, ya sea por cochadas, semicontinuo o contino.

Logstica: nos determina como se puede entregar y disear trazabilidad del proceso.

Imagen: nos da la presencia y retencin en la mente de los posibles clientes.

Todo lo anterior se logra con un buen diseo del plan de marketing que es la instrumentacin de la estrategia de marketing. Slo tiene sentido si previamente han sido definidos el posicionamiento (lugar de ubicacin) de la empresa y el target (tipo de producto a desarrollar) al que apunta.

Una vez explicitadas las decisiones estratgicas, el plan de marketing debe producir respuestas convincentes a cuatro preguntas fundamentales:

Producto/servicio: Cules son los beneficios que el producto generar para los potenciales clientes?

Precio: A qu precio se va a ofrecer el producto y cunto influye el precio en la decisin de compra de los potenciales clientes?

Distribucin: Cmo y en qu lugar se va a vender el producto? Comunicacin: De qu 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, presentacin del

producto al cliente, rea de influencia, la logstica de entrega, se puede proceder a

los diseos en detalle de los procesos qumicos.

La investigacin le ayuda a identificar oportunidades en el mercado; Por ejemplo,

si usted planea iniciar la fabricacin de un producto qumico en cierta localizacin

geogrfica y descubre que en ese lugar existe poca competencia, entonces usted

ya identific una oportunidad. Las oportunidades para el xito aumentan si la

regin en la que piensa hacer negocio est altamente poblada y los residentes

renen las caractersticas de su grupo seleccionado.


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La investigacin de mercado minimiza los riesgos; Si en lugar de identificar

oportunidades en el mercado, los resultados de la investigacin le indican que no

debe seguir con el plan de accin, entonces es el momento de hacer ajustes. Por

ejemplo, si los hallazgos reflejan que el mercado est saturado con el tipo de

servicio o producto que planifica ofrecer, entonces usted sabe que tal vez sea

mejor moverse hacia otra localizacin.

La investigacin de mercado identifica futuros problemas; A travs de la

investigacin puede descubrir, por ejemplo, que en el lugar donde quiere

establecer su negocio, el municipio planifica construir un paso a desnivel o una

ruta alterna con el propsito de aliviar la congestin de trnsito. Usted ha

identificado un posible problema! La investigacin de mercado le ayuda a evaluar

los resultados de sus esfuerzos; Con la investigacin puede determinar si ha

logrado las metas y los objetivos que se propuso al iniciar la empresa.

Datos demogrficos: Es informacin especfica sobre una poblacin. Incluye: 1. edad 2. sexo 3. ingreso aproximado 4. preparacin acadmica 5. estado civil 6. composicin familiar 7. nacionalidad 8. zona residencial Los datos demogrficos estn basados en los hallazgos del censo nacional,

agencias de gobierno y firmas privadas que se dedican a recopilar este tipo de

informacin. Usted puede obtener esta informacin en la Cmara de Comercio, en

el peridico local, en el Departamento de Comercio o en una biblioteca local. Por

ejemplo, para el censo del 1990 en los EEUU se encontr que la mayor parte de la

poblacin se encontraba entre los 50 y 65 aos de edad. Estos datos fueron

aprovechados por algunas empresas para desarrollar productos y servicios para

atender las necesidades de esta poblacin. Como consecuencia, en los ltimos

aos se registr un alza en las ventas de productos y servicios para la salud.

Datos psicolgicos: Estos datos recopilan la informacin que se encuentra en la

mente del consumidor: 1. actitudes 2. estilos de vida 3. intereses 4. valores 5. cultura


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Con la obtencin de esta informacin podramos: 1. determinar qu factores motivan al consumidor a comprar nuestro producto o

servicio 2. identificar cualquier predisposicin por parte del consumidor por razones

culturales o ambientales. 3. conocer las preferencias del consumidor OJOLa obtencin de datos demogrficos y psicolgicos ahorra mucho tiempo y

dinero a la compaa. La informacin sirve para delinear el perfil de nuestro

cliente. Mtodos para investigar un mercado:

1. La Encuesta: En este mtodo se disea un cuestionario con preguntas que

examinan a una muestra con el fin de inferir conclusiones sobre la poblacin. Una muestra es un grupo considerable de personas que rene ciertas

caractersticas de nuestro grupo objeto. Es recomendable que las preguntas de la

encuesta sean cerradas [preguntas con alternativas para escoger]. ste es el mtodo que ms 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 especfico. El cuestionario debe ser fcil de leer. Por ejemplo, Cul es el factor que ms influye al momento que usted compra un carro nuevo?

__ Garanta __ Precio __ Servicio __ Experiencia previa.

2.- La Entrevista: Una vez diseado un cuestionario se procede a entrevistar a

personas consideradas lderes de opinin. Generalmente, los participantes

expresan informacin valiosa para nuestro producto o servicio. Por ejemplo,* ideas para promocin* estrategias de ventas / mercadeo

3.- La Observacin: Otra opcin que tenemos para obtener informacin es a travs

de la observacin. Con simplemente observar la conducta de nuestro pblico

primario podemos inferir conclusiones. Un ejemplo sera observar cmo las

personas se comportan al momento de escoger un producto en el supermercado.

4.-Grupo Focal: Los grupos focales son parecidos al mtodo de la entrevista, con

la diferencia de que la entrevista se realiza a un grupo en vez de a un individuo.

Para el grupo focal se selecciona entre 10 a 12 personas con caractersticas o


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experiencias comunes.OJOEs necesario tener un moderador para que

conduzca la entrevista.

EJEMPLO 1. Para producir bebidas refrescantes en el rea de influencia de

Girardot, se debe conocer los gustos en bebidas de la ciudad como por ejemplo

limonada 60% y naranja 40%, la poblacin media de la ciudad es de 200000

habitantes, de los cuales el 65% es adulto mayor de 18 aos, su consumo es de

1.5 litros de bebidas refrescantes en promedio da, la presentacin de consumo es

de 300 mililitros. Con esta informacin que solo se obtiene con la investigacin del

mercado y una encuesta se puede definir que para penetrar en el 50% del

mercado o sea:

200000 * 0.65 = 130000 adulto en la ciudad, se desea cubrir el 50% o sea 65000

personas.

Estas 65000 personas consumen en total 97500 litros de bebidas refrescantes en

el da o sea que consumen:

9750000 mililitros/ 300 ml. = 325000 bolsas de 300 ml. En bebidas.

Esta es nuestra base de clculo para las cantidades a producir de limonada y naranja, adems de las materias primas necesarias.

Al ejemplo le faltan los costos y precios de venta para desarrollar el esquema

financiero.

Leccin 4. Operaciones Unitarias y Clasificacin de las Operaciones

unitarias

Fuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090002/docs_curso/pages/cap1/c1_4.htm

En las industrias de procesos qumicos y fsicos, as como en las de procesos biolgicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentacin se modifican o se procesan para obtener, los materiales finales o productos qumicos o biolgicos. Es posible


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considerar estos procesos qumicos, fsicos o biolgicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Por lo tano se pueden definir como cada una de las etapas con una funcin especfica que se lleva a cabo sistemticamente en la industria qumica: destilacin, extraccin, evaporizacin, etc. Las operaciones unitarias tienen las siguientes caractersticas:

Son esencialmente las mismas con independencia del proceso en el que se apliquen.

Permite estandarizar el diseo de equipos con el mismo fundamento para procesos distintos.

Tcnica de clculos similares. Estudian principalmente la transferencia y los cambios de energa, la

transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios fsicos, pero tambin por medios fisicoqumicos.

EJEMPLO 2.

1. La operacin unitaria conocida como destilacin se usa purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y tambin para separar los hidrocarburos en la industria del petrleo.

2. El secado de granos y otros alimentos es similar al secado de maderas.

3. La operacin unitaria absorcin se presenta en el oxigeno del aire en los procesos de fermentacin o en una planta de tratamiento de aguas, as como en la absorcin de hidrogeno gaseoso en un proceso de hidrogenacin liquida de aceites.

4. La evaporacin de salmuera en la industria qumica es similar a la evaporacin de soluciones de azcar en la industria alimenticia.

5. La sedimentacin de slidos en suspensiones en las industrias de tratamiento de aguas y minera, es una operacin similar.

6. El flujo de hidrocarburos lquidos en refineras de petrleo y el flujo de leche en una planta de productos lcteos se llevan a cabo de manera semejante.

A continuacin se describen las operaciones unitarias ms importantes y que corresponden a aquellas que se pueden combinar en diversas secuencias en un proceso.

1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte

de cualquier fluido de un punto a otro.

2. Transferencia de calor. Esta operacin unitaria concierne a los principios

que gobiernan la acumulacin y transferencia de calor y de energa de un

lugar a otro.


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3. Operaciones gas-lquido y lquido-vapor

Absorcin-desorcin: Consiste en la transferencia selectiva de uno o ms

componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente lquido de reducida

volatilidad o viceversa.

Destilacin. Separacin de los componentes de una mezcla liquida por medio

de la ebullicin basadas en las diferencias de presin de vapor.

Rectificacin: En la destilacin el contacto se realiza entre una mezcla en fase

lquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullicin del lquido pero que

no se encuentran inicialmente en el equilibrio, a consecuencia de ello, la fase

vapor se condesa parcialmente y la fase lquida se vaporiza tambin

parcialmente de modo que tras el contacto entre ambas el vapor se enriquece

en los componentes ms voltiles de la mezcla y el lquido lo hace en los

menos voltiles.

TABLA 1. Operaciones bsicas de separacin


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4. Operaciones de interaccin aire-agua:

Humidificacin y deshumidificacin de aire y enfriamiento de agua: En

ellas el vapor de agua (equivalente al componente voltil pasa de una fase a

otra con el consiguiente efecto trmico del elevado calor latente de

vaporizacin/condensacin.

Evaporacin: Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolucin por

ebullicin de sta, separando el vapor generado. As la disolucin resulta

concentrada en el soluto no voltil. La diferencia con la destilacin/rectificacin

es que slo hay un componente voltil.

5. Operaciones lquido-lquido:

Extraccin: Se ponen en contacto dos mezclas lquidas inmiscibles con objeto

de transferir uno o varios componentes de una fase a otra.

6. Operaciones lquido-slido:

Lixiviacin: es una extraccin lquido-slido, es la separacin de uno o varios

solutos contenidos en una fase slida mediante su contacto con un disolvente

lquido que los disuelve selectivamente.

Adsorcin: esta puede ser tambin gas-slido. Uno o ms componentes de

una mezcla gaseosa o lquida se adsorben preferentemente sobre la superficie

de un slido, separndose as del resto de los componentes. A diferencia de la

absorcin donde los componentes se incorporan a toda la masa del lquido

aqu los componentes se incorporan solamente a la superficie de la fase

receptora.

Intercambio inico: Es similar a la adsorcin pero lo que se transfiere del

lquido al slido son especies inicas en la fase lquida.

Cristalizacin: aqu se produce la transferencia de un soluto desde una

disolucin a una fase slida cristalina del mismo mediante un cambio en la

temperatura y/o en la concentracin.

Secado: en el secado se separa un lquido voltil de un slido no voltil por

vaporizacin.

Separacin de membrana: Este proceso implica separar un soluto de un

fluido mediante la difusin de este soluto de un lquido o gas, a travs de la

barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido.


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Separaciones fsico-mecnicas: Implica la separacin de slidos, lquidos o

gases por medios mecnicos tales como filtracin, sedimentacin o reduccin

de tamao, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias

individuales.

Muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios bsicos o

fundamentales comunes. Por ejemplo, el mecanismo de difusin o de

transferencia de masa se presenta en el secado, absorcin, destilacin y

cristalizacin. La transferencia de calor es comn al secado, la destilacin, la

evaporacin, etc. Por lo tanto, es conveniente establecer la siguiente clasificacin

ms 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.


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Leccin 5: Procesos fundamentales de transporte

Cualquier proceso fsico o qumico tiene por objeto modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia, para adecuarla a nuestros fines. Esta modificacin se provoca alterando los valores de las variables que definen al sistema, dando lugar al transporte de alguna de las tres propiedades intensivas que se conservan en las colisiones moleculares: la materia, la energa o la cantidad de movimiento. 1. Transferencia de la materia. Se refiere a la que se presenta en los materiales

cuando pasa cierta cantidad de un espacio a ocupar otro espacio, disminuyendo

en uno y aumentando en otro, como en operaciones unitarias de adsorcin, y

absorcin.

2. Transferencia de Energa. 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, evaporacin, destilacin y

otras.

3. Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en los

materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos,

sedimentacin y mezclado.

Momentum, palabra de origen latino, se ha conservado en idiomas modernos para significar la cantidad de movimiento definido en la aplicacin de la primera ley de Newton. La primera ley de Newton postula Todo cuerpo continua en su estado de reposo, o de movimiento rectilneo uniforme a menos que sea impelido a cambiar dicho estado por fuerzas que actan sobre l. Esta ley es tambin conocida 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 un cuerpo y ello se establece en el enunciado de la segunda ley de Newton La rapidez de cambio de momentum de un sistema es igual a la fuerza neta que acta sobre el sistema y ocurre en la direccin de la fuerza neta Matemticamente la ley se escribe en la forma:

Ecuacin 0.

Donde: F: las fuerzas que actan sobre el cuerpo. m: la masa del cuerpo.


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v: velocidad P: Momentum cantidad de movimiento.

El principio se aplica en el manejo de fluidos y de slidos.

La variacin de una de estas propiedades es provocada por la existencia de un gradiente de la misma, es decir, de una variacin a lo largo de una o ms dimensiones (ejes de coordenadas espaciales y tiempo): -Si en una mezcla fluida multicomponente existe un gradiente en la composicin de alguno de ellos, existir un transporte de materia. - Si existe en un medio un gradiente de temperatura, se producir un transporte de energa. -Si existe un gradiente de velocidades entre diferentes partes de un fluido, se generar un transporte de cantidad de movimiento.

Figura 7. Fenmeno de transporte.

Fuente: www.uc3m.es

En definitiva, para que exista un proceso debe existir un gradiente de la magnitud independiente. Este gradiente es la fuerza impulsora y el fenmeno de transporte se realiza en el sentido de alcanzar el estado de mnima energa (equilibrio) en el que las magnitudes independientes son constantes en todas las direcciones, es decir el sistema sufre un cambio en el sentido contrario al gradiente. El objetivo del estudio de los fenmenos de transporte es pues, determinar la velocidad con que se alcanza el equilibrio (de composicin, de energa y de cantidad de movimiento) en el sistema. Los fenmenos de transporte pueden estudiarse a nivel macroscpico, microscpico o molecular.


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TRANSPORTE A NIVEL MOLECULAR La descripcin molecular se caracteriza porque trata un sistema macro o microscpico como si estuviese compuesto de entidades individuales infinitamente pequeas, cada una de las cuales sigue ciertas leyes. En consecuencia, las propiedades y las variables de estado del sistema se obtienen como suma de las de todas las entidades que constituyen el sistema. La mecnica cuntica y la mecnica estadstica son mtodos tpicos de anlisis molecular de las propiedades de los sistemas, sin embargo, la complejidad de clculo no hace viable esta aproximacin como mtodo de clculo de los fenmenos de transporte en la mayor parte de los problemas, permitiendo al ingeniero utilizar estos conceptos en el anlisis y diseo. TRANSPORTE A NIVEL MICROSCPICO El transporte a nivel microscpico corresponde a un tratamiento fenomenolgico del problema y admite que el sistema puede considerarse como continuo, obvindose las interacciones moleculares detalladas y planteando ecuaciones de balance diferencial para materia, cantidad de movimiento y energa. Respondiendo a la expresin general: Fz=-d/dz Donde d/dz es la variacin en la direccin z de la variable que gobierna el transporte de la propiedad, es una variable caracterstica de la resistencia que pone el sistema al transporte de la propiedad en estudio, y Fz es el flujo de la propiedad transportada. Ley de Newton de la viscosidad: En el caso de transporte de cantidad de movimiento ZX es la fuerza que hay que ejercer para que se desplace una porcin de fluido con respecto al de sus inmediaciones, suponiendo rgimen laminar, y son respectivamente la viscosidad y la viscosidad cinemtica y vx la velocidad cinemtica. Ley de Fourier: El transporte de energa trmica se rige por la ley de Fourier donde Qz es el flujo de calor K y son la conductividad y difusibidad trmica respectivamente y cp es la capacidad calorfica a presin constante. Ley de Fick: No habiendo agitacin la transferencia de masa viene gobernada por la ley de Fick donde Jiz es la densidad de flujo del componente i en la direccin z, siendo Di el coeficiente de difusin de dicho componente y X1 su fraccin molar. Para procesos sin movimiento o con flujo laminar, el tratamiento a nivel microscpico encuentra numerosas aplicaciones prcticas, aunque con frecuencia, resulta excesivamente complicado. Para flujo turbulento y elevado grado de mezcla no presenta mucha aplicacin prctica y es necesario recurrir a otros mtodos de descripcin.


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TRANSPORTE MACROSCPICO El transporte macroscpico de una propiedad en un sistema es el clculo de la entrada (E), salida (S), acumulacin (A), generacin (G) y consumo (C) de dicha propiedad en el sistema, el cual viene definido por unos lmites fsicos reales

Figura 8. Transporte macroscpico.

Fuente: www.uc3m.es (paredes exteriores del sistema) o conceptuales (limites imaginarios impuestos para el clculo). En cada sistema podemos aplicar al conjunto el principio de conservacin por el cual: LA SUMA DE ENERGA Y MATERIA SE CONSERVA de manera que como puede haber entradas de reactivos, salida de productos y subproductos, entrada y salida de inertes, refrigerantes, calefactores, etc. El principio de conservacin dice que:

Entradas - Salidas = Consume + Acumula - Generacin TALLER.

1.- En su lugar de trabajo, residencia o estudio determine 5 ejemplos de procesos

naturales y artificiales.

2.- En su regin de influencia, determine un producto qumico de preferencia y

desarrolle una investigacin de mercado donde determine las cantidades a

producir, la presentacin que ms gusta, los precios de venta y los posibles

competidores.

3.- Con una receta de cocina determine las operaciones unitarias que se alcanzan

a detectar y desarrolle el anlisis para su proyeccin industrial.


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CAPITULO 2: CONCEPTOS BASICOS

tubo venturi

Fuente:http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/venturi/index.html

Antes de empezar a estudiar los procesos lo que primero se debe hacer es revisar los conceptos previos a manejar en este curso. Por lo cual el segundo captulo trata de manejar varios conceptos ya desarrollados en cursos previos, los cuales son el sistema de unidades de medicin, la ley de los gases ideales, las leyes de conservacin de la masa y al energa, y especialmente un repaso a los costos de produccin para ir teniendo a la par el componente financiero esencial para el xito de todo producto qumico.

En el sistema de unidades de estudiar especialmente el sistema internacional para estandarizar los procesos, Las leyes de gases, masa y energa para dar un correcto manejo a los fluidos y ms adelante a los slidos. Por ltimo el desarrollo de costos para tener a la mano los balances de msicos y los costos directos bsicos para determinar el precio de venta de un producto qumico.

Leccin 6. El sistema SI de unidades y otros sistemas.

Fuente:www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/dinamic.

Los sistemas de medicin son claves en el estudio de los procesos qumicos ya que estos permiten tener un control en el mismo y determinar eficiencia y efectividades de las operaciones y procesos. Existen tres sistemas de unidades fundamentales empleados actualmente en la ciencia y la ingeniera. El primero y ms importante es el sistema SI (Systeme International dunits), cuyas tres unidades bsicas son el metro (m), el kilogramo (kg) y el segundo (s). Los otros son el sistema ingls: pie (ft) - libra (Ib) - segundo (s) o sistema pls (fps);


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Y el sistema cgs donde las unidades bsicas son el centmetro (cm) - gramo (g) - segundo (s). El sistema SI se adopto de manera oficial para usos en ingeniera y las ciencias, aunque el sistema ingls y cgs todava tienen bastante aceptacin. Muchos de los datos qumicos y fsicos, as como las ecuaciones empricas, estn expresados en estos dos sistemas. Por tanto, el ingeniero no slo debe conocer a la perfeccin el sistema SI, sino adems poseer cierto grado de familiarizacin con los otros dos sistemas. El sistema de unidades SI Las unidades fundamentales del sistema SI son como sigue: la unidad de longitud es el metro (m); la de tiempo es el segundo (s); la de masa es el kilogramo (kg); la de temperatura es el Kelvin (K); y la de un elemento de materia es el kilogramo mol (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) = 1 kg*m/s - La unidad bsica de trabajo, energa 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 presin es el newton/m2 o Pascal (Pa): 1 newton/m2 (N/m2) = 1 Pascal (Pa). La presin en atmsferas (atm) no es una unidad estndar del sistema SI, pero se usa en la etapa de transicin. - La aceleracin de la gravedad se define como: 1 g = 9.80665 m/s2. - Las temperaturas se definen en Kelvins (oK), como unidad estndar del sistema SI. Sin embargo, en la prctica se usa mucho la escala Celsius (C) que se define como:

T C = T (oK) - 273.15 Ntese que 1 C = 1oK cuando se trata de diferencias de temperatura:

T C = ToK - La unidad estndar de tiempo preferible es el segundo (s), pero tambin puede expresarse en unidades no decimales de minutos (min), horas (h) o das (d). - Algunos de los prefijos para mltiplos de las unidades bsicas son: Giga (G) = 109, Mega (M) = 106, kilo (k) =103, centi (c) = 10-2, mili (m) = 10-3, micro () = 10-6 y nano (n) = 10-9. El sistema de unidades cgs El sistema cgs se relaciona con el sistema SI como sigue: - 1 g masa (g) = 1 x 10-3 kg masa (kg) - 1 cm = 1 x 10-2 m


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- 1 dina = 1 g * cms = 1 x 10-5 newton (N) - 1 erg = 1 dina* cm = 1 x lO-7 joule (J). - La aceleracin estndar de la gravedad es g = 980.665 cm/s2 El sistema ingls de unidades La equivalencia entre el sistema ingls 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 (centgrado 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. Sin embargo, las ecuaciones importantes que se desarrollan en el transcurso del mismo se expresan en dos sistemas de unidades, SI e ingles, cuando las ecuaciones difieren. Algunos problemas de ejemplo y de estudio tambin usan unidades inglesas. Ecuaciones dimensionalmente homogneas y con unidades consistentes: Una ecuacin dimensionalmente homognea es aquella en la cual todos los trminos tienen el mismo tipo de unidades. Estas unidades pueden ser las bsicas o derivadas (por ejemplo, kg/s2*m o Pa). Esta clase de ecuaciones puede usarse con cualquier sistema de unidades siempre y cuando se utilicen idnticas unidades bsicas o derivadas en toda la ecuacin. (No se requieren factores de conversin cuando se emplean unidades consistentes.) Se debe ser cuidadoso en el uso de ecuaciones, comprobando siempre su homogeneidad dimensional, lo puede hacer as: 1. Seleccionar un sistema de unidades (SI, ingls, etc.). 2. Incluir las unidades de cada trmino y se comprueba su equivalencia, luego de cancelar las que sean iguales en cada trmino Formas de expresar Temperaturas y Composiciones: Temperatura: Existen dos escalas de temperatura comunes en las industrias qumica y biolgica; los grados Fahrenheit (F) y Celsius (C). Es muy frecuente que se necesite obtener valores equivalentes de una escala a la otra.


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Las temperaturas tambin se expresan en grados K absolutos (sistema SI) o grados Rankine (R) en vez de C o F, generalmente el valor de -273.15 C se redondea a -273.2 C y el de -459.7 F a -460 F.

Celsius Farenheit Rankine Kelvin

Agua en

Ebullicin 100 212 671.7 373.15

Fusin del

Hielo 0 32 491.7 273.15

Cero

Absoluto - 273.15 -459.7 0 0

Tabla 2. Escalas y equivalencias de temperatura. Para convertir de una escala a otra pueden usarse las siguientes ecuaciones:

F = 32 + 1.8*(C)

C=(1/1.8)(F-32) Ecuacin 1.

R = F + 460

K = C + 273.15 Ecuacin 2.

Unidades molares y unidades de peso y masa: Existen muchos mtodos para expresar las composiciones de gases, lquidos y slidos; Uno de los ms tiles es el de las unidades molares, pues las reacciones qumicas y las leyes de los gases resultan ms simples al expresarlas en unidades molares. Adems son necesarias e indispensables en el desarrollo de los balances msicos. Recordando un mol de una sustancia pura se define como la cantidad de dicha sustancia cuya masa es numricamente igual a su peso molecular. De esta manera, 1 kg mol de metano, CH4, contiene 16.04 kg. Igal a 1.0 lbmol de metano contiene 16.04 lbm de CH4. La fraccin mol de una determinada sustancia es el nmero de moles de dicha sustancia dividido entre el nmero total de moles. Igualmente, la fraccin en peso o en masa es la masa de la sustancia dividida entre la masa total. Estas dos


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composiciones que se aplican por igual a gases, lquidos y slidos, pueden expresarse como sigue para el componente A de una mezcla: XA (Fraccin mol de A)= moles de A / moles totales WA (fraccin msica de A) = masa de A/ masa total Ecuacin 3.

EJEMPLO 3: Un recipiente contiene 50 g de agua (B) y 50 g de NaCl (A). Calcule la fraccin en peso y la fraccin mol de NaCl. Calcule tambin el valor lbm para NaCl (A) y H20 (B). Solucin: Se debe tomar como base de clculo: 50 g de agua + 50 g de NaCl en otras palabras 100 g de solucin, luego se determinan los siguientes datos:

Componente masa

(g)

Fraccin

Peso

Peso

Molecular

Moles o

Gramos-mol

Fraccin

molar

H2O (A) 50 WA= 50/100=0.5 18.02 50/18.02=2.78 XA=2.78/3.63=0.77

NaCl (B) 50 WB=50/100=0.5 58.5 50/58.5=0.85 XB=0.85/3.63=0.23

Solucin Total

100 WA+B=100/100=1.0 2.78+0.85=3.63 0.77+0.23= 1.00

Como se puede observar, XA = 0.23 y XB= 0.77 y XA + XB = 0.23 + 0.77 = 1.00. Adems, WA + WB= 0.5 + 0.5= 1.00. Para calcular lbm de cada componente, el factor de conversin es 453.6 g por 1 lbm, Usando esto,

Ntese 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 precaucin de incluir todas las unidades de la ecuacin y cancelar las que aparezcan en el numerador y en el denominador. Los anlisis de slidos y lquidos generalmente se expresan como fraccin en peso o en masa o porcentaje en peso, y los gases en porcentaje o fraccin mol. A menos que se indique lo contrario. Unidades de concentracin para lquidos: En general, cuando un lquido se mezcla con otro en el que sea miscible, los volmenes no son aditivos. Por consiguiente, las composiciones de los lquidos no suelen expresarse en porcentaje en volumen sino como porcentaje en peso o


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molar. Otra forma conveniente de expresar las concentraciones de los componentes de una solucin es la molaridad, que se define como el nmero de g mol de un componente por litro de solucin; Otras formas de expresar las concentraciones como son: kg/m3, g/l, g/cm3, lbmol/pie3, lbm/pie3 y lbm/galn. Todas estas medidas de concentracin dependen de la temperatura, por lo que es necesario especificarla. La forma ms comn para expresar la concentracin total por unidad de volumen es la densidad, kg/m3, g/cm3 o lb,/pie3. Por ejemplo, la densidad del agua a 277.2 K (4 C) es 1000 kg/m3 o 62.43 lb,/pie3. Algunas veces la densidad de una solucin se expresa como densidad relativa (peso especfico), que se define como la densidad de la solucin a una temperatura especfica, dividida entre la densidad de una sustancia de referencia a esa temperatura. Si la sustancia de referencia es el agua a 277.2oK, la densidad relativa (peso especfico) y la densidad de una sustancia son numricamente iguales.

Leccin 7: Leyes de los gases y presin de vapor

Fuente:thermo.sdsu.edu/.../exClosedProcessesP.html

Las caractersticas a estudiar en esta leccin tiene que ver con las propiedades de los fluidos ya se los compresibles como son los gases e incompresibles como son los lquidos, lo cual les da un comportamiento diferente a cada uno, por lo tanto lo inicial es recordar las definiciones como presin y la ley de gases ideales.

Presin: Es una magnitud fsica que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie; Existen muchas formas para expresar la presin ejercida por un fluido o un sistema.

La presin absoluta de 1.00 atm es equivalente a: 760 mm de Hg a 0C, 29.921 pulg de Hg, 0.760 m de Hg, 14.696 lb fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg2 abs), o 33.90 pies de agua a 4 C.

La presin manomtrica es la presin por encima de la presin absoluta. De esta manera, una presin manomtrica de 21.5 lb por pulgada cuadrada (lb/pulg2) es igual a 21.5 + 14.7 (redondeando) o 36.2 lb/pulg2 abs.


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En unidades SI, 1 lb/pulg2 abs = 6.89476 x 103 pascales(Pa)= 6.89476 x 103 newtons/m2. Adems, 1 atm = 1.01325 x 105 Pa. En algunos casos, en especial cuando se trata de evaporacin, puede expresarse la presin como pulgadas de vaco de mercurio. Esto significa la presin en pulgadas de mercurio medida por debajo de la presin baromtrica absoluta. Por ejemplo, una lectura de 25.4 pulg de vaco de Hg es 29.92 - 25.4, o 4.52 pulg de Hg de presin absoluta.

Ley de los gases ideales: Un gas ideal se define como aquel que obedece a leyes simples. Adems, las molculas gaseosas de un gas considerado como ideal son esferas rgidas que no ocupan volumen por s mismas y que no se afectan mutuamente; Ningn gas real obedece estas leyes con exactitud, pero a temperaturas y presiones normales de pocas atmsferas, la ley de los gases ideales proporciona respuestas con bastante aproximacin. Por consiguiente, esta ley tiene una precisin suficiente para los clculos de ingeniera.

La ley de los gases ideales de Boyle indica que el volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta e inversamente proporcional a la presin absoluta. Esto se expresa como:

pV = nRT

Ecuacin 4.

Donde p es la presin absoluta en N/m2, V es el volumen del gas en m3, n es el nmero de kg mol de gas, T es la temperatura absoluta en K, y R es la constante de 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 es 0.7302 pie3atm/lb mol T =K; Para unidades cgs, V = cm3, T = K, R = 82.057 cm3atm/g mol.K y n = g mol.

Para comparar diferentes cantidades de gases, se deben tener estos en las condiciones estndar o normales de temperatura y presin (abreviadas TPE o CE) se definen arbitrariamente como 101.325 kPa (1.0 atm) abs y 273.15 K (0 C). En estas condiciones, los volmenes 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 pies3

EJEMPLO 4.Calcule el valor de la constante de la ley de los gases, R, cuando la presin est en lb/pulg2 abs, las moles en lb moles, el volumen en pie3 y la temperatura en R. Repita para unidades SI.


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Solucin: En condiciones estndar, p = 14.7 lb/pulg2 abs, V = 359 pies3 y T =460 + 32 = 492 R (273.15 K). Sustituyendo en la ecuacin 1-3 n = 1 .0 lb mol y despejando R,

De la ecuacin 4 puede obtenerse una relacin muy til para n moles de gas en condiciones P1, V1, T1 y para condiciones P2, V2, T2. Sustituyendo en la ecuacin 4 se obtiene:

Ecuacin 5.

Mezclas de gases ideales: La ley de Dalton para mezclas de gases ideales enuncia que la presin total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales individuales:

P = PA + PB + PC +. . .

Ecuacin 6.

Donde P es la presin total y PA, PB, PC,. . . son las presiones parciales de los componentes A, B, C,. . . de la mezcla. Puesto que el nmero de moles de un componente es proporcional a su presin parcial, la fraccin mol de un componente es

Ecuacin 7.

La fraccin volumen es igual a la fraccin mol. Las mezclas de gases casi siempre se expresan en trminos de fracciones mol y no de fracciones en peso.

Presin de vapor y punto de ebullicin de los lquidos: Cuando un lquido se introduce en un recipiente cerrado, las molculas de dicho lquido se evaporan en el espacio por encima de l y lo llenan por completo. Despus de un tiempo se establece un equilibrio. Este vapor ejerce una presin al igual que un gas y a esta presin se le puede llamar presin de vapor del lquido. El valor de la presin de vapor es independiente de la cantidad de lquido en el recipiente siempre y cuando


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haya algo de lquido presente. La presin de vapor de un lquido aumenta notablemente al elevarse la temperatura.

EJEMPLO 5. S la presin de vapor a 50 C es 12.333 kPa (92.5 1 mm de Hg). A 100 C, la presin de vapor aumenta en alto grado a un valor de 101.325 kPa (760 mm de Hg).

El punto de ebullicin de un lquido se define como la temperatura a la cual la presin de vapor del lquido es igual a la presin total. Por lo tanto, si la presin atmosfrica total es de 760 mm de Hg, el agua hierve a 100 C. En la cumbre de una montaa alta, donde la presin es considerablemente ms baja, el agua hierve a temperaturas inferiores a 100 C. La grfica de la presin de vapor PA de un lquido en funcin de la temperatura corresponde a la expresin:

Ecuacin 8.

Donde m es la pendiente, b una constante para el lquido A y T la temperatura en K.

Leccin 8: Conservacin de masa y Balance de materia.

Fuente:http://edimae.blogspot.com/2007/06/fundamentos-de-ingeniera-i-balances-de.html

Conservacin de la masa: Una de las leyes bsicas de fsica es la ley de la conservacin de la masa. Esta ley, expresada en forma simple, enuncia que la masa total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual a la de todos los materiales que salen del mismo, ms la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulacin Ecuacin 9.

En la mayora de los casos no se presenta acumulacin de materiales en el proceso, por lo que las entradas son iguales a las salidas. Expresado en otras palabras, lo que entra debe salir. A este tipo de sistema se le llama proceso en estado estacionario.


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Entradas = Salidas (estado estacionario) Ecuacin 10.

Balances de Materia

Fuente:www.estrucplan.com.mx/articulos/verarticulo.

Antes de aplicar la ley de conservacin de la masa, se debe definir el esquema a mostrar el proceso de las operaciones unitarias como es el diagrama de flujo del proceso que es una representacin grfica de la secuencia de pasos que se realizan para obtener un cierto producto. En el deben estar indicadas todas las entradas y salidas del sistema y de cada una de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja la informacin sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas.

Figura 9. Diagrama de flujo.

Fuente: www.uc3m.es Estos diagramas sirven para proporcionar informacin clara, ordenada y concisa sobre el proceso global y sus diversas partes en el desarrollo de los balances de masa y energa. Un balance de materia es un inventario entre la masa que entra en el sistema y la que sale. En estado estacionario (no hay variacin con el tiempo) se plantea un sistema de ecuaciones algebraicas lineales, mientras que en estado no estacionario se plantear un sistema de ecuaciones diferenciales de 1er orden con el tiempo.


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Lo primero que hay que determinar son los lmites del sistema sobre el que se va a efectuar el balance, sean estos reales o conceptuales. El balance se efectuar sobre toda la materia que entre y salga del sistema (balance global) o sobre aquellos compuestos, grupos atmicos o tomos (balances parciales) que participen en el sistema. Aquellas sustancias que permanezcan invariantes durante el proceso (gases inertes, slidos no reactivos, etc.), servirn para relacionar las entradas y salidas del sistema. El nmero de ecuaciones a plantear debe ser igual al de componentes a determinar (variables independientes), en caso de que se puedan plantear ms ecuaciones estas sern combinacin lineal de otras.

Balances simples de materia: En esta seccin se estudiarn los balances simples de materia (en peso o en masa) en diversos procesos en estado estable sin que se verifique una reaccin qumica. Se pueden usar unidades kg, lb, lbmol, g, kg mol, etc., conviene recordar la necesidad de ser consistentes y no mezclar varios tipos de unidades en los balances.

Cuando intervienen reacciones qumicas en los balances, deben usarse unidades de kg mol, pues las ecuaciones qumicas relacionan moles reaccionantes. Para resolver un problema de balance de materia es aconsejable proceder mediante una serie de etapas definidas, tal como se explican a continuacin:

1. Trace un diagrama simple del proceso. Este puede ser un diagrama de bloques que muestre simplemente la corriente de entrada con una flecha apuntando hacia dentro y la corriente de salida con una flecha apuntando hacia fuera. Incluya en cada flecha (en este caso una flecha por cada entrada) composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente. Todos los 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


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2. Escriba las ecuaciones qumicas involucradas (si las hay).

Fuente: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Materiayenergia.htm

Figura 11. Ecuacin qumica.

3. Seleccione una base para el clculo. Que es la magnitud a la que referimos todos los clculos de un balance de manera arbitraria. La base de clculo elegida no influye en el valor de las variables intensivas (no dependen de la masa) y si en el de las extensivas (dependen de la masa de referencia), aunque sobre lo que afecta de una manera radical es en la complejidad de los clculos a realizar. Para la seleccin de una base de clculo no hay unas reglas exactas, aunque hay ciertas recomendaciones empricas que ayudan en su seleccin: a.- Se seleccionar aquella magnitud de la corriente de entrada o de salida de la que ms datos conozcamos. b.- En sistemas discontinuos utilizar la masa o volumen (si no son gases) de alguno de los componentes o corrientes que entra o sale del sistema en cada ciclo. c.- En estado estacionario usar como base de clculo la unidad temporal a la que se refieran las corrientes de entrada o salida. d.- Cien unidades de alguna de las materias de entrada o salida, preferentemente de aquella que no sufra reaccin qumica.

4. Proceda al balance de materia. Las flechas hacia dentro del proceso significarn entradas y las que van hacia fuera, salidas. El balance puede ser un balance total del material, como en la ecuacin 10, o un balance de cada componente presente (cuando no se verifican reacciones qumicas).

Algunos de los procesos tpicos en los que no hay una reaccin qumica son: Secado, Evaporacin, Dilucin de soluciones, Destilacin, Extraccin; Y pueden manejarse por medio de balances de materia con incgnitas y resolviendo posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incgnitas.

EJEMPLO 5. En el proceso de concentracin de jugo de naranja, el zumo recin extrado y filtrado que contiene 7.08% de slidos en peso, se alimenta a un evaporador al vaco. En el evaporador se extrae agua y el contenido de slidos aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h; Calcular la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida.


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Solucin: Siguiendo las cuatro etapas descritas, se traza un diagrama de flujo del proceso (etapa 1)

Figura 15. Flujo ejemplo 5.

Note que la letra W representa la cantidad desconocida o incgnita de agua y C es la cantidad de jugo concentrado.

No hay reacciones qumicas (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 balance total de materia usando la ecuacin 10.

1000 = W + C Ecuacin 11.

Esto produce una ecuacin con dos incgnitas. Por lo tanto, se hace un balance de componentes con base en el slido:

Ecuacin 12.

Obsrvese que el trmino de la izquierda cuantifica los slidos que entran con el jugo, el primer trmino de la derecha representa los slidos que salen con el agua evaporada, que obviamente son cero; el segundo trmino de la derecha corresponde a los slidos que salen con el jugo concentrado. Para resolver estas ecuaciones, primero se despeja C en la ecuacin 12 pues W desaparece. Se obtiene C = 122.07 kg/h de jugo concentrado.

Sustituyendo el valor de C en la ecuacin 11:

1000 = W + 122.1

Despejando se obtiene W=877.93 kg/h de agua evaporada.


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Para comprobar los clculos, puede escribirse un balance del componente agua.

Al resolver se verifica la igualdad. En este proceso solo intervino una operacin, muchas veces se presentan varias de ellas en serie, en cuyo caso puede llevarse a cabo un balance por separado de cada proceso y un balance para la totalidad del proceso general.

Balance de materia y recirculacin: En algunas ocasiones se presentan casos en los que hay una recirculacin o retroalimentacin de parte del producto a la corriente de alimentacin.

Figura 13. Recirculacin. Fuente: http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00071.htm

Por ejemplo, en una planta de tratamiento de aguas, parte de los lodos activados de un tanque de sedimentacin se recirculan al tanque de aireacin donde se trata el lquido. En algunas operaciones de secado de alimentos, la humedad del aire de entrada se controla recirculando parte del aire hmedo y caliente que sale del secador. En las reacciones qumicas, el material que no reaccion en el reactor puede separarse del producto final y volver a alimentarse al reactor.

EJEMPLO 6. En un proceso que produce KNO3, el evaporador se alimenta con 1000 kg/h de una solucin que contiene 20% de KNO3, de slidos en peso y se concentra a 422 K para obtener una solucin de KNO3 al 50% de slidos en peso. Esta solucin se alimenta a un cristalizador a 311K, donde se obtienen cristales de KNO3 al 96% de slidos en peso. La solucin saturada que contiene 37.5% de KN03 de slidos en peso se recircula al evaporador. Calcular la cantidad de corriente de recirculacin R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h.

Solucin:


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Figura 14. Ejemplo 6.

Como base del clculo usaremos 1000 kg/h de alimentacin original. No se verifican reacciones qumicas. Podemos efectuar el balance global del proceso (marco azul de la figura14) para el KN03 y obtener directamente el valor de P,

1000(0.2) = W (0) + P (0.96) P = 208.3 kg cristales/h

Para calcular la corriente de recirculacin, podemos llevar a cabo un balance con respecto al evaporador o al cristalizador (marco rojo de la figura 14). Efectuando el balance en el cristalizador slo existen dos incgnitas, S y R y se obtiene que:

S = R + P ----- S = R+ 208.3 Ecuacin 13.

Para el balance de KN03 en el cristalizador,

S(O.50) = R(0.375) + 208.3(0.96) Ecuacin 14.

Sustituyendo el valor de S de la ecuacin 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=Acumulacin, G=generacin y S=salidas.


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Leccin 9: Energa y Calor

fuente:clisampa.com/imagenes/ciclo.jpg

Antes de estudiar la conservacin de la energa (Unidad 2.), se dar una mirada a los conceptos bsicos de energa y calor como son;

Unidades de Energa: es necesario inicialmente comprender los diversos tipos de unidades para la energa y el calor.

En el sistema SI, la energa se expresa en joules (J) o kilojoules (kJ). La energa tambin se expresa en Btu, abreviatura de British thermal units (unidades trmicas inglesas) o en cal (caloras).

La calora gramo (abreviada cal) se define como la cantidad de calor necesaria para calentar 1.0 g de agua 1.0 C (de 14.5 C a 15.5 C). Otra unidad es la kilocalora, 1 Kcal = 1000 cal.

El Btu se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar 1 F la temperatura de 1 lb de agua.

1 btu = 252.16 cal = 1.05506 kJ


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Capacidad calorifica: Se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura un grado de una unidad de masa de una sustancia, esta masa puede expresarse para 1 g, 1 lb, 1 g mol, 1 kg mol o 1 lb mol.

Figura 15. Capacidad calorfica.

Por ejemplo, una capacidad calorfica expresada en unidades SI es J/kg molK: en otras unidades es cal/g C, cal/g mol.C, kcal/kg mol.C, Btu/lbm.F o Btu/lbmol.F.

Se puede demostrar que el valor numrico de la capacidad calorfica es el mismo en unidades de masa y unidades molares. Es decir,

1.0 cal/g.C = 1.0 btu/lbm.F 1.0 cal/g mol.C = 1.0 btu/lb mol.F

Por ejemplo, para comprobar esto, supngase que una sustancia tiene una capacidad calorfica de 0.8 Btu/lbm.F. La conversin se obtiene tomando 1.8 F por 1 C o 1 K, 252.16 cal por 1 Btu y 453.6 g por 1 lbm, de la siguiente manera:

Las capacidades calorficas de los gases (tambin conocidas como calores especficos a presin constante, Cp, estn en funcin de la temperatura y, para clculos de ingeniera puede suponerse que son independientes de la presin cuando se trata de pocas atmsferas. En la gran mayora de los problemas de ingeniera el inters radica en determinar la cantidad de calor que se requiere para calentar un gas de una temperatura T1 a otra T2. Puesto que el valor de Cp vara con la temperatura, es necesario integrar o bien usar un valor promedio adecuado de Cpm.

Existen datos experimentales de estos valores medios para una T1 de 298K o 25C (77 F) y diversos valores de T2 (como los que se muestran en la tabla 3) a


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101.325 kPa de presin o menos, con el valor de Cpm expresado en kJ/kg molK, a diferentes valores de T2 en K o C.

EJEMPLO 7: Una cierta cantidad de N2 gaseoso a 1 atm de presin se calienta en un 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)

Solucin:

Para la parte a), la tabla 3 muestra los valores de Cpm a 1 atm de presin o menos, que pueden usarse hasta varias atmsferas. Para N2 a 673 K, Cpm = 29.68 kJ/kg mol.K o 29.68 J/g mol.K. sta es la capacidad calorfica media para el intervalo 298-673 K.

Ecuacin 15

Sustituyendo los valores conocidos,

Calor necesario = (3.0) (29.68) (673 - 298) = 33390 J

Para la parte b), el valor de Cpm a 1123 K (obtenido por interpolacin lineal entre 1073 y 1173 K) es 31.00 J/g mol.K. Calor necesario = 3.0 (3 1.00) (1123 - 298) = 76725 J Para 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 673 K en la parte a) y restarlo de la parte b), lo cual incluye que el calor pase de 298 a 673 K, ms 673 hasta 1123 K.

Calor necesario (673 - 1123 K) = calor necesario (298 - 1123 K)- calor necesario (298-673)

Ecuacin 16

Sustituyendo los valores apropiados en la ecuacin,

Calor necesario = 76725 - 33390 = 43335 J

Al calentar una mezcla gaseosa, el calor total requerido se determina calculando primero el calor necesario para cada componente individual y sumando los resultados. Las capacidades calorficas de slidos y lquidos tambin dependen de la temperatura y son independientes de la presin.


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Fuente: 0. A. Hougen, K. W. Watson y R. A. Ragatz. Chemical Process Principles Parte 1, 2a. ed., Nueva York, John Wiley and 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. Cunto calor se necesita?

Solucin: La capacidad calorfica de la leche entera de vaca se asimila al del agua es 3.85 kJ/kg.K. La elevacin de la temperatura es T = (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 kW La entalpa, H, de una sustancia en J/kg representa la suma de la energa interna ms el trmino presin-volumen. Cuando no hay reaccin y se trata de un proceso a presin constante y un cambio de temperatura, la variacin de calor que se calcula con la ecuacin 15 es la diferencia de entalpa, H, de la sustancia, con respecto a la temperatura dada o punto base. En otras unidades, H = btu/lb, o cal/g.

Calor latente y tablas de vapor: Cuando una sustancia cambia de fase se producen cambios de calor relativamente considerables a temperatura constante. Por ejemplo, el hielo a 0 C y 1 atm de presin puede absorber 6014.4 kJ/kg mol. A este cambio de entalpa se le llama calor latente de fusin.

3

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Cuando una fase lquida pasa a fase vapor con su presin de vapor a temperatura constante, se debe agregar cierta cantidad de calor que recibe el nombre de calor latente de vaporizacin. Para el agua a 25 C y una presin de 23.75 mm de Hg, el calor latente es 44

332569 Procesos Quimicos Modulo 2011

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