332569 procesos quimicos_2010

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias Contenido didáctico del curso Procesos Químicos

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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)

ING.DENISSE VELANDIA

Acreditador

BOGOTA D.C.

Julio de 2010


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INDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCION

UNIDAD 1. CONCEPTOS BASICOS Y OPERACIONES CON FLUIDOS Capitulo 1. GENERALIDADES Lección 1. Definición de proceso químico Lección 2. Diseño de un producto químico Lección 3. Como determinar cuánto se debe producir. Lección 4. Clasificación de las operaciones unitarias Lección 5. Procesos fundamentales de transporte Capitulo 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Lección 6. El sistema de unidades Lección 7. Leyes de los gases y presión de vapor Lección 8. Conservación de la masa y balances de materia Lección 9. Conservación de energía y balances de calor Lección 10. Fundamentos de costos de producción Capitulo 3. OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS Lección 11. Características de los fluidos Lección 12. Propiedades de los fluidos Lección 13. Ecuación de continuidad Lección 14. Ecuación de Bernoulli. Lección 15. Aplicación en procesos industriales para fluidos. Autoevaluación de la unidad 1. UNIDAD 2 OPERACIONES CON SOLIDOS Y FENOMENOS DE TRANSFERENCIA CAPITULO 4. OPERACIONES UNITARIAS CON SOLIDOS Lección 16. Reducción de tamaño. Lección 17. La operación de cribado Lección 18. Separaciones mecánicas Lección 19. Diseño de equipos para operación y medición de sólidos. Lección 20. Aplicación de las operaciones con sólidos en procesos industriales CAPITULO 5. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. Lección 21. Mecanismos de transferencia de calor. Lección 22. Procesos térmicos. Lección 23. Diseño de equipos y medición de transferencia de calor


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Lección 24. Aplicación de las operaciones de transferencia de calor procesos industriales. CAPITULO 6. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA. Lección 25. Difusión Lección 26. Operaciones de transferencia de masa. Lección 27. Diseño de equipos y medición de transferencia de masa Lección 28. Aplicación de las operaciones de transferencia de masa en procesos industriales. CAPITULO 7. ANALISIS FINANCIERO EN UN PROCESO QUIMICO Lección 29. Estados financieros y Análisis financiero básico en proceso productivo. CAPITULO 8. PETROQUÍMICA Lección 30. El petróleo y sus derivados. Autoevaluación de la unidad 2.


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LISTADO DE TABLAS


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LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS


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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didáctico del curso académico: Procesos químicos fue

diseñado inicialmente en el año 2006 por el Ing. Germán Augusto Castro, docente

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

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

Ingeniero químico de la Universidad Nacional de Colombia del año 1993,

Especialista en Educación superior a distancia de la UNAD en el año 2009 y

maestrante en gestión y auditorias en tecnología e ingeniera ambiental de la

Universidad de León- España. Se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde

el 2005 hasta la fecha.

El contenido didáctico ha tenido dos actualizaciones: las dos desarrolladas

por el Ing. Mosquera en los años 2008 y 2010 quien se desempeña actualmente

como director del curso a nivel nacional.

La version del contenido didáctico que actualmente se presenta tiene como

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

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

enfatiza en el diseño del producto y los costos de producción. 2) Profundiza en la

unidad 2 en los procesos petroquímicos y los análisis financieros básicos para

determinar la viabilidad del producto químico.

La Ing. Denise Velandia, tutora del CEAD JAG, apoyó el proceso de

revisión de estilo del contenido didáctico e hizo aportes disciplinares, didácticos y

pedagógicos en el proceso de acreditación del material didáctico desarrollado en

el mes de Junio de 2010.


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INTRODUCCIÓN

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

tecnología e ingeniería ambiental adquiera las habilidades necesarias para poder

identificar las diferentes operaciones unitarias y los equipos necesarios para un

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

unidad dar las herramientas para conceptualizar un proceso químico, las

definiciones básicas con todos los elementos para obtener las cantidades

necesarias en materiales y requerimientos energéticos con los cálculos de los

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

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

operaciones unitarias con fluidos y sus características.

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

químicos que se pueden ver en la ingeniería industrial como son las operaciones

con sólidos y sus equipos, especificación de los fenómenos de transferencia de

calor y masa, los fenómenos de la petroquímica tan necesaria en nuestra vida

cotidiana actual y por último el análisis financiero básico para lograr determinar la

viabilidad de un proceso productivo.

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

procesos, mediciones, dibujo técnico, 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 Básicos y Operaciones con Fluidos

Introducción

Justificación

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

Denominación de capítulo 1 Generalidades – Operaciones Unitarias

Denominación de Lección 1 Clasificación de las operaciones unitarias

Denominación de Lección 2




Denominación de capítulo 2













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UNIDAD 2

Nombre de la Unidad

Introducción

Justificación

Intencionalidades Formativas




















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UNIDAD 1. Conceptos Básicos y Operaciones con fluidos

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

INTRODUCCIÓN: Esta unidad desarrollará, las bases necesarias y recopilación de información para llevar a cabo el curso de procesos químicos, en la unidad se recordará las bases de química general en el manejo de estequiometria y gases ideales.

En el siguiente capítulo empezará el estudiante a desarrollar el manejo de operaciones unitarias para los fluidos, además de los tipos de equipos necesarios.

Por último se observará fundamentos de costos de producción y se estudiaran algunas industrias que tiene manejo de fluidos.

OBJETIVO GENERAL:

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

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

- Conocer los conceptos básicos para las operaciones necesarias en los procesos químicos.

- Desarrollar los manejos teóricos para los requerimientos de materiales en un proceso químico.

- 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 químicos donde se operen fluidos.

- Recordar los fundamentos de costos de producción para el diseño de un proceso químico en la industria en general.

COMPETENCIAS: El estudiante después de estudiar la unidad deberá ser competente en los balances de materia necesarios para la elaboración de un producto. También en las condiciones de operación 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 operación. Determinar los costos primos necesarios para el diseño y viabilidad de un proceso químico.

CAPITULO 1: GENERALIDADES

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

En este capítulo el estudiante desarrollará los temas concernientes a conocer un proceso químico, una operación unitaria y el diseño básico de una operación aplicando lo aprendido en química general, física general, parte del componente financiero como son los costos y profundizar en los balances de materia en las siguientes temáticas a desarrollar así:

- Definición de producto.

- Clasificación de las operaciones unitarias.

- Procesos fundamentales de transporte.

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


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- Diseño básico de un proceso productivo.

Lección 1. Definición de proceso químico

Para llegar a definición de proceso primero debemos entender que en nuestro entorno existe un flujo constante de materia y/o energía. La relación existente entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de materia y energía entre ambos. Estas relaciones se pueden evidenciar observando la relación existente entre esquemas que tienen la intervención 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. Relación 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 intervención del hombre, como pueden ser la función clorofílica, la acción de plantas y animales o la producción orgánica 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 últimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominados PROCESOS QUÍMICOS.

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 químicos 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 aplicación industrial y comercial; Entonces se definen las actividades básicas de la industria química como primero la Extracción de materias primas o productos básicos,


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segundo la preparación de intermedios y tercero y último los productos terminados o finales.

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

Los productos químicos intermedios: son productos básicos 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 fabricación 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 fabricación de pinturas o fibras plásticas.

Los productos químicos finales: son aquellos que tienen las características específicas tanto físicas, como químicas 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.

Según lo anterior el concepto general de proceso se refiere a una transformación de una o más etapas una material en otro con una o más salidas.

Figura 2. Proceso químico básico

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 vegetación, el petróleo, el gas, etc.

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

ENTRADAS PROCESO SALIDAS


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Las salidas es donde se tiene el producto terminado o intermedio según 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 transformación como es la mano de obra y los indirectos de fabricación como son los consumos energéticos, 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 conducción 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 digestión que tiene como entrada los alimentos, como etapas intermedias están la masticación , el transporte por el tracto digestivo, la descomposición y asimilación los alimentos, para finalmente obtener como salidas la energía, 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 químicos se pueden definir como el conjunto de operaciones químicas y/o físicas ordenadas a la transformación de unas materias iniciales (alimentación o materias primas) en productos finales diferentes llamados también materiales de salida o productos, subproductos y coproductos. Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones.

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

Figura 3. Proceso químico general.

Fuente: www.uc3m.es


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Como se puede ver en la figura 3. Los tres pasos básicos se expanden dependiendo de la complejidad del proceso y el producto a fabricar, esta se observa que las entradas al proceso además de la materia prima se necesita energía, y en las salidas se tienen no solo los productos, subproductos o coproductos, 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. Lección 2. Diseño de un producto químico

Para la elaboración de un producto o proceso químico es necesario conocer las

etapas que este debe cumplir antes de iniciar la producción y evitar pérdidas o

fracaso en el proyecto.

Figura 4. Etapas de diseño de un producto químico. 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 químico industrial surge por la necesidad de satisfacer una demanda existente, bien de un producto, de un servicio o de una tecnología. El interés social y/o la rentabilidad económica de satisfacer dicha demanda lleva a examinar los parámetros del proceso tanto a

escala de laboratorio como industrial, es necesario conocer los parámetros

cinéticos (k, orden de reacción,…), termodinámicos (ΔH, ΔG, Keq,…) y de

equipos para el mismo. Sin embargo los procesos industriales involucran otros

estudios complementarios como la preparación de las materias primas y acondicionamiento de los productos obtenidos (pureza, tamaño de partícula,


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estado de agregación,…), además del estudio de viabilidad económica de todo el proceso.

Como se puede observar una reacción química a escala industrial tiene unos

condicionantes económicos importantes que la diferencian de la que se puede

realizar a escala laboratorio. Por lo cual en toda reacción química 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 ECONÓMICO, en caso de que no exista beneficio económico el proceso INDUSTRIAL no se realiza.

Figura 5. Factores de influyen en un proceso.

Fuente: www.uc3m.es

Según lo mencionado anteriormente para el desarrollo de un proceso químico a escala industrial habrá que tener en cuenta los factores físico-químicos, económicos, medioambientales y sociales del mismo. Los factores físico-químicos se concretan en la aplicación de las ciencias básicas al diseño de las etapas físicas y químicas necesarias en el proceso productivo. Desde las materias primas hasta la obtención del producto, existen una serie de etapas, que son englobadas y estudiadas bajo la denominación de operaciones básicas o unitarias. En aquellas etapas donde se realizan reacciones químicas será necesario el estudio cinético de las mismas. Este estudio está encuadrado en la disciplina denominada Ingeniería de la reacción química. El principio fundamental en un sistema de economía de mercado es el factor de rentabilidad económica, de forma que la rentabilidad de un proyecto nos indicará la viabilidad del mismo. En el caso de la economía dirigida, por contra, serán factores como el desarrollo regional o la necesidad de ocupar mano de obra, por


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encima de la obtención de un mínimo costo o de plusvalías, los que motivarán el desarrollo de un proyecto. El factor medioambiental interviene en cuanto al cumplimiento de las normativas existentes, así como en el aumento de la conciencia de respeto medioambiental del consumidor. Estos dos aspectos cada vez influirán más en la selección del propio proceso productivo y afectarán al costo del mismo. Finalmente existen una serie de factores sociales también importantes a la hora de diseñar una estrategia de producción como son: el empleo de mano de obra de una serie de grupos sociales concretos, por criterios de edad, étnicos o religiosos, origen regional de las materias primas, desarrollo de nuevas modas de consumo, creación de empleo indirecto, sectores productivos a desarrollar, etc. Resumiendo, el desarrollo de cualquier proceso químico implica:

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

Que en todo proceso químico las ciencias básicas (química, física, biología, matemáticas, etc.) nos permiten conocer los parámetros termodinámicos, cinéticos y de movimiento que gobiernan el mismo, de manera que se puedan paramétrizar y generar expresiones algebraicas para su cálculo. Este conocimiento nos permite evaluar los fenómenos de transferencia de materia, calor y cantidad de movimiento que van a gobernar el proceso. Necesitamos utilizar otras disciplinas como la economía, diseño y control de procesos para que el proceso propuesto sea no solo técnicamente viable, sino también económicamente. Además hay que tener permanentemente presente los temas de seguridad de operarios, usuarios y población en general, tanto durante la construcción de la instalación como durante la explotación de la misma, transporte


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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 catástrofe. 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 incidirá tanto en la sostenibilidad medio ambiental, como en la económica y social del proceso. MERCADO. Es esencial en cada proceso químico y su proyección industrial, por

lo tanto se estudiará en la lección 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 más importante porque se desarrolla el

análisis financiero para determinar la viabilidad o no de la producción.

Lección 3. Como determinar cuánto se debe producir.

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

Para resolver el titulo anterior se debe acudir a un instrumento básico para todo productor o persona que se piense dedica a la producción y comercialización de cualquier producto como es la investigación de mercados que se utiliza para conocer:

La oferta (cuáles son las empresas o negocios similares y qué beneficios ofrecen) y para conocer la demanda (quiénes son y qué quieren los consumidores). Para resolver las siguientes inquietudes: cuáles son las necesidades insatisfechas del mercado, cuál es el mercado potencial, qué buscan los consumidores, qué precios están dispuestos a pagar, cuántos son los clientes que efectivamente comprarán, por qué comprarán, qué otros productos o servicios similares compran actualmente. Por lo cual debe buscarse información sobre la demanda que responda estas preguntas, sustentando la propuesta de diseño de un producto o proceso químico. Fuentes como revistas y diarios especializados, cámaras empresariales, internet, consultores o personas que ya están en el mercado pueden aportar información valiosa.


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Lo anterior se puede conseguir un instrumento tipo encuesta, la que se aplicará especialmente en el área de influencia de las personas involucradas en el proyecto de producción de un producto químico, para tener definido el universo a cubrir, cuanto es el mercado potencial y cuál es el objetivo de penetración inicial.

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

El propósito fundamental de este análisis 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 posición competitiva que ocupa la empresa entre ellos.

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

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

tecnológicos que afectan al sector.

Las fortalezas y debilidades se identifican en la estructura interna del proyecto. Deben evaluarse:

Calidad y cantidad de los recursos con que cuenta la empresa. Eficiencia e innovación en las acciones y los procedimientos. Capacidad de satisfacer al cliente.

Preguntas guía.

¿Qué se conoce sobre la demanda? ¿Quiénes son los consumidores? ¿Qué buscan? ¿Cómo se van a satisfacer sus necesidades? ¿Cuántos son los consumidores potenciales? ¿Y cuántos los que realmente comprarán?


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Si bien un producto químico es el resultado de una infinidad de variables, siempre pueden identificarse algunos factores que, por el tipo de emprendimiento o por características particulares del mercado, determinarán que el negocio funcione. Según el tipo de proceso, algunos de los factores críticos de éxito son:

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

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

tasa de penetración: nos define cuanto se inicia a producir y hasta dónde puede llegar la producción o crecimiento de la planta.

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

Logística: nos determina como se puede entregar y diseñar trazabilidad del proceso.

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

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

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

Producto/servicio: ¿Cuáles son los beneficios que el producto generará para los potenciales clientes?

Precio: ¿A qué precio se va a ofrecer el producto y cuánto influye el precio en la decisión de compra de los potenciales clientes?

Distribución: ¿Cómo y en qué lugar se va a vender el producto? Comunicación: ¿De qué manera se va a comunicar el producto de modo tal

que los clientes potenciales se enteren de su existencia y deseen comprarlo?

Teniendo definido todo lo anterior como es la cantidad a producir, presentación del

producto al cliente, área de influencia, la logística de entrega, se puede proceder a

los diseños en detalle de los procesos químicos.

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

si usted planea iniciar la fabricación de un producto químico en cierta localización

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

ya identificó una oportunidad. Las oportunidades para el éxito aumentan si la


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región en la que piensa hacer negocio está altamente poblada y los residentes

reúnen las características de su grupo seleccionado.

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

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

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

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

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

mejor moverse hacia otra localización.

La investigación de mercado identifica futuros problemas; A través de la

investigación 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 propósito de aliviar la congestión de tránsito. ¡Usted ha

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

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

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

Datos demográficos: Es información específica sobre una población. Incluye: 1. edad 2. sexo 3. ingreso aproximado 4. preparación académica 5. estado civil 6. composición familiar 7. nacionalidad 8. zona residencial Los datos demográficos están basados en los hallazgos del censo nacional,

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

información. Usted puede obtener esta información en la Cámara de Comercio, en

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

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

población se encontraba entre los 50 y 65 años de edad. Estos datos fueron

aprovechados por algunas empresas para desarrollar productos y servicios para

atender las necesidades de esta población. Como consecuencia, en los últimos

años se registró un alza en las ventas de productos y servicios para la salud.

Datos psicológicos: Estos datos recopilan la información que se encuentra en la

mente del consumidor: 1. actitudes 2. estilos de vida 3. intereses


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4. valores 5. cultura

Con la obtención de esta información podríamos: 1. determinar qué factores motivan al consumidor a comprar nuestro producto o

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

culturales o ambientales. 3. conocer las preferencias del consumidor OJO…La obtención de datos demográficos y psicológicos ahorra mucho tiempo y

dinero a la compañía. La información sirve para delinear el perfil de nuestro

cliente. Métodos para investigar un mercado: 1. La Encuesta: En este método se diseña un cuestionario con preguntas que

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

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

encuesta sean cerradas [preguntas con alternativas para escoger]. Éste es el método que más se utiliza para realizar investigaciones de mercado. Otro factor importante es la secuencia en la cual las preguntas son presentadas. Las preguntas iniciales deben ser sencillas e interesantes. Las preguntas se deben tocar desde lo general hasta lo específico. El cuestionario debe ser fácil de leer. Por ejemplo, ¿Cuál es el factor que más influye al momento que usted compra un carro nuevo?

__ Garantía __ Precio __ Servicio __ Experiencia previa.

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

personas consideradas líderes de opinión. Generalmente, los participantes

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

3.- La Observación: Otra opción que tenemos para obtener información es a través

de la observación. Con simplemente observar la conducta de nuestro público

primario podemos inferir conclusiones. Un ejemplo sería observar cómo las

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

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

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


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

experiencias comunes.OJO…Es necesario tener un moderador para que

conduzca la entrevista.

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

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

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

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

1.5 litros de bebidas refrescantes en promedio día, la presentación de consumo es

de 300 mililitros. Con esta información que solo se obtiene con la investigación 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 día o sea que consumen:

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

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

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

financiero.

Lección 4. Operaciones Unitarias y Clasificación 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 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 se modifican o se procesan para

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


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obtener, los materiales finales o productos químicos o biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, 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 función específica que se lleva a cabo sistemáticamente en la industria química: destilación, extracción, evaporización, etc. Las operaciones unitarias tienen las siguientes características:

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

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

• Técnica de cálculos similares. • Estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, la

transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos, pero también por medios fisicoquímicos.

EJEMPLO 2.

1. La operación unitaria conocida como destilación se usa purificar o separar alcohol en la industria de las bebidas y también para separar los hidrocarburos en la industria del petróleo.

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

3. La operación unitaria absorción se presenta en el oxigeno del aire en los procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así como en la absorción de hidrogeno gaseoso en un proceso de hidrogenación liquida de aceites.

4. La evaporación de salmuera en la industria química es similar a la evaporación de soluciones de azúcar en la industria alimenticia.

5. La sedimentación de sólidos en suspensiones en las industrias de tratamiento de aguas y minería, es una operación similar.

6. El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche en una planta de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante.

A continuación se describen las operaciones unitarias más importantes y 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.


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

que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un

lugar a otro.

3. Operaciones gas-líquido y líquido-vapor

Absorción-desorción: Consiste en la transferencia selectiva de uno o más

componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente líquido de reducida

volatilidad o viceversa.

Destilación. Separación de los componentes de una mezcla liquida por medio

de la ebullición basadas en las diferencias de presión de vapor.

Rectificación: En la destilación el contacto se realiza entre una mezcla en fase

líquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullición del líquido pero que

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

vapor se condesa parcialmente y la fase líquida se vaporiza también

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

en los componentes más volátiles de la mezcla y el líquido lo hace en los

menos volátiles.


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TABLA 1. Operaciones básicas de separación

4. Operaciones de interacción aire-agua:

Humidificación y deshumidificación de aire y enfriamiento de agua: En

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

otra con el consiguiente efecto térmico del elevado calor latente de

vaporización/condensación.

Evaporación: Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por

ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta

concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación

es que sólo hay un componente volátil.

5. Operaciones líquido-líquido:

Extracción: Se ponen en contacto dos mezclas líquidas inmiscibles con objeto

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


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6. Operaciones líquido-sólido:

Lixiviación: es una extracción líquido-sólido, es la separación de uno o varios

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

líquido que los disuelve selectivamente.

Adsorción: esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de

una mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie

de un sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la

absorción donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido

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

receptora.

Intercambio iónico: Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del

líquido al sólido son especies iónicas en la fase líquida.

Cristalización: aquí se produce la transferencia de un soluto desde una

disolución a una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la

temperatura y/o en la concentración.

Secado: en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por

vaporización.

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

fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la

barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido.

Separaciones físico-mecánicas: Implica la separación de sólidos, líquidos o

gases por medios mecánicos tales como filtración, sedimentación o reducción

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

individuales.

Muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos o

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

transferencia de masa se presenta en el secado, absorción, destilación y

cristalización. La transferencia de calor es común al secado, la destilación, la

evaporación, etc. Por lo tanto, es conveniente establecer la siguiente clasificación

más 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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Lección 5: Procesos fundamentales de transporte

Cualquier proceso físico o químico tiene por objeto modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia, para adecuarla a nuestros fines. Esta modificación 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 energía 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 adsorción, y

absorción.


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2. Transferencia de Energía. 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, evaporación, destilación 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,

sedimentación y mezclado.

Momentum, palabra de origen latino, se ha conservado en idiomas modernos para significar la cantidad de movimiento definido en la aplicación de la primera ley de Newton. La primera ley de Newton postula “Todo cuerpo continua en su estado de reposo, o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea impelido a cambiar dicho estado por fuerzas que actúan sobre él”. Esta ley es también 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 actúa sobre el sistema y ocurre en la dirección de la fuerza neta” Matemáticamente la ley se escribe en la forma:

Ecuación 0.

Donde: F: las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. m: la masa del cuerpo. v: velocidad P: Momentum ó cantidad de movimiento.

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

La variación de una de estas propiedades es provocada por la existencia de un gradiente de la misma, es decir, de una variación a lo largo de una o más dimensiones (ejes de coordenadas espaciales y tiempo): -Si en una mezcla fluida multicomponente existe un gradiente en la composición de alguno de ellos, existirá un transporte de materia. - Si existe en un medio un gradiente de temperatura, se producirá un transporte de energía. -Si existe un gradiente de velocidades entre diferentes partes de un fluido, se generará un transporte de cantidad de movimiento.


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Figura 7. Fenómeno 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 fenómeno de transporte se realiza en el sentido de alcanzar el estado de mínima energía (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 fenómenos de transporte es pues, determinar la velocidad con que se alcanza el equilibrio (de composición, de energía y de cantidad de movimiento) en el sistema. Los fenómenos de transporte pueden estudiarse a nivel macroscópico, microscópico o molecular. TRANSPORTE A NIVEL MOLECULAR La descripción molecular se caracteriza porque trata un sistema macro o microscópico como si estuviese compuesto de entidades individuales infinitamente pequeñas, 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 mecánica cuántica y la mecánica estadística son métodos típicos de análisis molecular de las propiedades de los sistemas, sin embargo, la complejidad de cálculo no hace viable esta aproximación como método de cálculo de los fenómenos de transporte en la mayor parte de los problemas, permitiendo al ingeniero utilizar estos conceptos en el análisis y diseño. TRANSPORTE A NIVEL MICROSCÓPICO El transporte a nivel microscópico corresponde a un tratamiento fenomenológico del problema y admite que el sistema puede considerarse como continuo, obviándose las interacciones moleculares detalladas y planteando ecuaciones de balance diferencial para materia, cantidad de movimiento y energía. Respondiendo a la expresión general:


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ΔFz=-δdπ/dz Donde dπ/dz es la variación en la dirección z de la variable que gobierna el transporte de la propiedad, δ es una variable característica de la resistencia que pone el sistema al transporte de la propiedad en estudio, y ΔFz es el flujo de la propiedad transportada. •Ley de Newton de la viscosidad: En el caso de transporte de cantidad de movimiento τZX es la fuerza que hay que ejercer para que se desplace una porción de fluido con respecto al de sus inmediaciones, suponiendo régimen laminar, η y ν son respectivamente la viscosidad y la viscosidad cinemática y vx la velocidad cinemática. •Ley de Fourier: El transporte de energía térmica se rige por la ley de Fourier donde Qz es el flujo de calor K y α son la conductividad y difusibidad térmica respectivamente y cp es la capacidad calorífica a presión constante. •Ley de Fick: No habiendo agitación la transferencia de masa viene gobernada por la ley de Fick donde Jiz es la densidad de flujo del componente “i” en la dirección z, siendo Di el coeficiente de difusión de dicho componente y X1 su fracción molar. Para procesos sin movimiento o con flujo laminar, el tratamiento a nivel microscópico encuentra numerosas aplicaciones prácticas, aunque con frecuencia, resulta excesivamente complicado. Para flujo turbulento y elevado grado de mezcla no presenta mucha aplicación práctica y es necesario recurrir a otros métodos de descripción. TRANSPORTE MACROSCÓPICO

Figura 8. Transporte macroscópico.

Fuente: www.uc3m.es


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El transporte macroscópico de una propiedad en un sistema es el cálculo de la entrada (E), salida (S), acumulación (A), generación (G) y consumo (C) de dicha propiedad en el sistema, el cual viene definido por unos límites físicos reales (paredes exteriores del sistema) o conceptuales (limites imaginarios impuestos para el cálculo). En cada sistema podemos aplicar al conjunto el principio de conservación por el cual: LA SUMA DE ENERGÍA 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 conservación dice que:

Σ Entradas - Σ Salidas = Σ Consume + Σ Acumula - Σ Generación TALLER.

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

naturales y artificiales.

2.- En su región de influencia, determine un producto químico de preferencia y

desarrolle una investigación de mercado donde determine las cantidades a

producir, la presentación que más 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 análisis para su proyección 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 capítulo trata de manejar varios conceptos ya desarrollados en cursos previos, los cuales son el sistema de unidades de medición, la ley de los gases ideales, las leyes de conservación de la masa y al energía, y especialmente un repaso a los costos de producción para ir teniendo a la par el componente financiero esencial para el éxito de todo producto químico.

En el sistema de unidades de estudiará especialmente el sistema internacional para estandarizar los procesos, Las leyes de gases, masa y energía para dar un correcto manejo a los fluidos y más adelante a los sólidos. Por último el desarrollo de costos para tener a la mano los balances de másicos y los costos directos básicos para determinar el precio de venta de un producto químico.

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

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

Los sistemas de medición son claves en el estudio de los procesos químicos 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 ingeniería. El primero y más importante es el sistema SI (Systeme International d‟unités), cuyas tres unidades básicas son el metro (m), el kilogramo (kg) y el segundo (s). Los otros son el sistema inglés: pie (ft) - libra (Ib) - segundo (s) o sistema pls (fps);

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


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Y el sistema cgs donde las unidades básicas son el centímetro (cm) - gramo (g) - segundo (s). El sistema SI se adopto de manera oficial para usos en ingeniería y las ciencias, aunque el sistema inglés y cgs todavía tienen bastante aceptación. Muchos de los datos químicos y físicos, así como las ecuaciones empíricas, están expresados en estos dos sistemas. Por tanto, el ingeniero no sólo debe conocer a la perfección el sistema SI, sino además poseer cierto grado de familiarización 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 básica de trabajo, energía o calor es el newton-metro, o joule (J): 1 joule (J) = 1 newton * m (N . m) = 1 kg . m2/s. - La potencia se mide en joule/s o watts (W): 1 joule/s (J/s) = 1 watt (W). - La unidad de presión es el newton/m2 o Pascal (Pa): 1 newton/m2 (N/m2) = 1 Pascal (Pa). La presión en atmósferas (atm) no es una unidad estándar del sistema SI, pero se usa en la etapa de transición. - La aceleración de la gravedad se define como: 1 g = 9.80665 m/s2. - Las temperaturas se definen en Kelvins (oK), como unidad estándar del sistema SI. Sin embargo, en la práctica se usa mucho la escala Celsius (ºC) que se define como:

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

ΔT ºC = ΔToK - La unidad estándar de tiempo preferible es el segundo (s), pero también puede expresarse en unidades no decimales de minutos (min), horas (h) o días (d). - Algunos de los prefijos para múltiplos de las unidades básicas son: Giga (G) = 109, Mega (M) = 106, kilo (k) =103, centi (c) = 10-2, mili (m) = 10-3, micro (μ) = 10-6 y nano (n) = 10-9. El sistema de unidades cgs El sistema cgs se relaciona con el sistema SI como sigue: - 1 g masa (g) = 1 x 10-3 kg masa (kg)


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- 1 cm = 1 x 10-2 m - 1 dina = 1 g * cms = 1 x 10-5 newton (N) - 1 erg = 1 dina* cm = 1 x lO-7 joule (J). - La aceleración estándar de la gravedad es g = 980.665 cm/s2 El sistema inglés de unidades La equivalencia entre el sistema inglés y el SI es como sigue: - 1 lb masa (lbm) = 0.45359 kg - 1 pie = 0.30480 m - 1 lb fuerza (lbf) = 4.4482 newtons (N) - 1 pie. lbf = 1.35582 newton*m (N*m) = 1.35582 joules (J) - 1 lbf/pulg2 abs = 6.89476 x 103 newton/m2 (N/m2) - 1.8 °F = 1o K = 1 °C (centígrado o Celsius) - El factor de proporcionalidad para la ley de Newton es

gc = 32.174 pie . lbm / lbf * s2 - El factor g, en unidades SI y cgs es 1.0 y se omite. En el curso se emplea el sistema SI como conjunto primario de unidades. 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 también usan unidades inglesas. Ecuaciones dimensionalmente homogéneas y con unidades consistentes: Una ecuación dimensionalmente homogénea es aquella en la cual todos los términos tienen el mismo tipo de unidades. Estas unidades pueden ser las básicas 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 idénticas unidades básicas o derivadas en toda la ecuación. (No se requieren factores de conversión cuando se emplean unidades consistentes.) Se debe ser cuidadoso en el uso de ecuaciones, comprobando siempre su homogeneidad dimensional, lo puede hacer así: 1. Seleccionar un sistema de unidades (SI, inglés, etc.). 2. Incluir las unidades de cada término y se comprueba su equivalencia, luego de cancelar las que sean iguales en cada término Formas de expresar Temperaturas y Composiciones: Temperatura: Existen dos escalas de temperatura comunes en las industrias


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química y biológica; los grados Fahrenheit (ºF) y Celsius (°C). Es muy frecuente que se necesite obtener valores equivalentes de una escala a la otra. Las temperaturas también 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

Ebullición 100 212 671.7 373.15

Fusión 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)

ºC=(1/1.8)(ºF-32) Ecuación 1.

°R = °F + 460 K = °C + 273.15

Ecuación 2.

Unidades molares y unidades de peso y masa: Existen muchos métodos para expresar las composiciones de gases, líquidos y sólidos; Uno de los más útiles es el de las unidades molares, pues las reacciones químicas y las leyes de los gases resultan más simples al expresarlas en unidades molares. Además son necesarias e indispensables en el desarrollo de los balances másicos. Recordando un mol de una sustancia pura se define como la cantidad de dicha sustancia cuya masa es numéricamente 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 fracción mol de una determinada sustancia es el número de moles de dicha sustancia dividido entre el número total de moles. Igualmente, la fracción 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, líquidos y sólidos, pueden expresarse como sigue para el componente A de una mezcla:

XA (Fracción mol de A)= moles de A / moles totales WA (fracción másica de A) = masa de A/ masa total

Ecuación 3.

EJEMPLO 3: Un recipiente contiene 50 g de agua (B) y 50 g de NaCl (A). Calcule la fracción en peso y la fracción mol de NaCl. Calcule también el valor lbm para NaCl (A) y H20 (B). Solución: Se debe tomar como base de cálculo: 50 g de agua + 50 g de NaCl ó en otras palabras 100 g de solución, luego se determinan los siguientes datos:

Componente masa

(g)

Fracción

Peso

Peso

Molecular

Moles o

Gramos-mol

Fracción

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

Solución 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. Además, WA + WB= 0.5 + 0.5= 1.00. Para calcular lbm de cada componente, el factor de conversión es 453.6 g por 1 lbm, Usando esto,

Nótese que los gramos de A en el numerador se cancelan con los gramos de A en el denominador, quedando lbm de A en el numerador. Siempre debe tomarse la precaución de incluir todas las unidades de la ecuación y cancelar las que aparezcan en el numerador y en el denominador. Los análisis de sólidos y líquidos generalmente se expresan como fracción en peso o en masa o porcentaje en peso, y los gases en porcentaje o fracción mol. A menos que se indique lo contrario. Unidades de concentración para líquidos: En general, cuando un líquido se mezcla con otro en el que sea miscible, los volúmenes no son aditivos. Por consiguiente, las composiciones de los líquidos no suelen expresarse en porcentaje en volumen sino como porcentaje en peso o molar. Otra forma conveniente de expresar las concentraciones de los


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componentes de una solución es la molaridad, que se define como el número de g mol de un componente por litro de solución; Otras formas de expresar las concentraciones como son: kg/m3, g/l, g/cm3, lbmol/pie3, lbm/pie3 y lbm/galón. Todas estas medidas de concentración dependen de la temperatura, por lo que es necesario especificarla. La forma más común para expresar la concentración 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 ºC) es 1000 kg/m3 o 62.43 lb,/pie3. Algunas veces la densidad de una solución se expresa como densidad relativa (peso específico), que se define como la densidad de la solución a una temperatura específica, 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 específico) y la densidad de una sustancia son numéricamente iguales.

Lección 7: Leyes de los gases y presión de vapor

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

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

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

La presión absoluta de 1.00 atm es equivalente a: 760 mm de Hg a 0ºC, 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 ºC.

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

http://thermo.sdsu.edu/TEST-Espanol/testhome/Test/intro/exClosedProcessesP.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsica


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

Ley de los gases ideales: Un gas ideal se define como aquel que obedece a leyes simples. Además, las moléculas gaseosas de un gas considerado como ideal son esferas rígidas que no ocupan volumen por sí mismas y que no se afectan mutuamente; Ningún gas real obedece estas leyes con exactitud, pero a temperaturas y presiones normales de pocas atmósferas, la ley de los gases ideales proporciona respuestas con bastante aproximación. Por consiguiente, esta ley tiene una precisión suficiente para los cálculos de ingeniería.

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 presión absoluta. Esto se expresa como:

pV = nRT

Ecuación 4.

Donde p es la presión absoluta en N/m2, V es el volumen del gas en m3, n es el número 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 estándar o normales de temperatura y presión (abreviadas TPE o CE) se definen arbitrariamente como 101.325 kPa (1.0 atm) abs y 273.15 °K (0 ºC). En estas condiciones, los volúmenes son:

Volumen de 1.0 kg mol (CE) = 22.414 m3 volumen de 1.0 g mol (CE) = 22.414 litros = 22 414 cm3

volumen de 1.0 lb mol (CE) = 359.05 pies3

EJEMPLO 4.Calcule el valor de la constante de la ley de los gases, R, cuando la presión está 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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Solución: En condiciones estándar, p = 14.7 lb/pulg2 abs, V = 359 pies3 y T =460 + 32 = 492 °R (273.15 °K). Sustituyendo en la ecuación 1-3 n = 1 .0 lb mol y despejando R,

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

Ecuación 5.

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

P = PA + PB + PC +. . .

Ecuación 6.

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

Ecuación 7.

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

Presión de vapor y punto de ebullición de los líquidos: Cuando un líquido se introduce en un recipiente cerrado, las moléculas de dicho líquido se evaporan en el espacio por encima de él y lo llenan por completo. Después de un tiempo se establece un equilibrio. Este vapor ejerce una presión al igual que un gas y a esta presión se le puede llamar presión de vapor del líquido. El valor de la presión de vapor es independiente de la cantidad de líquido en el recipiente siempre y cuando


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haya algo de líquido presente. La presión de vapor de un líquido aumenta notablemente al elevarse la temperatura.

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

El punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión total. Por lo tanto, si la presión atmosférica total es de 760 mm de Hg, el agua hierve a 100 ºC. En la cumbre de una montaña alta, donde la presión es considerablemente más baja, el agua hierve a temperaturas inferiores a 100 °C. La gráfica de la presión de vapor PA de un líquido en función de la temperatura corresponde a la expresión:

Ecuación 8.

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

Lección 8: Conservación de masa y Balance de materia.

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

Conservación de la masa: Una de las leyes básicas de física es la ley de la conservación 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, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulación Ecuación 9.

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


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En la mayoría de los casos no se presenta acumulación 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.

Entradas = Salidas (estado estacionario) Ecuación 10.

Balances de Materia

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

Antes de aplicar la ley de conservación 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 representación gráfica 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 información sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas.

Figura 9. Diagrama de flujo.

Fuente: www.uc3m.es Estos diagramas sirven para proporcionar información clara, ordenada y concisa sobre el proceso global y sus diversas partes en el desarrollo de los balances de masa y energía.


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Un balance de materia es un inventario entre la masa que entra en el sistema y la que sale. En estado estacionario (no hay variación con el tiempo) se plantea un sistema de ecuaciones algebraicas lineales, mientras que en estado no estacionario se planteará un sistema de ecuaciones diferenciales de 1er orden con el tiempo. Lo primero que hay que determinar son los límites del sistema sobre el que se va a efectuar el balance, sean estos reales o conceptuales. El balance se efectuará sobre toda la materia que entre y salga del sistema (balance global) o sobre aquellos compuestos, grupos atómicos o átomos (balances parciales) que participen en el sistema. Aquellas sustancias que permanezcan invariantes durante el proceso (gases inertes, sólidos no reactivos, etc.), servirán para relacionar las entradas y salidas del sistema. El número de ecuaciones a plantear debe ser igual al de componentes a determinar (variables independientes), en caso de que se puedan plantear más ecuaciones estas serán combinación lineal de otras.

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

Cuando intervienen reacciones químicas en los balances, deben usarse unidades de kg mol, pues las ecuaciones químicas 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 continuación:

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 químicas involucradas (si las hay).

Figura 11. Ecuación química. Fuente: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Materiayenergia.htm

3. Seleccione una base para el cálculo. Que es la magnitud a la que referimos todos los cálculos de un balance de manera arbitraria. La base de cálculo 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 cálculos a realizar. Para la selección de una base de cálculo no hay unas reglas exactas, aunque hay ciertas recomendaciones empíricas que ayudan en su selección: a.- Se seleccionará aquella magnitud de la corriente de entrada o de salida de la que más 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 cálculo 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 reacción química.

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

Algunos de los procesos típicos en los que no hay una reacción química son: Secado, Evaporación, Dilución de soluciones, Destilación, Extracción; Y pueden manejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendo posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas.

EJEMPLO 5. En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién extraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a un evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos 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.

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


45

Figura 15. Flujo ejemplo 5.

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

No hay reacciones químicas (etapa 2).

Base: 1000 kg/h de jugo de entrada (etapa 3).

Para llevar a cabo los balances de materia (etapa 4), se procede a un balance total de materia usando la ecuación 10.

1000 = W + C Ecuación 11.

Esto produce una ecuación con dos incógnitas. Por lo tanto, se hace un balance de componentes con base en el sólido:

Ecuación 12.

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

Sustituyendo el valor de C en la ecuación 11:

1000 = W + 122.1

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

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


46

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

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

Figura 13. Recirculación. 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 sedimentación se recirculan al tanque de aireación donde se trata el líquido. En algunas operaciones de secado de alimentos, la humedad del aire de entrada se controla recirculando parte del aire húmedo y caliente que sale del secador. En las reacciones químicas, el material que no reaccionó 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 solución que contiene 20% de KNO3, de sólidos en peso y se concentra a 422 °K para obtener una solución de KNO3 al 50% de sólidos en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311°K, donde se obtienen cristales de KNO3 al 96% de sólidos en peso. La solución saturada que contiene 37.5% de KN03 de sólidos en peso se recircula al evaporador. Calcular la cantidad de corriente de recirculación R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h.

Solución:


47

Figura 14. Ejemplo 6.

Como base del cálculo usaremos 1000 kg/h de alimentación original. No se verifican reacciones químicas. Podemos efectuar el balance global del proceso (marco azul de la figura14) 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 recirculación, 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 sólo existen dos incógnitas, S y R y se obtiene que:

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

Para el balance de KN03 en el cristalizador,

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

Sustituyendo el valor de S de la ecuación 13 en la 14 y despejando:

R = 766.6 kg, recirculado/h y S = 974.9 kg/h.

Resumiendo se tiene el siguiente cuadro; Donde E= entrada, C=consumo, A=Acumulación, G=generación y S=salidas.


48

Lección 9: Energía y Calor

fuente:clisampa.com/imagenes/ciclo.jpg

Antes de estudiar la conservación de la energía (Unidad 2.), se dará una mirada a los conceptos básicos de energía y calor como son;

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

En el sistema SI, la energía se expresa en joules (J) o kilojoules (kJ). La energía también se expresa en Btu, abreviatura de “British thermal units” (unidades térmicas inglesas) o en cal (calorías).

La caloría 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 kilocaloría, 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.


49

1 btu = 252.16 cal = 1.05506 kJ

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 calorífica.

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

Se puede demostrar que el valor numérico de la capacidad calorífica 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.ºC = 1.0 btu/lb mol.°F

Por ejemplo, para comprobar esto, supóngase que una sustancia tiene una capacidad calorífica de 0.8 Btu/lbm.°F. La conversión 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 caloríficas de los gases (también conocidas como calores específicos a presión constante, Cp, están en función de la temperatura y, para cálculos de ingeniería puede suponerse que son „independientes de la presión cuando se trata de pocas atmósferas. En la gran mayoría de los problemas de ingeniería el interés 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 varía con la temperatura, es necesario integrar o bien usar un valor promedio adecuado de Cpm.


50

Existen datos experimentales de estos valores medios para una T1 de 298°K o 25°C (77 ºF) y diversos valores de T2 (como los que se muestran en la tabla 3) a 101.325 kPa de presión o menos, con el valor de Cpm expresado en kJ/kg mol°K, a diferentes valores de T2 en °K o °C.

EJEMPLO 7: Una cierta cantidad de N2 gaseoso a 1 atm de presión se calienta 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)

Solución:

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

Ecuación 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 interpolación 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, más 673 hasta 1123 K.

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

Ecuación 16

Sustituyendo los valores apropiados en la ecuación,

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


51

resultados. Las capacidades caloríficas de sólidos y líquidos también dependen de la temperatura y son independientes de la presión.

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. ¿Cuánto calor se necesita?

Solución: La capacidad calorífica de la leche entera de vaca se asimila al del agua es 3.85 kJ/kg.K. La elevación de la temperatura es ΔT = (54.4 - 4.4) °C = 50 K.

Calor necesario = (4536 kg/h) (3.85 kJ/kg . K) (1/3600 h/s) (50 K) = 242.5 kW

La entalpía, H, de una sustancia en J/kg representa la suma de la energía interna más el término presión-volumen. Cuando no hay reacción y se trata de un proceso a presión constante y un cambio de temperatura, la variación de calor que se calcula con la ecuación 15 es la diferencia de entalpía, ΔH, 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 presión puede absorber 6014.4 kJ/kg mol. A este cambio de entalpía se le llama calor latente de fusión.

3

.


52

Cuando una fase líquida pasa a fase vapor con su presión de vapor a temperatura constante, se debe agregar cierta cantidad de calor que recibe el nombre de calor latente de vaporización. Para el agua a 25 °C y una presión de 23.75 mm de Hg, el calor latente es 44 020 kJ/kg mol. Por consiguiente, el efecto de la presión puede despreciarse para cálculos de ingeniería. Sin embargo, el efecto de la temperatura sobre el calor latente del agua es bastante considerable; además, el efecto de la presión sobre la capacidad calorífica del agua líquida es pequeño y puede despreciarse. EJEMPLO 9: Determine los cambios de entalpía (esto es, las cantidades de calor que deben añadirse) en cada uno de los siguientes casos en unidades SI y del sistema inglés. a) Calentamiento de 1 kg (lb,) de agua: de 21.11 °C (70 °F) a 60 °C (140 °F) a 101.325 kPa (1 atm) de presión. b) Calentamiento de 1 kg (lb,) de agua: 21.11 °C (70 ºF) a 115.6 °C (240 ºF) y vaporización a 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs). c) Vaporización de 1 kg (lb,) de agua a 115.6 °C (240 °F) y 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs). Solución: En la parte a), el efecto de la presión sobre la entalpía del agua líquida es despreciable. De tablas de vapor del agua A 21.11 °C = 88.60 kJ/kg o a 70 ° F = 38.09 btu/lb, A 60 °C = 251.13 kJ/kg o a 140 °F = 107.96 btu/lb, El cambio de H = ΔH = 251.13 - 88.60 = 162.53 kJ/kg = 107.96 - 38.09 = 69.87 btu/lb, En la parte b), de las tablas de vapor se encuentra que la entalpía a 115.6 °C (240 ºF) y 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs) de vapor saturado es 2699.9 kJ/kg o 1160.7 btu/lb, El cambio de H = ΔH = 2699.9 - 88.60 = 2611.3 kJ/kg= 1160.7 - 38.09 = 1122.6 btu/lb

El calor latente del agua a 115.6 °C (240 °F) en la parte c) es 2699.9 - 484.9 = 2215.0 kJ/kg=1160.7 - 208.44 = 952.26 btu/lb.

Lección 10. Fundamentos de costos de producción

Para tener éxito con un producto industrial se debe desarrollar siempre la

estructura financiera por esto es muy importante definir y calcular el presupuesto

de producción, el cual, va desde la adquisición de la materia prima hasta la

transformación de la misma, con la utilización de los recursos técnicos,


53

tecnológicos y humanos que sean para la obtención de un producto útil. Esta

actividad termina con el almacenamiento de estos productos.

El Presupuesto de producción planea las siguientes actividades:

1.- Cantidad de unidades a producir de cada tipo de producto de materiales, mano

de obra y CIF necesarios para su elaboración. Estos están basados en los

balances de masa, la distribución de planta, los balances energéticos y

determinación de equipos auxiliares.

2.- El Presupuesto de producción es una estimación, con objetivos definidos, de la

cantidad de bienes a ser fabricados durante el periodo que abarca el presupuesto.

Para lo cual es necesaria la investigación de mercado. 3.- El presupuesto de producción es la base principal para la planeación de

necesidades de materias primas, necesidades de mano de obra, necesidades de

efectivo y costos de fabricación.

Un plan de producción debe contener: 1. Las necesidades totales de producción por producto. 2. Las políticas de inventarios de producción y productos en proceso. 3. La capacidad de la planta en funcionamiento y los límites de desviaciones permisibles. 4. Políticas de expansión o contratación de la capacidad de la Planta. 5. Las compras de materias primas, su política de inventarios y disponibilidad de MO. 6. El efecto de la duración del tiempo de procesamiento. 7. Los lotes económicos. 8. La programación de la producción a través del periodo de presupuesto. Política de inventarios: Consiste en determinar el nivel de existencias económicamente más convenientes para las empresas. Para llegar a establecer una buena política de inventarios, se debe considerar los siguientes factores: 1. Las cantidades necesarias para satisfacer las necesidades de ventas. 2. La naturaleza perecedera de los artículos

3. La duración del periodo de producción.

4. La capacidad de almacenamiento

5. La suficiencia de capital de trabajo para financiar el inventario

6. Los costos de mantener el inventario

7. La protección contra la escasez de materias primas y mano de obra

8. La protección contra aumento de precios.

9. Los riesgos incluidos en inventario=> Bajas de precios.=> Obsolescencia de las

existencias.=> Pérdida por accidentes y robos=> Falta de demanda.


54

Cálculo del presupuesto de producción: Para la realización del presupuesto de

producción se debe tomar la información del presupuesto de ventas que es en

últimas el punto de partida de la presupuestación. Esta es la forma clásica del

cálculo del presupuesto de producción; pero se debe tener en cuenta también las

devoluciones y las pérdidas de calidad que se ocasionan en los procesos, también

es cierto que lo ideal es que no existieran estos inconvenientes en las plantas y

estos valores fueran cero (0).

Elementos del costo de producción: El presupuesto de producción es el lapso

inicial en la presupuestación de operaciones manufactureras. Además del

presupuesto de producción en unidades, hay otros tres presupuestos principales

que conforman los elementos del costo de fabricación.

1. Presupuesto de materiales: El presupuesto de materias primas generalmente

requiere los cuatro siguientes presupuestos:

a.- El presupuesto de materiales: este presupuesto especifica las cantidades

planeadas de cada materia prima necesaria para la producción según lo

determinado por los balances de materiales.

b.- El presupuesto de inventario de materiales: este presupuesto contiene la

política materias primas en términos de cantidades y costo. Se basa en lo que se

debe tener de remanente o stand-by.

c.- Presupuesto de compras: este presupuesto especifica las cantidades

estimadas a comprar, y el costo estimado para cada materia prima y las fechas de

entrega requeridas.

d.- Presupuesto de costos de materiales usados: Este presupuesto informa el

costo estimado de los materiales utilizados en el proceso de fabricación. Hace

referencia a lo consumido en una operación de fabricación.

Clasificación de los materiales: Los materiales usados en el proceso de

fabricación se clasifican tradicionalmente como directos e indirectos.

Cálculo del presupuesto de materiales:

1.- Los datos básicos necesarios para desarrollar el presupuesto de materiales

son:

a.- El presupuesto de fabricación (en unidades del producto ).

b.- Las tasas estándares de uso por clase de materia prima y por producto. Se

define con la base de cálculo de los balances de materiales. O flujo de los mismos

en el proceso.

c.- La política de inventarios de materia prima (presupuesto de inventarios),

requiere la consideración de los mismos factores; los mismos enfoques y técnicas

para la toma de decisiones discutidas en el presupuesto de producción que se


55

relacionaban con la planificación y control de un equilibrio optimo entre ventas,

inventarios, producción.

d.- El presupuesto de compras se determina de la siguiente manera:

i.- El presupuesto de costo de materiales usados y el presupuesto relacionado del

inventario de materias primas de desarrolla utilizando uno de los métodos de

valoración de los materiales (Fifo, Lifo, promedio móvil y promedio ponderado).

2. Presupuesto de Mano de Obra Directa (MOD): Comprende los estimados de

las necesidades de mano de obra directa necesarias para producir los tipos y

cantidades de productos planeados en el presupuesto de producción. Este

presupuesto debe ser desarrollado en términos de hora de mano de obra directa y

de costo de mano de obra directa. Se determina según las operaciones unitarias y

de apoyo que tiene el proceso productivo, o sea se calcula según el diagrama de

proceso y complejidad de la producción.

• Clasificación: es necesario separar los costos de MOD de los costos de MOI por

las siguientes razones:

a.- Conocer la cantidad de HMOD necesaria

b.- Conocer el número de empleados requeridos para satisfacer le producción

c.- Conocer el costo de MOD por cada producto o unidad de proceso (operación

unitaria)

d.- Conocer las necesidades de efectivos. O sea por turno de trabajo.

e.- Establecer una base para el control ya sea dia, hora, mes,etc.

• Contenido:

1) Número de HMOD=> Por responsabilidad=> Por periodo: control

2) Costo de MOD=> Por productos: costos

3. Presupuesto de Costos Indirectos de Fabricación (CIF): Los CIF son todos

los costos que no están clasificados como mano de obra directa ni materiales

indirectos: Aunque los gastos de venta, generales y de administración también se

considera como gastos no forman parte de los costos indirectos de fabricación.

El presupuesto de CIF se divide en tres partes principalmente:

a.- Presupuesto de insumos: o Presupuesto de Consumo de Insumos: materiales

adicionales para la presentación y entrega del producto químico.

b.- Presupuesto de Inventario de Insumos

c.- Presupuesto de Compras de Insumos

d.- Presupuesto de Insumos Usados

Estos presupuestos se calculan de forma idéntica a los presupuestos de material.

e.- Presupuesto de Mano de Obra Indirecta (MOI): Se determina dependiendo del


56

organigrama de la empresa, es decir que la mano de obra directa o indirecta se

identifica plenamente en éste. Son los colaboradores que apoyan la producción.

f.- Presupuesto de otros CIF: En este Presupuesto se incluye gastos de papelería,

servicios públicos, depreciaciones, arriendos y todos los demás gastos en que

incurre la organización pero únicamente en la planta de producción.

TALLER.

1.-

2.-

3.-


57

CAPITULO 3. OPERACIONES CON FLUIDOS

fuente:www.fer-es.com/series/ggnk40n/fluidos.jpg

En este capítulo se estudiará las operaciones unitarias que involucran fluidos, pero antes se observarán las características, propiedades y leyes que rigen a estos fluidos.

También se estudiarán algunos procesos con fluidos y lso equipos necesarios para su control y operación.

Lección 11: características y propiedades de los fluidos

fuente:www.andaluciaimagen.com/Fluidos_13424.jpg

Un fluido puede definirse como una sustancia simple o compuesta, que ante los esfuerzos responde con un alto grado de deformación. Los esfuerzos pueden ser: Normales, cuando se aplican en sentido perpendicular al plano del fluido De corte o cizalladura, cuando se aplican en sentido tangencial al del plano del fluido.

Figura16. Esfuerzo de corte o cizalladura. fuente:www.ffyb.uba.ar/.../image001.gif


58

Un fluido posee la forma del recipiente que lo contiene y cualquier pequeño esfuerzo de cizalladura produce en los fluidos una deformación inelástica (es decir que al retirar el esfuerzo el fluido queda deformado) muy grande. La magnitud de los esfuerzos de cizalladura o corte, necesarios para producir el cambio de forma de un fluido, depende únicamente de la viscosidad del mismo y de la rata de “resbalamiento”. Ajustándose a estas consideraciones, los gases y líquidos constituyen los fluidos.

Características específicas de los fluidos son la viscosidad, la tensión superficial y la capilaridad, propiedades que son función de la temperatura y cuyas variaciones, al igual que las variaciones de otras propiedades como la densidad, calor específico, etc., pueden ser despreciables o muy amplias. En el caso de la densidad, su variación, con la temperatura en la mayoría de los líquidos es pequeña y puede asumirse despreciable, fluidos de esta clase reciben el nombre de incompresibles, en tanto que aquellos cuya densidad varía ampliamente con la temperatura, como el caso de los gases, recibe el nombre de compresibles.

Para el caso de la densidad, también la presión incide y causa cambios muy apreciables, aún para algunos líquidos; el comportamiento de estos, es el de fluidos compresibles (como algo excepcional), en tanto que algunos gases, que sufren pequeños cambios en presión y temperatura, actúan como fluidos incompresibles. El estudio de los fluidos puede orientarse a dos aspectos acorde al estado de reposo o movimiento de ellos. La fluidostática estudiará los fenómenos de los fluidos en reposo; para el caso de los líquidos recibe el nombre de Hidrostática, en tanto que para los gases se denominará Neumática; La fluidodinámica estudiará los fenómenos del movimiento relativo de los fluidos respecto a otros cuerpos.

Fluidostática

fuente:www.personalweb.unito.it/.../images/stevino.jpg

Es el estudio de los fluidos en reposo comprende el análisis de fuerzas que actúan en una columna de fluidos y sus aplicaciones en aparatos de medida. Cuando los fluidos están en reposo dentro de un recipiente, el cuerpo del fluido está en equilibrio estático y es sujeto únicamente a fuerzas de compresión. Considerando cualquier superficie dentro de un fluido en reposo, imaginémonos un plano que pasa por cualquier punto del fluido y en cualquier dirección.


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Sobre esta superficie o plano actúan fuerzas de compresión, cuyas líneas de acción son perpendiculares al plano y dado que el fluido está en equilibrio, existen fuerzas a uno y otro lado de la superficie, paralelas a ella y también en equilibrio.

Presión: En los fluidos se determina tomando una columna de un fluido cualquiera en estado de reposo, se encuentra que, para un plano paralelo a la base, la presión es constante y se denomina presión estática, siendo sus unidades kg/cm2, dinas/cm2 ó lb/ft2, leyéndose ésta última como libras por pie cuadrado.

Figura 16. Columna de fluido

fuente:www.educando.edu.do/.../ecuacion/fluido_4.gif

La presión estática para una altura h, depende del peso que soporta el área a esa altura h; es decir, la presión para un punto varía con la altura de la columna que está por encima de dicho punto. La presión estática para un punto dado, dentro de un plano del fluido, tiene exactamente el mismo valor en todas las direcciones y, a la vez, el punto ejerce igual presión sobre sus alrededores y en todas las direcciones.

Presión estática: Consideremos la columna de fluido en la figura 16, cuya altura es h y con un área A. Sobre dicha columna se ejerce la presión atmosférica Po. Las fuerzas que actúan sobre el punto 0 son las correspondientes a la de la presión atmosférica y el peso de la columna de fluido o sea

F = PoA + Mg Ecuación 17.

Siendo M el peso de la columna del líquido. Pero, a la vez, peso es igual a volumen V por densidad ρ, M = Vρ y V = hA, luego

F = PoA + Vρg = PoA + ρghA.

A la vez, la presión es la fuerza sobre el área en la cual está el punto 0, la presión estática es:

= P0 + ρgh Ecuación 18.

De esta ecuación concluimos que la presión P depende, para un fluido dado, sólo de la profundidad h. Basado en esta propiedad, Torricelli determinó


60

experimentalmente la presión que causa la capa gaseosa conocida como Atmósfera sobre una superficie a nivel del mar, universalmente se ha impuesto esta unidad, la presión atmosférica es de 760 mm de Hg.

Presión manométrica (gauge pressure): La presión manométrica de un fluido es la presión propia del mismo, sin tener en cuenta la presión atmosférica. Para el caso de la figura 16, la presión manométrica es:

P = ρgh Ecuación 19.

Presión absoluta (absolute pressure): Es la verdadera presión o presión total del fluido y es igual a la presión manométrica más la presión atmosférica.

EJEMPLO 10. Encuentre el valor en dinas/cm2 de la presión atmosférica; la densidad del mercurio es 13,6 g/cm3.

Solución : La presión atmosférica es de 760 mm de Hg, equivalente al peso de la columna de mercurio.

P = ρgh reemplazando valores p = 13,6 (g/cm3) X 980 cm/s2 X 76 cm P = 1012900 dinas / cm2 ó 1,013 X 106 dinas / cm2

En Newton/m2 la presión es 1,013 X 105 Nt/m2 equivalente a 1033 Kg/m2.

El valor de la presión atmosférica varía con la altura sobre el nivel del mar, ya que

Equilibrio Hidrostático: Se ha estudiado que la presión estática para un punto dado en un fluido, depende de la altura y es un valor constante en toda el área paralela a la superficie terrestre. Refiriéndonos a la figura 16 una columna del fluido que tiene densidad ρ kg/m3, presenta un área transversal de A m2, soportando a una altura h, m, una presión P kg/m2. Para un volumen infinitesimal,

, del fluido, con área A y altura , actúan fuerzas de compresión que están equilibradas en todas las direcciones. Igualmente actúa la fuerza de gravedad, que está contrarrestada por la reacción del fluido que se encuentra debajo del volumen infinitesimal. Expresando matemáticamente las fuerzas que actúan, tenemos:

a) Peso de la columna del fluido que se encuentra por encima del elemento , es igual

Fa = PA

b) La reacción de la columna de fluido que está por debajo del elemento es igual a


61

Fb = (P + ) A

Donde es la presión causada por la altura del elemento de volumen escogido y

c) El peso del elemento de volumen (por acción de la gravedad) y que es igual a masa por gravedad o:

Fc = (ρg/gc) equivalente a Fc = (ρg/gc) A

Dado que el elemento de volumen está en equilibrio, la sumatoria de fuerzas que actúan sobre él debe ser igual a cero, luego

PA + (ρg/gc )A – (P + ) A = 0 Ecuación 20.

Simplificando por A y reagrupando = ρg/gc

Ecuación 21.

Considerando que la densidad ρ del fluido no varía sensiblemente con la altura, como en el caso de fluidos no compresibles; la ecuación 21 puede ser integrada para dos alturas conocidas h1 y h2, obteniendo la expresión:

P2 – P1 = (ρg/gc )(h2 – h1) Ecuación 22.

Ecuación que expresa matemáticamente el equilibrio hidrostático.

Ecuación barométrica: En los gases se aplica la llamada ecuación barométrica para establecer la relación de presiones para dos puntos dados; la presión y la densidad de un gas ideal se relacionan por la ecuación:

Ecuación 23.

Siendo M el peso molecular y T temperatura absoluta; de la ecuación 21, reemplazando a ρ

Con T constante, e integrando entre los estados 1 y 2 obtenemos:

Ecuación 24.


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Ecuación conocida con el nombre de Ecuación Barométrica.

Decantación: Esta operación unitaria física emplea las densidades, pesos y presión entre los fluidos, ya que ciertas operaciones dinámicas ocurren tan lentamente que pueden considerarse como estáticas. Tal es el caso de la separación de líquidos no miscibles en grandes tanques. Para esta operación específica los principios de la Hidrostática pueden ser aplicados sin que ocurra una desviación incidente en los resultados obtenidos. Como en el caso de la sedimentación, la operación se fundamenta en el efecto de la gravedad, y en las densidades diferentes de las sustancias a separar y entre mayor sea la diferencia de densidad, ocurre más pronto la separación o el tamaño del recipiente sería menor. Algunos equipos para esta operación son:

Decantador continuo: La figura 18 presenta un decantador continuo, empleado en la separación de líquidos no miscibles. La operación se basa en la extremadamente baja velocidad de los líquidos en el tanque; al tomar tubos de rebose o de descarga de un diámetro lo suficientemente ancho para que la fricción en ellos sea baja, la presión en el nivel del líquido superior será igual a la presión de la descarga.

Figura 18. Decantador Continuo

fuente:www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizale EJEMPLO 11: En la industria de aceite de pescado, se debe separar por decantación una mezcla de una parte de aceite cuya ρ es 0,807 g/cm3 y tres partes de agua con ρ de 1,010 g/cm3. el proceso de extracción se hace con base en cochadas de 40 toneladas de líquido cada hora, tiempo adecuado para la decantación. Determinar: a) Las dimensiones de un tanque cilíndrico con diámetro igual a 0,75 de su altura. b) La altura de la tubería de descarga para el agua. Solución: a) El volumen se determina con base en la capacidad de líquidos contenidos; llamando Vt el volumen total del líquido, Vb el volumen de aceite y Va el volumen de agua.

Vt = Vb + Va a la vez Va = 3 Vb Luego

Vt = 3 Vb + Vb = 4 Vb Y, masa total = masa aceite + masa agua


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MT = Ma + Mb = ρa Va + ρbVb = 40 ton Reemplazando: 0,807 Vb + 1,010Va = 40 (teniendo densidades en ton/m3 y siendo Va = 3Vb) 0,807 Vb + 1,0103 (3 Vb) = 40 3,837 Vb = 40 Vb = 10,425 m3 Vt = 4 X 10,425 = 41,7 m3. Este volumen es el del líquido a contener en el tanque. Generalmente a los tanques que son abiertos y están a la presión atmosférica se les deja una cámara libre (espacio que no se ocupa) del 10 al 15% del volumen total; es decir, el volumen útil es del 85% al 90% del volumen total. Tomando una cámara libre del 10%, el volumen del tanque VT será: VT = D2h / 4 como D = 0,75 h. VT = 0,140625 h3 = 46,33 h3 = 104,876 h = 4,72 m d = 3,54 m un tanque con estos datos da un volumen de 46,45 m3. b) Para determinar la altura (Zc) de la tubería de descarga se toma el volumen real del líquido 41,7 m3. La altura total del líquido será: ZT = 4V / D2 = 4 X 41,7 / X (3,54)2 = 4,24 m La altura de la interface se calcula acorde al volumen de agua:

Va = 3 VT / 4 = 0,75 X 41,7 = 31,28 m3 Za = 4 X 31,28 / X (3,54)2 = 3,18 m.

Ya con estos valores se desarrolla:

Zc = Za (1 - ρb/ρa) + ZT (ρb / ρa) = 3,18 (1 – 0,807/1,01) + 4,24 (0,807/1,01) m Zc = 3,18 (1 – 0,799) + 4,24 (0,807/1,01) m = 4,02 m

Fuerza del peso del fluido: Para el caso de una columna de fluido, el peso de éste ejerce sobre un área plana una fuerza total:

F = P A = ρgh X A

Ecuación 25.

Medidores de presión: Según las anteriores consideraciones se debe tener en cuenta los equipos de medición de presión de fluidos para garantizar sus


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características y la seguridad de la planta como la velocidad dereacción de los mismos, entre algunos medidores se tienen: Manómetros de columna de líquido: El manómetro es el aparato más sencillo para medir la presión y se ajusta a la propiedad de que la presión para un punto dado es función de la profundidad, consta de un tubo en U que contiene un líquido uno de sus extremos abierto y por consiguiente soporta la presión atmosférica (P0), el otro extremo se conecta a un sistema, cuya presión (P) se desea medir, la ecuación característica del manómetro es:

Esta diferencia, P – Po, constituye la presión manométrica y puede ser medida directamente en el aparato, tomando una escala y divisiones apropiadas para h. Manómetro diferencial: Un segundo tipo de manómetro es el llamado diferencial, basado exactamente en el mismo principio de la columna de líquido. El manómetro diferencial consta de un tubo en U, en el cual se ha introducido una porción de un líquido A de densidad pa, y un líquido B, inmiscible A, y de densidad pB menor que pa; el líquido A por ser más denso, ocupará la parte inferior del tubo en U.

26

.

19


65

La medida P1 - P2, es independiente de las dimensiones del tubo en U. Manómetro de tubo cerrado, en U: Usando como líquido manométrico el mercurio, se tienen los tubos en U cerrados para medir exactamente la presión absoluta de un fluido. Existiendo un vacío perfecto en el extremo cerrado de la U como se aprecia en la figura 21. La escala se marca directamente en kg/cm2, atmósferas o libras/ in2 (psi) absolutas.

Figura 21 Manómetro de mercurio de tubo cerrado en U

fuente:(http://html.rincondelvago.com/files/9/5/2/000459520.png)

20

27


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Barómetro de mercurio: Este aparato, Figura 22, indica directamente la presión absoluta, en términos de la altura de la columna de mercurio. La presión barométrica normal es de una columna de 760 mm de mercurio a 0°C, equivalente a 1 atm. Cuando la escala se ha marcado para lecturas a 0°C, a diferentes temperaturas debe hacerse uso de los factores de corrección adecuados.

Figura 22. Barómetro de Mercurio. fuente:www.inamhi.gov.ec/imgs/dic/barome.gif

Manómetro mecánico: Los aparatos de más amplio uso actualmente son los manómetros mecánicos o manómetros de tubo Bourdon, consisten en un tubo metálico oval enrollado en forma circular, con un extremo sellado. El efecto de la presión en el tubo causa una flexión y un desplazamiento con un arco de ángulo. Un mecanismo sujeto a una aguja hace que ésta gire e indique en una escala, previamente graduada, la presión soportada.

Figura 23. Manómetro mecánico. fuente:www.sapiensman.com/.../images/manometro3.jpg

Los manómetros mecánicos deben ser calibrados periódicamente, ya que las flexiones periódicas en el tubo oval pueden causar deformaciones que, aunque pequeñas, pueden ser permanentes y afectan las lecturas de la presión.


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Igualmente, hay limitaciones por efectos de temperaturas que causan dilataciones del material.

FIGURA 24. Manómetros mecánicos.

Flotación: Numerosos cuerpos de diferentes formas y pesos flotan en líquidos. Otros, como el caso de los globos inflados con Helio, ascienden en la atmósfera. También, numerosos cuerpos quedan suspendidos en los líquidos o en los gases. Un cuerpo liviano, como un trozo de madera o un corcho, flota en agua y se requiere de una fuerza para llevarlo al fondo de un recipiente; al suspender la fuerza el cuerpo sube de inmediato a la superficie. El líquido está ejerciendo sobre el cuerpo una fuerza que evita que él vaya al fondo.

Figura 25. Esquema de flotación de un cuerpo

Refiriéndose a la figura 25, en el recipiente se tiene un líquido de densidad ρ; en él se encuentra un cuerpo a una profundidad h de la superficie del líquido y en completo reposo. Haciendo un balance de fuerzas sobre el cuerpo, la fuerza resultante se llama fuerza de empuje

FE = -gV Ecuación 28.

El volumen del bloque es igual al volumen de líquido que el cuerpo ha desplazado y la fuerza de empuje FE se define como “el peso del volumen del líquido desalojado” y es el volumen del cuerpo que se hunde.


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El principio de Arquímedes se emplea en operaciones de separación de sólidos acorde a la densidad como flotación o sedimentación.

Fluidodinámica

fuente:cfd.enginsoft.it/immagini/fluidodinamica1.gif

Los fluidos, tanto líquidos como gases y vapores, son manejados en la industria bajo condiciones de movimiento y únicamente están en la condición estática cuando son almacenados en recipientes apropiados. La Dinámica de los fluidos estudia el comportamiento de ellos cuando están en movimiento y cómo este comportamiento se relaciona con fuerzas aplicadas.

Los Fluidos tienen diferentes formas de reaccionar cuando están sometidos a esfuerzos tangenciales, y ello da bases para el estudio de la dinámica de los fluidos. Cuando un fluido se mueve a través de un canal cerrado de cualquier forma de sección, puede hacerlo en dos formas con características muy definidas. Como se verá más adelante. Fue Osborne Reynolds, quien en 1883 realizó una serie de experimentos que permitieron definir y visualizar las dos formas del movimiento de un fluido: flujo laminar o flujo viscoso, a bajas de velocidades de desplazamiento del fluido y flujo turbulento, para velocidades mayores, la velocidad a la cual el fluido cambia su régimen de movimiento se llama velocidad crítica.

Viscosidad: Los fluidos presentan una propiedad conocida como fluidez, consistente en que, bajo una fuerza, se deforman inelástica y permanentemente; en general, aunque no resisten esfuerzos de cizalladura, presentan una cierta resistencia a las fuerzas cortantes. Al considerar una capa de fluido, ella presenta una cierta resistencia al moverse sobre otra, por lo tanto se requiere de una fuerza para hacer que la capa se mueva y adquiera una velocidad dada. La resistencia, que existe en los fluidos, a las fuerzas que producen la fluidez, se denomina viscosidad.


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Figura 26. Placas paralelas de un fluido

Viscosidad absoluta: Tomemos en un fluido dos capas que se entran a una distancia de L cm y cada una de ellas con una superficie de A cm2. (Ver figura 26).

Al suponer que la capa superior se mueve con una velocidad de v cm/s respecto a la capa inferior, se establece que es necesario aplicar una fuerza F en dinas para mantener la velocidad v de la capa superior. Se ha encontrado que la fuerza F es directamente proporcional a la velocidad v y a la superficie A e inversamente proporcional a la distancia L. Experimentalmente se establece que

Ecuación 29.

Donde μ, constante de proporcionalidad, es la Viscosidad absoluta, que puede expresarse mediante la ecuación

Ecuación 30.

Dimensionalmente la ecuación se expresa:

(ML/T2)L/(L/T)L2 = M/LT ó ML–1 T-1 En el sistema internacional las unidades de μ serán g.cm-1.s-1 denominados Poise en honor a Poiseulli, científico francés quien efectuó investigaciones fundamentales sobre viscosidad y comportamiento de los fluidos. Para la mayoría de los fluidos, el valor de la viscosidad en Poises es muy bajo, del orden de centésimas o milésimas de Poises; por tal razón que se ha universalizado el uso del centipoise como unidad de viscosidad, es equivalente a 10-2 poises. Por ejemplo, el agua a una temperatura de 20°C tiene una viscosidad de 0,0100 poises y se acostumbra a expresar que la viscosidad del agua es de 1 centipoise a esa temperatura. Viscosidad relativa: Es la viscosidad de un fluido relacionada con la viscosidad del agua a 20°C y tiene como una unidad el centipoise. La viscosidad relativa es numéricamente igual a la viscosidad absoluta, cuando ésta se expresa en centipoises. En el sistema inglés, la unidad de viscosidad no tiene nombre sino su


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expresión dimensional libra masa sobre pie segundo (lb-masa/ ft-s); un centipoise es igual a 0,0672 lb-masa/ft-s. Algunas veces en el sistema ingles se acostumbra a usar lb-masa / ft hr y un centipoise es igual a 2,42 lb-masa / ft hr.

Viscosidad Cinemática: Para un fluido de densidad ρg/cm3 y viscosidad absoluta μ poises, la viscosidad cinemática ν es la relación viscosidad absoluta sobre densidad.

ν = μ / ρ cm2/s Ecuación 31.

La unidad de la viscosidad cinemática es el Stoke es igual a 1 cm2/s

Fluidos newtonianos y no newtonianos: Los fluidos Newtonianos son los que obedecen a la ley de Newton de viscosidad:

yx = μ(- vx/ y) = μ

Ecuación 32.

Donde yx es el esfuerzo cortante actuando sobre un plano perpendicular a y en la dirección x (Pa), = (- vx/ y) : gradiente de velocidad (s -1) y μ es la viscosidad (Pa. s). Ciertos fluidos, incluidas muchas pastas, suspensiones, emulsiones y mezclas de materiales viscosos se llaman Fluidos no newtonianos, ya que no se comportan de acuerdo a la ecuación 32. En los fluidos no newtonianos la consistencia del fluido es función del esfuerzo cortante, lo mismo que de la presión y temperatura y, normalmente, se dividen en tres clases:

1) Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo o duración del esfuerzo. 2) Aquellos cuyas propiedades son dependientes de la duración del esfuerzo. 3) Los que exhiben características de sólidos. A la vez existen divisiones como

Independientes del tiempo: Plásticos Bingham Pseudoplásticos Dilatantes

Dependientes del tiempo: Tixotrópicos Reopécticos

Viscoelásticos: Poliméricos Reologísticos


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Lección 13. Ecuación de Continuidad

fuente:www.monografias.com/trabajos6/vuco/Image1837.gif

La ley de conservación de la materia es base fundamental para el estudio del flujo de fluidos y permite establecer una importante relación en el flujo de una corriente en un tubo. Consideremos un fluido que ingresa a un tubo cuya sección circular tiene una área Sa, el fluido inicialmente tiene una velocidad Va y densidad ρa y sale por una sección Sb del mismo tubo, con velocidad Vb y densidad ρb. Ver figura 27

Figura 27. Ecuación de continuidad.

La masa del fluido que entra por unidad de tiempo, será igual a la masa que sale por unidad de tiempo. Llamando w la rata de flujo, en masa por unidad de tiempo, se tiene

W = ρavasa = ρbvbsb Ecuación 33.

De la consideración anterior (masa que entra igual a masa que sale) se tiene, generalizando

Ecuación de continuidad W = v ρ s = Constante Ecuación 34.

Cuando la sección del tubo es bastante grande, la velocidad v no es la misma para todos los puntos de la sección, razón por la cual es necesario tomar la


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velocidad promedio en la misma. La velocidad de flujo de masa a través de un área diferencial situada en la sección del tubo es:

w = v ρ s

Integrando:

w = v ρ ∫ ds

La velocidad promedio, se define por

Ξ = W / ρs = q / s Ecuación 35.

Donde q es la rata o tasa volumétrica de flujo, en m3/s, cm3/s o m3/hr.

Reemplazando se establece:

v = W/ρS = v ∫ s/s

Que es la relación existente entre la velocidad promedio Ξ y la velocidad local v. Estas dos velocidades llegan a ser iguales solamente si la velocidad local v es igual en todos los puntos de la sección del tubo.

La ecuación de continuidad, para el flujo en un tubo de sección finita, se establece:

W = ρa vasa = ρbvbsb=ρvs= constante

Es de uso universal las tuberías de sección circular, cuya área s es D2/4 expresándose la ecuación para esta tubería como:

W=ρava /4 Da2= ρbvb /4Db

2

A la vez

ρava=(Db/Da)2ρb Vb

Con unidades en el sistema internacional de ρ en kg / m3 ó g/cm3 D en m ó cm v en m/s ó cm/s W en kg/s ó g/s Introduciendo el término G, velocidad de masa, en la ecuación 35

v ρ = W/s = G Ecuación 36.


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Esta relación W /s se conoce como Velocidad de masa G y es la relación de rata de flujo dividida por el área de la sección del tubo, sus unidades son kg / m2.s. ó g /cm2.s. Siendo independiente de la presión y temperatura; es muy importante el uso de la velocidad de masa en el estudio de los fluidos comprensibles, los cuales tienen densidades y ratas volumétricas que varían significativamente con la presión y la temperatura.

EJEMPLO 12. Un líquido con densidad 0,8 g /cm3 fluyen a través de un sistema de tuberías como se indica en la figura:

La tubería A tiene diámetro de 4” y calibre 80 La tubería B tiene diámetro de 3” y calibre 80 Las tuberías C tienen diámetro de 1 (1,5)” y calibre 40 A la tubería A entran 200 litros del liquido por minuto;

Determinar: a) La rata de flujo (kg / hr) en cada una de las tuberías

b) La velocidad lineal promedio (m/s) en cada tubería, y

c) La velocidad de masa (kg/ m2 .hr) igualmente para cada tubería Solución Para aplicar las fórmulas se requiere conocer el área seccional de cada tubería. Se tiene: Sa = Área de tubería A = 7,419 x 10-3m2 Sb = Área de tubería B = 4,766 x 10-3m2 Sc = Área de tubería C = 1,314 x 103m2

a. La rata del flujo ( kg / hr ) se obtiene a partir de una rata volumétrica de flujo q : q = 200 l/min x 60 min/hr x 10-3m3/l= 12 m3/hr como ρ = 0,8 g/cm3 ó 800 kg/m3 w = q ρ = 12 m3/hr x 800 kg/m3 = 9600kg/hr Esta rata de flujo es exactamente igual para las tuberías A y B; para la tuberías C, la, rata de flujo se reparte y como son de igual diámetro, la rata de flujo será la mitad.


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WC = 1/2WA + 1/2WB = 4800 kg/hr

b. La velocidad promedio lineal se determina a partir de la ecuación 35 tomando bien sea q ó w en m3/s ó kg/s, empleando q:

Para Vc se toma q como 6 m3 /hr, ya que el flujo se ha dividido en dos tuberías iguales.

Puede apreciarse que, para una misma rata de flujo (casos de tubería A y B), cuando se disminuye el diámetro de la tubería, aumenta la velocidad del fluido.

c. La velocidad de masa se calcula mediante la ecuación 36

Lección 13. Número de Reynolds – NRe ó Re:

Profundizando en sus estudios, Reynolds encontró que la velocidad crítica depende del diámetro del tubo, la velocidad lineal promedio del fluido, su densidad y su viscosidad.


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Encontró que estos cuatro factores pueden ser agrupados y que el cambio del tipo de flujo ocurre para una magnitud dada de los factores agrupados. Así:

NRe

Ecuación 37.

Donde D = diámetro inferior del tubo v = velocidad lineal promedio del fluido μ = viscosidad del fluido ρ = densidad del fluido

Para el manejo de esta ecuación debe tenerse en cuenta que el diámetro interior de una tubería es muy diferente al diámetro nominal de la misma. Dado un diámetro nominal y especificado el calibre de la tubería (grosor de la misma, es una cifra arbitraria), en tablas se encuentra el diámetro interior para tuberías de un material dado.

Por ejemplo para una tubería en acero de 2” de diámetro y calibre 80, el diámetro interior es 1,939”.

La velocidad promedio del líquido es la rata de flujo o volumen de flujo dividido por el área seccional de la tubería; esta área seccional, igualmente se encuentra en tablas para un diámetro nominal dado.

Para el número de Reynolds se puede emplear la velocidad masa del fluido G, en g/cm2.s, ya que

G = Eρ (cm/s x g/cm3), g/cm2.s

NRe

Ecuación 38.

La viscosidad del fluido μ, se refiere a la viscosidad absoluta; aunque también puede emplearse para hallar el NRe la viscosidad cinemática, recordando que ν‟ = μ/ ρ stokes ó cm2/s

NRe

Ecuación 39.

El numero de Reynolds es una cifra adimensional (no tiene unidades).


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EJEMPLO 13. Agua a 38°C fluye a través de una tubería de 4” de diámetro, calibre 40 a una rata de 23,5 l / min. Determine el NRe.

Solución: De las tablas para una tubería de 4” cal 40: D1 = 4,026 pulgadas y el área seccional es 0,0884 ft2 es decir. D1= 10,22 cm y el área interior 82 cm2

La velocidad lineal será:

De las tablas para la temperatura de 38 °C ρ = 0,993 g /cm3 μ = 0, 682 centipoises = 0,682 x 10-2 g/cm .s Luego

Se ha establecido que para NRe inferior a 2100 se tiene un flujo laminar o viscoso, para tuberías de área seccional circular o recta y cuando el NRe es superior a 4000 siempre se tiene un flujo turbulento. Para valores entre 2100 y 4000, el flujo puede ser laminar o turbulento dependiendo de las condiciones de entrada del fluido en la tubería y de la distancia a la cual se mide la velocidad. La franja para NRe entre 2.100 y 4.000 se conoce como región de transición.

Longitud de transición: Se denomina longitud de transición a la longitud de tubería (en segmento recto) necesaria para que se alcance la distribución final de la velocidad o exista una estabilización en la velocidad del fluido. Esta es importante porque determina donde colocar un medidor después de cambiar las condiciones de flujo, ya sea por cambios en la tubería o accesorios. Para el régimen laminar, se tiene la relación:

XT / D = 0,05 Re Ecuación 40.

Donde XT es la longitud de transición D el diámetro nominal de la tubería. En el flujo turbulento esta longitud es independiente del NRe y generalmente la longitud de transición es 40 a 50 veces el diámetro de la tubería. La aplicación práctica de la longitud de transición radica en el hecho de poder determinar las longitudes mínimas a las cuales pueden colocarse aparatos de


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medida o de control como termómetros, manómetros, trasductores, etc., ya que tan solo a esa distancia el flujo se normaliza y las lecturas serán las correctas. Para el flujo turbulento, las curvas son más abiertas e igualmente la relación v/vmáx tiene a cero hacia las paredes de la tubería. La velocidad promedio v es aproximadamente Igual a 0,8 veces la máxima velocidad v = 0,8 vmax. La relación v/vmáx puede graficarse en función del NRe para fluidos que circulan en tuberías rectas, de partes interiores muy lisas sin cambiar su sección circular ni cambios de temperatura. En la figura 28 puede apreciarse la curva correspondiente. Su análisis nos permite visualizar que para NRe= 2100 la relación v/vmáx es igual a 0,5; a medida que NRe aumenta el valor de la relación va aumentando hasta alcanzar valores muy próximos a 0,8 para NRe altos. Interrelacionando y analizando las curvas de la figura 28, independientemente del régimen del flujo, siempre en las zonas muy próximas a las paredes de la tubería existe un flujo laminar. Cuando existe un régimen turbulento, en la sección circular existirá un punto para el cual se tiene la velocidad crítica y una película de fluido tendrá el carácter de flujo laminar.

Figura 28. NRe vs V/Vmax

EJEMPLO 14: Para una tubería de 2” y un flujo cuyo NRe es de 1500, determine a qué distancia de la entrada a la tubería puede colocarse un termómetro.

Solución De la ecuación XT = 0,05 NRe D

XT = 0,05 x 1500 x 2” x 2,54 cm/pulg = 381 cm


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Esta distancia parece excesiva, pero debe tenerse en cuenta que se tiene un régimen laminar con NRe bastante bajo.

Lección 14. Ecuación de Bernoulli

fuente:www.fisicanet.com.ar/.../ap1/bernoulli01.gif

Para el flujo de fluidos, los principios de conservación de la materia y de conservación de la energía pueden ser aplicados. Establecidos los balances correspondientes se obtiene la llamada Ecuación de Bernoulli. Inicialmente debe tenerse en cuenta una consideración respecto a la viscosidad del fluido.

Se ha establecido que la velocidad del fluido es diferente en el área seccional de la tubería, pues varía de acuerdo a la distancia al centro de la misma. El fluido en las capas límites o muy cercanas a la pared de la tubería está sujeto a esfuerzos cortantes (por la diferencias en la velocidad) y cualquier estudio en la mecánica de dichas capas debe tener en cuenta dichos esfuerzos, que están siendo involucrados en la viscosidad (μ). Se recuerda que la viscosidad está definida por la ecuación.

μ = LF / vA

Ecuación 41.

Siendo L: la distancia entre las capas de fluido F: la fuerza debida al esfuerzo cortante v: velocidad del fluido A: Área de la capa

Figura 29. Ecuación de Bernoulli.


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Cuando la velocidad del fluido es constante en los diversos puntos del área seccional, la viscosidad no se tiene en cuenta para los estudios correspondientes. El estudio de la ecuación de Bernoulli se tomará inicialmente bajo esta última consideración. Tomando el sistema de la figura 29, se succiona un fluido en el punto a y se descarga en el punto b a través de una tubería de diámetro, D, dado.

Para el punto a entra el fluido con un volumen especifico Va (m3/kg.), a una presión Pa (en kg/m2) y velocidad promedio va m/s. El punto a esta a altura ha (m) de un nivel de referencia 00‟. El fluido descarga en el punto b, situado a una altura hb del nivel de referencia; el fluido para este punto tiene un volumen específico Vb, descarga a una presión pb y velocidad promedio vb.

Tomando como base de cálculo un Kilogramo del fluido cuya densidad es ρ (kg/ m3) y asumiendo que no existen cambios de temperatura (puede asumirse a ρ como constante), el fluido tendrá para el punto a, una energía potencial.

Epa = g / gc ha (kg-m)

Una energía cinética

Eca = 1/2 va2 / gc (kg –m)

Y por efecto de la presión Pa, el fluido ha ejercido un trabajo PV, o un

Ep va = P2V2, pero a la vez Va =1/ p Ep va = Pa/ρ ( kg –m )

La energía total del kilogramo del fluido para el punto a

Ea = Pa/ρ + g/gc ha + 1/2 va2/gc

Ecuación 42

Efectuando un tratamiento similar para el punto b se tiene Eb = Pb/ρ + g/gc hb + ½ va

2/gc

Ecuación 43

Aplicando la ley de conservación de la energía

Pa/ρ + g/gcha + ½va2/gc = Pb/ρ + g/gc hb+ ½vb

2/gc

Ecuación 44

La ecuación 44 es la ecuación de Bernoulli, en la que no se ha tomado en cuenta trabajo interno al sistema, ni fricciones internas para el flujo de fluidos incomprensibles, ya que se ha asumido ρ constante. La ecuación establece las interdependencias entre la presión altura y velocidad de un sistema. Cuando se modifica la velocidad del sistema, por ejemplo reduciéndola, la altura o la presión o ambas se incrementan y cuando la velocidad aumenta, lo hace a


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expensas de la altura o la presión o ambas. Cuando la altura cambia existe un cambio en la presión o en la velocidad o en ambas.

Para que la ecuación de Bernoulli sea dimensionalmente consistente se ha introducido el factor dimensional gc, y si bien la relación g/gc numéricamente es igual a 1,00, no debe omitirse, pues si bien los resultados numéricos son iguales, dimensionalmente son incorrectos. En el desarrollo de la ingeniería, es común expresar las ecuación de Bernoulli en términos de altura, puede decirse que es una práctica universal y continuamente se habla de cabeza o altura del sistema .

El estudiante debe acostumbrarse a este lenguaje sin olvidar las unidades correctas de la ecuación, unidades de energía y no de altura.

EJEMPLO 15: Un tanque de almacenamiento de agua se encuentra a 50 metros del piso, su altura es de 5 metros y del fondo sale una tubería que descarga a 1 m del piso. Determine la velocidad del agua del flujo a la descarga de la tubería de 5,05 cm de diámetro.

Solución

De acuerdo a la figura establecemos la ecuación de Bernoulli para los puntos a y b. Puede asumirse que Pa = Pb, ya que a la variación de la presión atmosférica en 54 m es despreciable. Igualmente va puede tomarse como 0, dada el área del tanque.

Aplicando Bernoulli

g/gcha=½vb2/gc +g/gchb


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Tomando g/gc = 1,00

Vb = (2g( ha– hb)1/2 = (2x9,8x 54)1/2 m/s

Vb = 32, 53m/s

Y el flujo Q = A * v

Q = 0,065 m3 / s = 234 m3/h

Ecuación de Bernoulli - Correcciones: En las operaciones de flujo, los fluidos generalmente están delimitados por superficies sólidas dando lugar a variaciones en la velocidad, por efecto de la distribución de la misma y por fenómeno de fricción; ya que las superficies nunca son perfectamente lisas presentando mayor o menor rugosidad. Las variaciones de velocidad causan modificaciones en la energía cinética del sistema, en tanto que la fricción afecta el balance de energía.

Llamando ∝ al factor que modifica la energía cinética por efecto de la velocidad y hf a la energía que desaparece del sistema como calor, por efecto de la fricción, la ecuación de Bernoulli se convierte en

Pa/ρa + g/gcha + ∝ava2/2gc = Pb/ρb + g/gchb + ∝b/2vb

2/gc + hf Ecuación 45.

∝ varía el número de Reynolds y tiene los valores entre 1,03 y 1,13 para un régimen turbulento, disminuyendo a medida que el NRe aumenta, como se aprecia en la Tabla 4.

Tabla 4. Corrección para la Ec. de Bernoulli.


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∝ puede tomarse como 1 sin error apreciable, a menos que el termino de energía cinética sea importante en comparación con los otros términos de la ecuación de

Bernoulli. Se ha establecido la expresión matemática de ∝ como

∞ = ∫A(v/vm)3 A

Donde A: es el área de la sección del ducto v: velocidad del fluido vm: velocidad media de la sección recta

Ecuación de Cantidad de movimiento.

fuente:www.fisica-facil.com/.../GraficoC/Choque12.gif

La ley fundamental de la mecánica, o tercera ley de Newton, establece la correlación entre la fuerza que recibe o aplica un cuerpo, la masa y la velocidad del mismo. Recordando que el momentum, o cantidad del movimiento para un cuerpo, se expresa por:

dP = d mv

Cuando m es constante

dP = m dv

Igualmente la tercera ley newton se expresa

F = dP / dt

Reemplazando obtenemos

F = m dv/dt

Como dv/dt = a Siendo a la aceleración del cuerpo, la ley de Newton se expresa

F = ma Esta ley se aplica a los fluidos de movimiento: la fuerza resultante total que actúa sobre una corriente de un fluido es proporcional a la cantidad de movimiento del


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fluido. Se supone un ducto en el cual se transporta un fluido de masa m con una velocidad inicial v1 saliendo del ducto con velocidad final v2; considerando una sección del ducto, la velocidad del flujo másico a través de dicha sección puede considerarse constante dentro de ella y puede tomarse como Δm.

La cantidad de movimiento inicial es P1 = Δm v1 La cantidad de movimiento final es P2 = Δ m v2

El cambio en la cantidad de movimiento obedece a la acción de una fuerza F que actúa sobre el fluido del movimiento.

Fgc = Δm(v2–v1)

Se introduce gc para obtener la consistencia de la ecuación.

Para obtener la fuerza que actúa sobre el tramo del ducto, se integra la ecuación para los valores de m entre 0 y el correspondiente m al área A seccional del tramo.

Ecuación que corresponde a la variación de la cantidad de movimiento de un fluido bajo el influjo de una fuerza. La Importancia de la ecuación de cantidad de movimiento o momentum, radica en su uso en cálculos de transferencia de calor en donde se establece que el monentum es constante durante la transferencia de calor y su variación obedece a factores externos a la operación técnica.

Medidores de Flujo.

fuente:www.dosiclor.com/images/medflujox.jpg

Para el flujo por tuberías existen aparatos o dispositivos que se diseñan con el fin de medir el flujo. El principio fundamental de estos aparatos es crear, artificialmente, una caída de presión en el fluido, la cual puede ser medida y este dato ser relacionado con un flujo.


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La caída de presión puede ser ocasionada por cambios en la energía cinética (tubo pitot) o por pérdida de carga momentánea debida a fricciones en el fluido (medidores de orificio). Al generar una caída de presión artificial, es necesario estudiar qué sucede con el balance de energía. Recordemos que en la ecuación de Bernoulli existen tres términos principales y otros términos accesorios. Para nuestro caso, no tenemos variación de alturas; por lo tanto la ecuación de Bernoulli podría escribirse así:

P1/ρ + v12/2gc = P2/ρ + v2

2/2gc + HL

Ecuación 46.

En donde: HL : pérdidas debido a fricciones en el fluido ocasionadas por el aparato de medida.

La fórmula anterior puede reordenarse así:

v22 - v1

2 = 2gc[(P1 - P2)/ρ - HL]

Si recordamos que la ecuación de continuidad nos dice que

v1A1 = v2A2

En donde A1 y A2 son las áreas de las secciones transversales en los puntos 1 y 2 Podemos despejar a v2, y tenemos

v 2 = v1A1/A2

Reemplazando este último término en la ecuación 46, tenemos:

v12 =( v1

2/v22 - 1) = 2gc (ΔP2/ρ - HL)

O, Bien:

Ecuación 47

La ecuación 47 es la fórmula general para aplicar a cualquier tipo de aparato de medida de flujo. Por lo general, el término Δ P = P1 – P2 de la ecuación 47, se determina mediante un manómetro diferencial o mediante otro tipo de manómetro de buena sensibilidad y precisión.


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Medidores de orificio

Figura 30. Medidor de Orificio

El medidor de orificio es el más elemental de los dispositivos de medida. Consiste en un plato cilíndrico con un orificio circular en el centro del plato. Uno de los bordes es agudo y el otro es biselado. El plato se inserta en la tubería mediante bridas que lo fijan perpendicularmente al flujo, con el borde agudo colocado frente a la corriente. El paso del fluido a través del orificio ocasiona una caída de presión que se puede medir mediante un manómetro diferencial. Para facilitar el cálculo sobre medidores de orificio, la ecuación 47 puede sufrir algunas transformaciones, así:

Sea

(ΔP/ρ - HL) = C02 (ΔP/ρ)

Efectuando el reemplazo correspondiente, tenemos:

Ecuación 48

En donde: v1 : Velocidad del fluido en la tubería, en L θ-1 ΔP : Caída de presión a través del orificio en F L-2 ρ : Densidad del fluido, en M L –3 A1 : Area interna de la tubería, en L2 Ao : Area del orifico, en L2 gc : factor de conversión gravitacional, en M/FL/θ2 C0 : Coeficiente del orificio, adimensional El coeficiente del orificio, C0 , se determina experimentalmente.


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Medidor venturi

Figura 31 Medidor Venturi

En este tipo de medidor, las pérdidas debido a la fricción del fluido con el venturi son prácticamente despreciables. La ecuación de velocidad estudiada para los medidores de orificio, puede ser utilizada en el caso de medidores venturi; pero entonces el Co se convierte en Cv y su valor es de 0,98 en casi todos los casos:

Ecuación 49.

En donde: Cv : Coeficiente del medidor venturi, adimensional, generalmente igual a 0,98. Av : Area en la garganta del venturi, L2

La ecuación anterior puede ser transformada para expresar flujo o caudal Q, ó también velocidad másica G, así:

Ecuación 50.


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Tubo Pitot

Figura 32. Tubo Pitot

Este medidor consiste en dos tubos concéntricos que se colocan en la misma dirección del flujo. El tubo exterior tiene unas perforaciones pequeñas que permiten la entrada del líquido en sentido perpendicular a la dirección del flujo. El tubo interior recibe el impacto del fluido en forma directa. Finalmente, los tubos concéntricos están conectados con un manómetro diferencial que mide la diferencia de presione. Podemos observar que la diferencia de presiones se debe fundamentalmente a diferencia en la energía cinética del fluido, debida a la velocidad, mientras que el tubo concéntrico exterior no recibe impacto y no resiste a ninguna energía cinética. La fórmula que rige el comportamiento de un tubo Pitot es:

En donde Cp : Coeficiente del tubo Pitot generalmente igual a 1,0 (adimensional)

Rotámetros

FIGURA 33. Rotámetros


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El Rotámetro es un dispositivo que consiste fundamentalmente, en un tubo de área transversal variable, que se conecta siempre en forma vertical para que el flujo pase de abajo hacia arriba, empuñando un flotador que se encuentra dentro del tubo. El flotador del rotámetro subirá hasta que el empuje ejercido por el fluido sea igual al peso del flotador. Los Rotámetros deben tener una mirilla transparente hay una escala que permite tomar posiciones de referencia del flotador. La posición de referencia del flotador del Rotámetro es la que permite establecer un flujo mediante una relación en la cual, a mayor altura que se encuentra el flotador, mayor será el flujo que pase por el Rotámetro. Existen algunas relaciones matemáticas que permiten calcular la velocidad del fluido, conociendo las características del flotador, la variación de área interna del rotámetro y otras variables.

Estas relaciones matemáticas suelen ser algo complejo; por esta razón, los fabricantes de estos dispositivos siempre deben suministrar una tabla que relacione la posición del flotador con el flujo que está pasando por el Rotámetro. Los Rotámetros son muy útiles cuando se desea regular manualmente mediante una válvula globo o de aguja, el flujo que debe pasar por una tubería.

Figura 34. Rotámetro de Flotador

Existen, además otros tipos de medidores del flujo, como los medidores de desplazamiento positivo, medidores ultrasónicos y magnéticos; sin embargo, los de mayor utilización en la industria son los vistos en este módulo.


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Lección 15. Aplicación en procesos industriales para fluidos.

Fuente: propia

Producción de leche entera

Figuran 35. Diagrama de flujo leche entera fuente:plantasquimicas.iespana.es/.../Figs/leche2.gif

Generalidades: La industria lechera en Colombia, ha tenido un gran auge en el país debido a la implantación de tecnología en la producción de leche desde el


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manejo del ganado lechero, el ordeño y el procesamiento de leche para el consumo directo, generando varios tipos de leche como la pasterizada, la ultrapasterizada, leche larga vida, deslactosada, cada uno de estos tipos de leche presentan sus ventajas con respecto a su tecnología, sus características físicas y químicas pero igualmente conservan su valor nutritivo y sus características organolépticas. Sin embargo en algunas regiones del país todavía se comercializa la leche sin pasterizar, convirtiéndose en un gran riesgo para la población que la consume.

La leche es un producto de gran valor proteico pero también bastante perecedero por lo que la mayoría de las fábricas que producían leche para el consumo directo, hoy en día transforman la leche en una gran variedad de productos como, las leches concentradas (evaporadas y condensadas), la leche en polvo, las leches fermentadas ( yogurt, Kumis, Kefir, entre otras), una gran variedad de quesos, y otros productos como el helado, el arequipe, el manjar-blanco, y demás postres cuya materia prima principal es la leche. Con la obtención de dichos productos se puede lograr un conservación por períodos más prolongados de la leche y contribuir a la nutrición del hombre en la medida que aportan los mismos nutrientes de la leche y mejor aún se logra una mejor digestibilidad de esos nutrientes.

Descripción del producto: el producto obtenido mediante proceso térmico en flujo continuo, aplicado a la leche cruda o termizada a una temperatura entre 135°C a 150 °C y tiempos entre 2 y 4 segundos, de tal forma que se compruebe la destrucción eficaz de las esporas bacterianas resistentes al calor, seguido inmediatamente de enfriamiento a temperatura ambiente y envasado aséptico en recipientes estériles con barreras a la luz y al oxígeno, cerrados herméticamente, para su posterior almacenamiento, con el fin de que se asegure la esterilidad comercial sin alterar de manera esencial ni su valor nutritivo ni sus características fisicoquímicas y organolépticas, la cual puede ser comercializada a temperatura ambiente.

Las características fisicoquímicas y microbiológicas de la leche UHT están definidas por el decreto 616 de 2006


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Tabla 5. Características de leche UHT.

Propiedades físicas y químicas de materias primas: La leche es un líquido de color blanco opalescente característico debido a la refracción de la luz cuando los rayos de luz inciden sobre las partículas coloidales de la leche en suspensión. Cuando es muy rica en grasa, presenta una coloración cremosa, debido al caroteno que contiene la grasa, la leche baja en grasa toma un color ligeramente azulado.

· El olor o aroma, de la leche fresca es ligeramente perceptible, sin embargo la leche está ácida o contienen bacterias coniformes, adquiere el olor característico de un establo o a estiércol de las vacas, por lo cual se le da el nombre de “olor a vaca”

· Sabor: la leche fresca tiene un sabor medio dulce, neutro debido a la lactosa que contiene.

Otras propiedades físicas son:

· Gravedad específica: oscila entre 1.028 – 1.034 expresada en grados de densidad. Al determinar la densidad de la leche con el lactodensímetro, ese valor debe ajustarse para una temperatura de 150C, adicionando o restando el factor de corrección de 0.0002 por cada grado centígrado leído por encima o por debajo de los 150C.


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· Densidad de la leche: está relacionada con la combinación de sus diferentes componentes: el agua (1.000 g/ml); la grasa (0.931g/ml); proteína (1.346g/ml); lactosa (1.666 g/ml) minerales (5.500 g/ml) y Sólidos no grasos (S.N.G. =1.616 g/ml). Por lo anterior la densidad de una leche entera sería aproximadamente de 1.032 g/ml, una leche descremada de 1.036 g/ml y una leche aguada tendría una densidad aproximada de 1.029 g/ml. · PH (concentración de hidrogeniones). El pH es el logaritmo del inverso de la concentración de iones de hidrógeno. Cuando la concentración de iones de hidrógeno es de 10-1 a 10-7, corresponde a un pH de 1 a 7 es decir, medio ácido. Si la concentración de iones de hidrógeno es de 10-7 a 10-14 (pH 7 a 14) el medio será alcalino (el pH =7 es neutro). Dichas variaciones depende del estado de sanidad de la leche y de los microorganismos responsables de convertir la lactosa en ácido láctico. · Acidez: la leche cruda presenta una acidez titulable resultante de cuatro reacciones, de las cuales las tres primeras corresponden a la acidez natural de la leche cruda y la cuarta reacción corresponde a la acidez que se va formando en la leche por acción de las bacterias contaminantes. Acidez natural se debe a:

1. Acidez de la caseína anfótera, constituye cerca de 2/5 partes de la acidez natural.

2. Acidez de las sustancias minerales, del CO2 y de ácidos orgánicos naturales, aproximadamente las 2/5 partes de la acidez natural.

3. Reacciones de los fosfatos, cerca de 1/5 parte de la acidez natural.

La determinación de la acidez de la leche es muy importante porque puede dar lugar a determinar el grado de alteración de la leche. Regularmente una leche fresca debe tener una acidez de 0.15 a 0.16%, valores menores pueden indicar que es una leche proveniente de vacas con mastitis, aguada o que contiene alguna sustancia química alcalina. Porcentajes mayores del 0.16%, indican que la leche contiene bacterias contaminantes.

Tabla 6. Composición media aproximada de la leche bovina


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Diagrama de flujo

Descripción de las etapas: La leche una vez recibida en la planta es sometida a una serie de tratamientos físicos que son realizados en las secciones de recepción y de proceso y su tratamiento depende del producto a elaborar.

Los tratamientos básicos son: • Enfriamiento • Higienización • Descremado • Homogenización • Tratamiento térmico (pasterización, refrigeración)

Enfriamiento: La leche que no vaya a ser procesada en un corto tiempo después de recibirse en la planta, debe ser enfriada a unas temperaturas entre 4 y 5ºC para almacenarla hasta que inicie su procesamiento. Sin embargo si la leche va a ser utilizada para la producción de quesos se debe mantener a una temperatura de 10ºC, ya que temperaturas más bajas afectan las propiedades del Caseinato de Calcio, componente básico para la producción de queso. El enfriamiento de la leche se efectúa en un Intercambiador de calor de placas, que consiste en un equipo provisto de placas en acero inoxidable colocadas paralelamente unas de otras y separadas por empaques de goma, su disposición en forma alterna permite que circule dos corrientes de flujo: el de la leche y el de agua helada, que se encuentra a una temperatura entre 2 y 2.5ºC, encargándose de absorber el calor de la leche y enfriarla. A las temperaturas óptimas para su almacenamiento. (4 a 5ºC).


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El intercambiador de calor también se utiliza para el tratamiento térmico de la leche específicamente para la pasterización alta, por lo que se tratará con más detenimiento en el numeral relacionado con la pasterización.

Almacenamiento: Una vez fría la leche se transporta a tanques de almacenamiento de donde se enviarán a las diferentes secciones de proceso, normalmente la capacidad de los tanques de almacenamiento de la leche se determina con base a la capacidad de producción de la planta es decir a la capacidad que tiene la planta de producir un volumen determinado de productos. La capacidad adecuada del tanque de almacenamiento será la diferencia entre el volumen de la leche que se recibe en determinado período y el volumen de la leche que se industrializa, lo cual dará la capacidad del tanque de almacenamiento de le leche que no se industrializará en ese mismo período, sin embargo es importante dar un margen mayor en la capacidad de los tanques para situaciones imprevistas.

Los tanques de almacenamiento deben cumplir con las siguientes especificaciones: el material de construcción debe ser en acero inoxidable, provistos de un sistema cerrado, puede estar en posición horizontal o vertical, debe poseer un agitador tipo sanitario, tablero de control con indicadores de medición de volumen y temperatura. Deben estar diseñados con las condiciones necesarias para almacenar la leche a temperaturas entre 4 y 5 ºC por un período mínimo de 20 horas en climas fríos o templados pero en climas cálidos se les debe instalar un material aislante. Su ubicación puede ser en la sección de recepción o de proceso, en el último caso debe estar cerca de los clarificadores e intercambiadores de calor.

Higienización: Debido a que la leche cruda generalmente contiene macro y micro partículas o cuerpos extraños que pueden haberse originado durante las operaciones antes y después del ordeño, según las condiciones sanitarias con que se has realizado, Es necesario entonces realizar las operaciones de filtración y centrifugación en la etapa de recepción de la leche con el fin de eliminar toda impureza que traiga antes de someterla a las otras operaciones para su industrialización. La operación de centrifugación se realiza en unos equipos llamados clarificadores.

Filtración: Esta operación consiste en pasar la leche por unos filtros de tela sintética o algodón, en el momento de traspasar la leche que viene de su centro de acopio (granja) al tanque de balanza donde se realiza la eliminación inicial de las macropartículas o elementos extraños que trae la leche cruda. Normalmente se realiza un segundo filtrado al precalentar la leche en el intercambiador de calor que generalmente está provisto de filtros a presión.

Clarificación o centrifugación: Esta operación consiste en llevar la leche a una clarificadora que funcionan por centrifugación separando en la superficie de la pared interna del aparato todos los contaminantes que quedan después de


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haberla sometido a la filtración el diseño de este máquina es semejante al de una descremadora, con algunas diferencias según sea el tratamiento de la leche a realizar.

Bactofugación: Es la operación mediante la cual la leche se somete a un equipo de bactofugación para separar además de las partículas contaminantes de la leche, cierto tipo de bacterias esporuladas como los bacilos y los Clostridium, que producen efectos nocivos en la producción de algunos quesos como el Gruyére y Emmenthal. Mediante esta operación se logra eliminar alrededor del 90% de las bacterias mencionadas con un pérdida máxima del 1.5% de leche. Una mayor eficacia en el proceso se logra reduciendo la viscosidad de la leche mediante el calor sometiéndola a unas temperaturas entre el 60 y 65ºC.

Homogenización: Esta operación se aplica a la leche con el fin de reducir el tamaño de los glóbulos grasos de la leche o la crema y evitar la aparición de la grasa en la superficie al separarse la fase hídrica de la materia grasa. El procedimiento consiste en someter la leche a unas presiones entre 250 a 350 kilogramos por centímetro cuadrado cuando se conduce a través de un tubo cerrado por el orificio externo o salida de la leche con un tapón cónico de acero, donde choca con gran fuerza lográndose el rompimiento de los glóbulos grasos de la leche hasta obtener un tamaño entre 1 a 2 micras. La salida de la leche por la abertura del tapón produciéndose una reducción rápida de la presión de la leche ocasionando el estallido del glóbulo graso. La operación de homogenización se puede realizar antes o después de la pasterización y es importante analizar la ventaja de uno y otro proceso desde el punto de vista microbiológico.

Cuando la pasterización se realiza antes, de la homogenización, en un leche contaminada por bacterias entre las cuales se encuentran los Staphylococcus, que se agrupan en forma de racimos, o las Sarcinas que se agrupan en paquetes, al recibir la leche el tratamiento de pasterización se eliminan las bacterias de la superficie y sobreviven las del centro, entonces cuando se aplica la homogenización se rompen los racimos o paquetes produciéndose un conteo mayor de células bacterianas. Cuando se realiza primero la homogenización y después la pasterización, las agrupaciones de bacterias mencionadas, se separan y se convierten en cocos aislados, los cuales se destruyen más fácilmente por acción del calor. La temperatura de homogenización aconsejable es de 65 a 70ºC; sin embargo un efecto desfavorable en este procedimiento es que se aumenta la superficie de materia grasa ( al reducirse el tamaño del glóbulo graso) lo que disminuye la acción de los agentes químicos emulsificantes y protectores del glóbulo graso, la lecitina y las proteínas de la membrana del glóbulo y con ello los triglicéridos quedan expuestos a la acción de la lipasa, ocasionando el efecto de rancidez de la crema, efecto que se puede obviar si se somete la crema a una pasterización alta, cuya temperatura sea de 90ºC por 15 a 20 segundos, con el fin de inactivar o destruir la enzima.


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Descremado: Esta operación tiene como objetivo separar parcialmente o totalmente el contenido de materia grasa de la leche. Para este se utiliza una descremadora que opera por centrifugación. Y su diseño es parecido a la clarificadora. Para lograr un descremado óptimo se debe someter la leche a una temperatura entre 30 y 35ºC. El descremado total de la leche se utiliza para obtener una crema con un alto contenido de materia grasa (aproximado a 40%) la cual se utiliza en la elaboración de la mantequilla. El descremado parcial es utilizado para reducir el contenido graso de la leche que se necesita en la elaboración de quesos, o productos tipo light y dicha proporción dependerá del tipo de queso o producto a obtener. La leche descremada tiene una variedad de usos entre los cuales se encuentra la producción de quesos de diferente contenido graso, la producción de leche en polvo descremada o para la producción de caseína.

Tratamiento Térmico : Cualesquiera que sea el tipo de leche de productos o subproductos a obtener se requiere someter la leche a un tratamiento térmico previo. Este tratamiento tiene varios objetivos a saber:

• Destruir todos los agentes patógenos causantes de enfermedades al hombre tales como bacterias, Rickettsias, virus, protozoarios. • Reducir los microorganismos saprofitos que son los que generalmente afectan la calidad de la leche y sus productos. • Aumentar el período de conservación de la leche y sus productos. El nombre de pasterización se debe al químico francés Louis Pasteur quien a finales del siglo XXI descubrió a través de sus investigaciones la manera de eliminar las levaduras indeseables en la fermentación del vino y de la cerveza, mediante la aplicación de calor a una temperatura aproximada de 65 por 30 minutos logrando así que las levaduras fundamentales para la elaboración de estos productos pudieran crecer. A fines del mismo siglo el procedimiento realizado por Pasteur se aplicó a la leche obteniéndose los resultados favorables con respecto a la conservación de la calidad microbiológica de la leche, sin alterar su calidad organoléptica. Hoy en día se realiza este tratamiento en la elaboración de muchos productos que pertenecen a otros grupos de alimentos, como frutas, hortalizas entre otros. La pasterización es entonces un tratamiento térmico por debajo del punto de ebullición del agua y en un tiempo mínimo que permita las destrucción total de los microorganismos patógenos, se han realizados diferentes ensayos para determinar las diferentes combinaciones de tiempo y temperatura a los cuales se destruyen las bacterias patógenas que pueden crecer en el medio de la leche, obteniéndose los resultados que aparecen en la tabla %%%. El equipo más utilizado hoy en día para la pasterización de la leche es el intercambiador de calor de placas, más adelante se dará una breve descripción de este equipo.


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Tratamiento de residuos: Una planta de tratamiento para efluentes lácteos requiere ser diseñada para remover los niveles contaminantes de parámetros tales como: DBO, aceites y grasas, sólidos suspendidos, y para corregir el pH del efluente. Debido a que en la mayoría de los casos se requiere lograr niveles en el parámetro DBO menores a 500 mg/L, es necesario diseñar un sistema de tratamiento que considere un pretratamiento y un tratamiento biológico.

El pretratamiento puede ser del tipo físico o físico-químico, dependiendo de las concentraciones que presenten aquellos contaminantes inhibidores del proceso biológico. A continuación, se describirán las alternativas de solución para cada uno de estos tratamientos.

Tratamientos físicos: Los procesos físicos involucran operaciones gravitacionales, manuales o mecánicas, que permiten remover básicamente sólidos de distinta granulometría y densidad del efluente.

Las operaciones unitarias involucradas son las siguientes: • Separación de sólidos gruesos • Separación de sólidos molestos. • Separación de sólidos no putrescibles • Separación de sólidos finos • Cámara desgrasadora o coalescedores • Estanque de Ecualización

Tratamientos químicos: La etapa de tratamiento químico involucra la separación de la materia suspendida del efluente. Entre la materia suspendida se incluye a las proteínas, las cuales se coagulan bajo condiciones de balance químico y pH específicas.

• Ajuste de pH • Coagulación • Floculación y preparación de polímero • Flotación

Tratamientos biológicos: El tratamiento biológico en efluentes lácteos tiene por objetivo reducir el parámetro DBO, el cual es aportado básicamente por proteínas, carbohidratos, azúcar, lactosa y detergentes. Uno de los tratamientos más aplicados es el aerobio, el cual acepta como principales tecnologías lagunas aireadas, lodos activados en sus versiones aireación extendida, zanja de oxidación, reactor batch secuencial, etc. En la línea de alimentación al proceso biológico se adicionarán los nutrientes necesarios, a base de nitrógeno y fósforo, para lograr la complementación alimenticia, necesaria para el óptimo crecimiento de las bacterias y la consecuente biodegradación de la materia orgánica remanente.


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AUTOEVALUACION UNIDAD 1.


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UNIDAD 2. OPERACIONES CON SÓLIDOS, PETROQUÍMICA Y FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA

fuente:www.geocities.com/iq300uia/opunit14.jpg

INTRODUCCIÓN: Esta unidad desarrollará, las bases necesarias y recopilación de información para llevar a cabo las operaciones unitarias con sólidos, los procesos petroquímicos y el análisis financiero de en proyecto productivo industrial, en la unidad se recordará las bases de física general y finanzas en el manejo de los procesos térmicos y análisis financiero. En el capítulo de petroquímica empezará el estudiante a desarrollar el manejo y desarrollo de los procesos de petróleo y sus derivados. Por último se observará algunas industrias que tiene manejo con sólidos y sus equipos.

OBJETIVO GENERAL: Dar a conocer a los estudiantes como se deben manejar los sólidos, sus características, equipos y aplicaciones para que permitan conocer los procesos y el vocabulario necesario en la unidad.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: - Conocer las operaciones unitarias necesarias en los procesos químicos donde se manejan sólidos. - Desarrollar la agilidad para conocer la distribución de equipos de apoyo en una planta de producción. - Diferenciar entre los diferentes fenómenos de transferencia de masa y las operaciones que involucra.


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- Desarrollar los balances energéticos necesarios para agilizar las reacciones de un proceso químico. - Observar algunos procesos químicos que se manejan en la industria del petróleo. - Conocer cómo se desarrolla y aplica la industria petroquímica y del gas natural.

COMPETENCIAS:

El estudiante después de estudiar la unidad deberá ser competente en los balances energéticos esenciales en la elaboración de un producto. También en las condiciones de operación y de equipo unitarios para el manejo de sólidos. Diferenciar entre los diferentes fenómenos de transferencia de masa, las condiciones de trabajo de los procesos con transferencia de calor. Distinguir los diferentes procesos petroquímicos y del gas natural, Conocer porque la industria del petróleo es tan importante para la sociedad moderna.

CAPITULO 4 .MANEJO DE SOLIDOS

fuente:www.icb.csic.es/.../diagramaReactor-m.png

Dentro de estas operaciones incluimos:

• Reducción de tamaño: usado en la minería. • Separaciones mecánicas: para proceso donde se requiera uniformidad en el material. • Filtración y Centrifugación: para separar fluidos de sólidos.


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Lección 16. Reducción de Tamaño.

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La reducción de tamaño se clasifica desde dos aspectos relacionados. El primero de acuerdo al tamaño de los materiales a producir y el segundo de acuerdo la fuerzas que se aplican para logra la reducción. De acuerdo al tamaño de los materiales a procesar y los productos obtenidos, la reducción se clasifica en:

• Trituración. • Molienda. • Pulverización.

La primera es de amplia aplicación en minería y en la industria química.

Aunque la Trituración es un término técnico que significa rompimiento, está implícitamente asociado a la aplicación de fuerzas de compresión, las cuales se utilizan generalmente para la ruptura grosera de productos considerados duros hasta tamaños de tres o más centímetros. La Molienda, maneja materiales de medianos tamaños y produce trozos entre 0,5 mm hasta 3 cms. es de amplia utilización en la industria de alimentos, especialmente en cereales y productos secos de origen vegetal. En la molienda se involucran las operaciones de corte, propias en vegetales frescos y cárnicos. La Pulverización o Molienda fina, término técnico utilizado para la obtención de productos en polvo, está relacionado con fuerzas de impacto y de cizalladura.

De acuerdo a las fuerzas que se aplican los equipos de reducción de tamaño se clasifican:

De Impacto o compresión.

Atrición o frotamiento.

Corte o cizalladura

En los equipos de impacto o compresión se aplican fuerzas denominadas compresión que se aplican en forma perpendicular a la superficie del material. Estas fuerzas son muy eficientes en materiales secos y duros, no son muy eficientes en materiales húmedos y prácticamente nulos en materiales elásticos, generalmente los fibrosos como los vegetales y carnes.


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Los materiales ofrecen cierta resistencia a las fuerzas aplicadas y su magnitud es propia del material en particular. La resistencia aumenta con la humedad ya que le confiere un carácter elástico al material. Pero cuando las fuerzas de compresión superan la resistencia del material, este se fractura o rompe. Las unidades son las correspondientes a la presión, aunque comercialmente se emplean libras por pulgada cuadrada o kilogramos por centímetro cuadrado.

Entre los equipos para reducción de tamaño, en los cuales se aplican fuerzas de compresión, se tiene los molinos y pulverizadores de martillos, molinos y pulverizadores de bolas y barras y los molinos de rodillos tanto lisos como estriados.

En los equipos de atrición, se aplican fuerzas de torsión o fuerzas que giran en sentido contrario. Son apropiadas para materiales friables como los cereales, y fibrosos como vegetales y carnes. El equipo más representativo es el molino de discos empleado en pequeños caudales y especialmente en pulverización. Los esfuerzos aplicados son los llamados de torsión y la resistencia que ofrece el material igualmente recibe el nombre de resistencia a la torsión, que depende de la textura del material y en algunos es mayor que la resistencia a la compresión.

En la cizalladura se aplican fuerzas de compresión paralelas, que causan el corte del material. Los materiales fibrosos, presentan resistencias muy bajas, y el área de aplicación del elemento que aplica la fuerza, es supremamente pequeña, de ahí que las fuerzas aplicadas son relativamente pequeñas respecto a las de los otros equipos.

Equipos para reducción de tamaño: Los equipos de reducción de tamaño se clasifican de acuerdo al tamaño de los materiales a manejar y de acuerdo al esfuerzo aplicado. Para los pulverizadores no se emplea la acción de corte, ya que el ancho del elemento de corte es relativamente grande respecto al tamaño del producto a obtener.

Molinos: En la tabla 7 se hace la presentación de los principales molinos

Acción Tipo

Impacto

Atrición

Corte

Martillos Bolas Barras Rodillos Discos Conos Cuchillas Sierra Cutter

Tabla 7. Clasificación de los Molinos


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Molino de martillos. Ampliamente usado para materiales duros y semiduros. El sistema operacional del molino de martillos es uno o más discos montados sobre un eje horizontal, que lleva en su periferia una serie de pequeños martillos, los cuales tienen libertad para oscilar en torno a un eje, como se muestra en la figura 36, Algunos modelos tienen discos que soportan ejes sobre los cuales se disponen los martillos. La parte superior de la caja tiene una tolva de alimentación y la placa de ruptura; El material que se quiere fraccionar se desliza lentamente sobre dicha placa, donde es golpeada por los martillos en rápido movimiento giratorio y queda finamente fragmentada; los fragmentos giran hacia la parte inferior y son lanzados contra una rejilla.

La capacidad de un molino de martillos es muy grande. Un molino de martillos de tamaño medio es capaz de suministrar material a razón de 12 a 15 toneladas por hora a través de rendijas de 1/2 cm aproximadamente. Con ligeras modificaciones, el molino de martillos puede convenirse en máquina desfibradora actuando sobre residuos de cortezas o caña de azúcar. Algunas de sus aplicaciones son: trabajo pesado en molienda de granos, maíz, trigo y toda clase de cereales, semillas oleaginosas y condimentos y especias.

Figura 36. Molino de Martillos

El dimensionamiento del sistema operacional del molino está fundamentado en la fuerza centrifuga que tiene el martillo al girar a determinada velocidad.

Molino de Bolas: El molino de bolas consiste en un cilindro de acero que descansa horizontalmente apoyado sobre pedestales y gira alrededor de su eje horizontal. Este cilindro contiene en su interior un medio triturador adecuado, tal como bolas de acero o de pedernal; El material que se quiere moler se introduce en el cilindro a través de un registro situado en el centro de una generatriz del cilindro que se cierra después herméticamente.

Se mantiene el molino girando durante un período variable y después se descarga a través de la misma abertura, después de haber reemplazado la puerta de cierre por una rejilla con mallas adecuadas para dejar pasar el material molido, pero suficientemente estrechas para retener las bolas. El molino gira por la acción de un engranaje circunferencial, mediante correas de transmisión planas o en forma de V múltiple, o bien por medio de rueda dentada y cadena articulada. En la industria es frecuente que el molino esté provisto de un engranaje externo, es


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decir, un engranaje situado por fuera de los pedestales que sirven de soporte, de forma tal que el molino pueda cubrirse convenientemente con una funda cuando sea necesario.

Para evitar el deslizamiento de las bolas de acero a lo largo de las paredes interiores del molino, suelen retener éstos en su interior, soldadas a las paredes interiores del cilindro, unas barras deflectoras de tipo de onda o bien unas barras deflectoras modificadoras de la velocidad. Con la ayuda de estas barras deflectoras se consigue que el tiempo de molienda quede disminuido.

Figura 37. Molino de bolas

El molino de bolas o de guijarros puede adaptarse para el trabajo continuo dotándole de muñones huecos, y alimentándolo por un lado y descargándolo por el otro. El molino de tubo es un cilindro horizontal, largo, cuya longitud es de varias veces su diámetro.

Molino de Rodillos o de Cilindros: Este equipo es utilizado en la molienda de algunos cereales como centeno, trigo, cebada, avena, maíz, soja, arroz y otros, con el fin de obtener harinas panificables, además, puede ser empleado para el machacado del grano de centeno ya limpio, en la línea de moltura de este cereal y también puede aplicarse para la trituración de sal, azúcar, etc. Existen diversas configuraciones en los molinos de cilindros o rodillos, El molino de cilindros básico, se compone de dos secciones de trituración independientes, ubicadas en un cuerpo común. Figura 38.

Figura 38. Molino cilíndrico - Cilindros trituradores (uno fijo y uno regulable), estriados o lisos.


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- Tolva de carga con ejes de alimentación y sistema de regulación de la hendidura de alimentación. -Sistema de conexión y desconexión y regulador de la hendidura de moltura. -Cepillos de limpieza de los ejes. -Ventanilla, puerta, protecciones y accionamiento. -Transmisión por engranajes entre cilindros.

Funcionamiento: El material, mediante la tolva de carga cae en los ejes de alimentación, los cuales lo conducen a todo lo largo del molino, de donde es trasmitido de modo uniforme, en flujo continuo, a la zona de trituración. Los cilindros trituradores tienen la superficie de trabajo adaptada al tipo de trituración del material y giran con diferente velocidad circunferencial (igual velocidad circunferencial, solo durante el prensado).

Para el sistema de transmisión de potencia se utilizan motores y reductores de diferentes potencias y revoluciones, respectivamente, según las aplicaciones algunos utilizan un sistema de refrigeración en los cilindros, para evitar deterioro en alimentos por ejemplo.

Aplicaciones de la operación de reducción de tamaño en productos fibrosos:

Productos como las frutas, las carnes y las verduras, por su composición acuosa en alto porcentaje, hacen necesario se les aplique las fuerzas con fines diferentes; por ejemplo: para la desintegración de la fibra se utilizan fuerzas de impacto y cizalladura, por medio de una arista cortante. Las fuerzas de composición contribuyen en estos casos al logro exprimido en los procesos de obtención de zumos de fruta. Para la reducción de tamaño de los productos fibrosos, los equipos fundamentalmente son los mismos mencionados, solo que sufren algunas variaciones; en el caso del molino de martillos, en donde se sustituyen los molinos de cuchillas de arista cortante delgada, las cuales producen el efecto de fuerzas de impacto. Otro ejemplo pero ya de complementación del equipo por medio del otro y otros aditamentos, es el del molino de disco de fricción, al que se le adaptan muescas o estrías en las caras de los discos, con lo cual se logra el desgarramiento del producto. Algunos ejemplos de este tipo de operaciones son:

• El rebanado o troceado • El desmenuzado • El despulpado

Modelos de operación : Cuando es necesario definir el tipo de instalación útil para determinada reducción de tamaño, es necesario, considerar los siguientes aspectos:

- Tamaño uniforme y velocidad constante en los flujos de alimentación al equipo. - Retiro inmediato de las partículas molidas. - Mantenimiento adecuado del equipo.


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- Desalojo del material irrompible que quede en el equipo. - Eliminación oportuna de la energía calórica generada durante el trabajo del equipo.

Si de los aspectos anteriores puede asegurarse su cumplimiento, se podrá efectuar una operación adecuada y económica.

Las principales formas de operación de un equipo de molienda son:

• Operación del circuito abierto • Operación en circuito cerrado • Molienda en paralelo • Operación en húmedo • Operación de molienda libre • Operación de alimentación en exceso

Lección 17. La Operación de Cribado

fuente:www.mach.hardtechgroup.com/images/cvr.gif

Cribado es la separación de una mezcla de partículas de diferentes tamaños en dos o más porciones, utilizando una superficie de tamiz que actúa como medidor múltiple de aceptación y rechazo; en ese caso las porciones finales son de tamaño más uniforme que las de la mezcla original. El material retenido sobre una superficie del tamiz es el de mayor tamaño, el que pasa por la superficie es de menor tamaño y el que pasa por un área cribadora y queda retenido en otra subsiguiente es el intermedio.

Los tamices pueden estar confeccionados en alambre tejido, seda o tela de plástico, placas perforadas u horadadas. Veamos las más utilizadas:

Las telas de alambre se denominan, según el valor, mallas, o sea por el número de aberturas existentes en una pulgada lineal a partir del centro de cualquier alambre hasta un punto situado exactamente a una pulgada de distancia. También


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puede calcularse a partir de una abertura especificada en pulgadas o milímetros, que es la abertura o el espacio libre entre los alambres.

La malla se emplea para las telas de 0,4 pulgadas y más finas y la abertura libre para las telas especiales con aberturas de 0,5 pulgadas y mayores. Aclaremos:

La abertura es el espacio mínimo entre los bordes de franqueo y la superficie de la criba y suele expresarse en pulgadas o milímetros. El área abierta de la tela de alambre de malla cuadrada se puede determinar mediante la siguiente fórmula:

Ecuación 51

En donde: P = % de área abierta M = Malla

∅ = Tamaño de la abertura D = Diámetro del alambre

Distribución del tamaño de partículas: Se define como el porcentaje relativo en masa de cada una de las distintas fracciones de tamaños representados en la muestra. Permite evaluar la operación de cribado y se determina mediante un análisis completo de tamaños, utilizando tamices de prueba.

Escala de tamiz: Una escala de tamizado es una serie de tamices de prueba que presenta una sucesión fija de aberturas. La sucesión de tamices se puede obtener en series como las de Tyler, Astm, Iso, Icontec, de acuerdo a los requerimientos del producto.

Las finalidades de la escala de tamizado son:

- Retirar partículas finas del material antes de procesarlo. - Obtener un producto que satisfaga los límites específicos de tamaño de partícula. - Eliminar materiales atrapados o de tamaños excesivos. - Retirar impurezas o partículas degradadas de un producto terminado.

Equipos de cribado: Las máquinas cribadoras las podemos dividir en cinco clases principales:

- Rejas - Cribas giratorias - Cribas agitadas - Tamices vibratorios


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- Tamices oscilantes

Las rejillas se usan primordialmente para las separaciones de partículas de dos pulgadas y mayores.

Las cribas giratorias y de agitación se emplean en general para separaciones por encima de 0,5 pulgadas. Los tamices vibratorios se emplean desde los tamaños mayores hasta las mallas más finas y los tamices oscilantes se limitan a las mallas más finas.

Descripción de cada equipo: Las rejillas Son un conjunto de barras paralelas espaciadas con aberturas predeterminadas y su uso está en el procesamiento de minerales.

Las cribas giratorias o de zaranda Consiste en un marco cilíndrico rodeado de tela de alambre o una placa perforada, abiertos en los dos extremos e inclinados en un ángulo ligero. Giran con velocidades de 15 a 20 r.p.m. Su capacidad no es grande y su eficiencia relativamente baja.

Las cribas con agitación mecánica Consisten en un marco rectangular que sostiene una tela de alambre o una placa perforada, tiene una inclinación ligera y se suspende mediante varillas o cables sueltos o se apoya en un marco de base, mediante resortes flexibles y planos. El marco recibe un movimiento de vaivén.

Las cribas vibratorias Se utilizan cuando se desea una gran capacidad y una eficiencia elevada. Se consiguen de dos clases: Cribas con vibración mecánica y Cribas con vibración eléctrica.

Tamices de movimiento alternativo o de vaivén Una excéntrica bajo la criba proporciona oscilación que va de giratorio (aproximadamente dos pulgadas), en el extremo de alimentación; hasta un movimiento de vaivén en el de descarga. La frecuencia es de 500 a 600 r.p.m.

Los tamices giratorios Son máquinas de caja ya redonda o cuadrada, con una serie de telas de cribas colocadas una sobre otras. La oscilación, proporcionada por medio de excéntricas o contrapesos se lleva a cabo en una órbita circular o casi circular.

Los cedazos giratorios son cribas impulsadas en una trayectoria oscilante, por medio de un motor fijo al eje de soporte de la criba.

Selección de las cribas: La selección es muy importante y es preciso tener en cuenta la abertura, el diámetro del alambre y la zona abierta. Los cuatro tipos generales de tamices son los de tela de alambre tejido, tela de seda, placas perforadas y rejillas de barras o varillas.


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La de tela de alambre tejida tiene la mayor variedad de abertura de criba, diámetro de alambres y porcentajes de zona abierta. Van desde 4 pulgadas hasta malla 500.

La tela de malla cuadrada es el tipo común de tela de tamiz, pero hay muchos tipos de tela con tejido oblongo. Al escoger una tabla de alambre, es preciso llegar a un término medio entre la precisión de la separación, la capacidad, la falta de atascamiento y la duración de la tela de alambre.

Las telas de seda se originaron en Suiza y se tejen con seda natural retorcida y de hilos múltiples. El sistema de números y grados para las telas de mallas y las gasas se derivan de los tejedores suizos originales. En los últimos años, se han introducido el nylon y otros materiales sintéticos similares, tejidos en gran parte a partir de monofilamentos. Los grados de nylon se designan en general por su abertura en micras y existen en pesos ligeros, estándares y pesados. Determine qué tipo de material es el más utilizado en la industria molinera.

Para evaluar la eficiencia del tamizado, la W.S. Tyler Co., de Mentor, Ohio, en su Sieve Handbook, número 53, proporciona un método adecuado para evaluar el rendimiento de los tamices. En esta fórmula, cuando el material que pasa por la malla es el producto que se desea, la eficiencia es la razón de la cantidad de productos de tamaño inferior que se obtienen a la cantidad de tamaños pequeños que hay en el material de alimentación.

Ecuación 52

En donde:

E = Eficiencia R = % de partículas finas que pasan por la criba d = % de partículas más finas que el tamaño diseñado en la selección b = % de partículas más finas que el tamaño diseñado, en la alimentación de la criba.

Cuando el objetivo es recuperar un producto de tamaño mayor de la criba, la eficiencia se puede expresar como la razón de cantidad de partículas de tamaño mayores obtenidas a la cantidad real de partículas de los tamaños mayores, así:

Ecuación 53

En donde: O = % partículas de tamaños grandes sobre la criba C = % más grueso que el tamaño diseñado en las partículas mayores de la criba. a = % más grueso que el tamaño diseñado en la alimentación de la criba.


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Lección 18. Separaciones mecánicas

Gran número de procesos industriales exigen la separación de componentes de mezclas o suspensiones, en operaciones de índole estrictamente mecánica. Las separaciones mecánicas se emplean para partículas sólidas, para mezclas o suspensiones sólido - líquido y suspensiones de líquidos inmiscibles; generalizando su uso está limitando a mezclas no homogéneas o heterogéneas y en las que no ocurre transferencia de calor; operaciones como extracción, destilación, cristalización y secado, se emplean para separaciones en soluciones homogéneas, para mezclas intermedias, como se han denominado a los coloides, se emplean otros métodos como la ósmosis inversa.

En general, las separaciones mecánicas se fundamentan en propiedades o diferencias físicas entre las partículas tales como la forma, tamaño y densidad; Para separación de sólidos se emplea tamizado basado en el tamaño de las partículas; mediante el uso de una malla o tamiz se separan las partículas gruesas de las finas, separación similar para partículas de poco peso y tamaño pequeño se logra suspendiendo los sólidos en corrientes de gas y empleando ciclones; Las mezclas sólido - líquido se pueden separar mediante la filtración o la centrifugación, operación esta empleada también para líquidos inmiscibles.

Tamizado: La separación de sólidos con base en su tamaño es importante como operación para adecuar un producto para su venta o para una operación subsecuente; es también método importante para evaluar la eficiencia de otra operación como la molienda o el triturado o para determinar el valor de un producto para alguna aplicación específica. La velocidad de reacción química es proporcional al tamaño de las partículas y un control en el tamaño mediante el tamizado, es de importancia para controlar la tasa de reacción.

El tamizado consiste en la separación de una mezcla de varios tamaños de partículas en dos o más porciones, cada una de las cuales es más uniforme en tamaño de partícula que la mezcla original; La operación de tamizado consiste en pasar el material sobre una superficie perforada en aberturas de tamaño deseado.

En la práctica se tiene tamizado seco cuando se maneja un material con bajo contenido de humedad o material que ha sido secado en una operación previa, se tiene tamizado húmedo cuando se adiciona agua a la operación para retirar partículas finas del material, como en la clasificación y lavado de frutas y vegetales.

Tamaño de partículas: El material que se retiene o no pasa a través del tamiz, se denomina Gruesos (oversize) y el que pasa se llama Finos (undersize). Para identificar el tamaño de las partículas se emplean dos sistemas: el primero basado en el tamaño promedio de la partícula, considerada ésta como un cubo, se establece su dimensión en centímetros o pulgadas, y ella pasará por una abertura


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ligeramente superior a la mayor dimensión de la partícula; El segundo sistema se basa en el número de hilos o alambres que el tamiz o malla tiene por pulgada lineal. El primer sistema se emplea para partículas mayores de una pulgada, en tanto el segundo para menores de una pulgada. Tabla 8 muestra una clasificación basada en el primer sistema con dos formas de expresar la clasificación.

Sobre 2 pulg. +2"

entre 1,5 y 2 pulg. -2 + 1.5"

entre 1 y 1.5 pulg -1.5 + 1"

para 1 pulgada - 1"

Tabla 8. Clasificación de tamices.

El segundo sistema conocido como Escala Standard Tyler se relaciona con otra, la Standar US. Las dos se basan en el tamiz malla 200, que emplea hilos de 0,0021 pulgadas de diámetro, para dar una abertura de 0,0029 pulgadas. La tabla 9 relaciona algunos tamices según la Escala de Tyler. En la literatura se encuentra la clasificación U.S. Standard.

Tabla 9. Clasificación Estándar.

EJEMPLO 16: Para mezcla de harinas, se requiere en harina de maíz un tamaño máximo de partícula de 0,250 mm. Establezca el tamiz que debe emplearse para dicha harina.

Solución

De acuerdo con la tabla 9 un tamiz malla 60 permite un paso de partículas con máximo tamaño de 0,246 mm; como la especificación dada es máximo 0,250 dicho tamiz es el indicado. Es importante recalcar que el tamiz es malla 60 en la Escala Tyler.


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Lección 19. Filtración

fuente:www.infoagro.com/.../curtilene_filtracion.gif

Los problemas de separar sólidos de líquidos dependen fundamentalmente del carácter de los sólidos y de la proporción de los mismos en los líquidos. Varias operaciones unitarias sirven para este propósito pero cuando la proporción de sólidos es relativamente pequeña en comparación con el líquido usualmente se emplea la filtración. Cuando la proporción de sólidos es relativamente alta se emplea la centrifugación, el prensado o la sedimentación. También cuando la proporción de sólidos es muy pequeña se emplea la centrifugación. La operación unitaria propiamente conocida como filtración es la más importante para separar los sólidos de líquidos y una de sus principales características es que los equipos y aparatos para realizar esta operación se han diseñado y construido desde el punto de vista de consideraciones prácticas y sin ninguna relación con la teoría. Consecuencialmente, los aparatos usados para la filtración consisten de una gran variedad de tipos construidos bajo especificaciones mecánicas en consideración a aquellas industrias y procesos en los cuales se emplea la filtración. La teoría de la Filtración es un campo en donde se han aplicado resultados de un estricto desarrollo matemático, pero su aplicación a la práctica es aún incompleta. Esto obedece a la dificultad para definir el tamaño, forma y propiedades de las partículas por filtrar así como la imposibilidad de lograr una completa uniformidad en todos los procesos cochada a cochada y día a día. Siempre en la filtración se requiere de un medio filtrante, que es inerte y no sufre alteraciones de orden químico durante el proceso de filtración. Sobre el medio filtrante se depositan los sólidos de la suspensión en lo que se denomina torta, y a medida que transcurre la filtración el espesor de la torta se incrementa; A través de la torta se produce una caída de presión que puede ser constante o se puede incrementar al punto que la filtración se suspende por requerirse una presión inicial mayor a la que el equipo puede trabajar. El efecto de la presión que se requiere para la filtración produce en la torta una mayor o menor compresibilidad,. En algunos casos la compresibilidad es tan pequeña que se considera a la torta como incompresible. Para efectos de cálculos los procesos se clasifican en: de caída de presión constante y de flujo constante. Siendo los más usuados los primeros por los equipos de bombeo requeridos.


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Los cálculos de la filtración pretenden establecer el tiempo de filtración para unas condiciones dadas de operación o establecer el volumen a filtrar en un tiempo dado, la caída de presión es una variable que puede ser controlada durante la operación. Para tortas incompresibles, en la cuales se tiene porosidad constante, el tiempo de filtración para una caída de presión constante está definido por la ecuación:

Ecuación 54

Donde: t tiempo de filtración C constante de filtración V volumen del filtrado - P caída de presión a través de la torta.

La constante de filtración está definida por

Ecuación 55

Con μ viscosidad del filtrado ρ densidad del filtrado

s densidad de los sólidos en la torta ρ x espesor de la torta X porosidad de la torta. K permeabilidad del lecho

La tasa de filtración a un tiempo dado se establece mediante la ecuación:

Ecuación 56

EJEMPLO 17: Una lechada se filtra por cochadas en un filtro de caída de presión constante de 40 psig formando al cabo de una hora una torta incompresible de 3/4 de pulgada, con un volumen de filtrado de 1500 galones. El lavado del filtro demanda 300 galones de agua fresca, en condiciones similares a las de la


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filtración. Asumiendo que el filtrado tiene iguales propiedades a las del agua y que el material filtrante no opone resistencia al flujo determinar:

a) los galones filtrado en 24 horas y b) galones filtrados si la torta se reduce a 1/2 pulgada, empleando la misma relación de agua para el lavado. Adicionalmente entre cochada y cochada se tienen: 2 minutos para llenar el filtro con agua 3 minutos para drenar el filtro de lechada y 6 minutos para abrir, vaciar y cerrar el filtro.

Solución.

a) Para determinar el volumen filtrado se debe establecer el número de cochadas efectuadas en las 24 horas. Este número de cochadas a la vez depende del tiempo total de operación por cochada, que involucra también el tiempo de lavado con agua fresca.

Como se establece que las condiciones de lavado son iguales a las de la filtración, El flujo de lavado es el mismo que se tiene cuando termina la filtración. El tiempo de lavado se determina estableciendo el tiempo de filtración de los 300 galones.

Para la finalización de la filtración, aplicando la ecuación 54 se puede determinar la relación A2 /C, así

A2/C= V2/t P = 1.5002/60 x40 = 937,5

Al final de la filtración la tasa de filtración es : Aplicando la ecuación 56.

dV/dt = (A2/C)xP/(2xV) = 937,5 x40 /(2 x 1.500 )= 12,5 gal / min

El tiempo de lavado será de

tL= 300/12,5 = 24 minutos.

La cochada para filtrar 1.500 galones demanda: 60 minutos para filtración, 3 minutos para drenar el filtro de lechada, 2 minutos para llenar el filtro con agua, 24 minutos para lavado, 6 minutos para abrir, vaciar y cerrar el filtro; 2 minutos para llenar el filtro con lechada, 97 minutos en total.

Lo filtrado en las 24 horas será:

24x60x1500/97 = 22.268 galones.


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b) los 1500 galones producen en una hora un espesor de capa de 3/4 ó 0,75 pulgadas, para producir un espesor de 0,50 pulgadas se requiere filtrar

V= 1500 x 0,5/0,75= 1000 galones, como la relación A2/C es constante, el tiempo de filtración de los 1000 galones es:

t = 10002 / (937,5 x 40) = 26,7 minutos

En este tiempo la tasa de filtrado es

dV/dt = (A2/C) P/2xV) = 937,5 x40 /(2 x1.000) = 18,75 gal / min La cantidad de agua de lavado empleada es proporcional a la torta formada, luego

se requieren: 300x 1000 / 1500 = 200 galones

Esta cantidad de agua pasa en 200 /18,75 = 10,76 minutos ===> 10,8 minutos

El tiempo del ciclo se reduce entonces a 26,6 + 3+ 2 + 10,8 + 6 +2 = 50,4 minutos y la cantidad de filtrado obtenido será

24 x 60 x 1000 / 50,4 = 28.571 galones.

Lección 20. Aplicación de las operaciones con sólidos en los procesos industriales.

fuente:www.abcpedia.com/.../fundicion-acero.jpg

En esta lección se estudiará los procesos de:

-Obtención de hierro y acero.

- Obtención de Harina de trigo.


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Obtención de Hierro y Acero

fuente:www.sapiensman.com/.../docs/images/acero.jpg

Generalidades: No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que


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funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro. La tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas „hierros‟ contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo.

Descripción del producto: Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación; En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón.


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Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto B = Acero ácido de Bessemer al carbono C= Acero básico de convertidos de oxígeno D = Acero ácido al carbono de hogar abierto E = Acero de horno eléctrico A10XXX A= Proceso de fabricación 10 = Tipo de acero X = % de la aleación del tipo de acero X X= % de contenido de carbono en centésimas.

Clasificación del acero: Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo.

Aceros aleados: Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

Aceros de baja aleación ultra resistente: Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono.

Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.


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Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales.

También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Aceros de herramientas: Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.

Estructura del acero: Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes.

La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.


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Lingotes y colada continua: Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de rodillos se van a procesar.

Colada continua: Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Propiedades físicas y químicas de materias primas: Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

• Mineral de hierro: El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. También se encuentra en los meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; después del aluminio, es el más abundante de todos los metales. El principal mineral de hierro es la hematita. Otros minerales importantes son la goetita, la magnetita, la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, que es un sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre es muy difícil de eliminar. También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales y en las plantas; además, es un componente de la sangre.

Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:


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Hematita (merma roja) 70% de hierro Magnetita (merma negra) 72.4% de hierro Siderita (merma café pobre) 48.3% de hierro Limonita (merma café) 60-65% de hierro

La merma café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.

• Coque: Residuo duro y poroso que resulta después de la destilación destructiva del carbón. El coque se emplea como agente reductor para la fundición de hierro y como combustible; tiene un color gris negruzco y un brillo metálico. Contiene fundamentalmente carbono, alrededor del 92%; casi el 8% restante es ceniza. El poder calorífico del coque es muy elevado.

• Piedra caliza: Tipo común de roca sedimentaria, compuesta por calcita (carbonato de calcio, CaCO3). Cuando se calcina (se lleva a alta temperatura) da lugar a cal (óxido de calcio, CaO). La caliza cristalina metamórfica se conoce como mármol. Muchas variedades de caliza se han formado por la unión de caparazones o conchas de mar, formadas por las secreciones de CaCO3 de distintos animales marinos. La creta es una variedad porosa y con grano fino compuesta en su mayor parte por caparazones de foraminíferos; la lumaquela es una caliza blanda formada por fragmentos de concha de mar. Una variedad, conocida como caliza oolítica, está compuesta por pequeñas concreciones ovoides, cada una de ellas contiene en su núcleo un grano de arena u otra partícula extraña alrededor de la cual se ha producido una deposición. Ciertos tipos de caliza se usan en la construcción, como la piedra de cantería.

• Aire: Las tres primeras sustancias se extraen de minas y son transportadas y preparadas antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio; El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

Descripción de las etapas: En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.

Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del


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horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente. Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.

Diagrama de flujo


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Diferentes procesos de producción de hierro y acero: Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. Los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales son: pudelado, tratamiento térmico en horno Bessemer, proceso BOF, tratamiento en horno de hogar abierto, de arco eléctrico, de refinación o de cubilote, estos difieren en el tipo de alimentación, las condiciones, el sistema de calentamiento y el tipo y pureza de acero o hierro obtenidos.

Otros métodos de refinado del hierro: Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en el mundo se obtiene a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren en un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio.

También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro. Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa.

Principales aplicaciones: Aceros finos de construcción general: Necesidades generales de la ingeniería de construcción, tanto industrial como civil y comunicaciones

Aceros para usos especiales:

Grupos 1 y 2: Tornillería, tubos y perfiles. Grupo 3: Núcleos de transformadores, motores de bobinado. Grupo 4: Piezas de unión de materiales férricos con no férricos sometidos a temperatura. Grupo 5: Instalaciones químicas, refinerías y para altas temperaturas.

Aceros resistentes a la oxidación y corrosión:

Grupo 1: Cuchillería, elementos de máquinas hidráulicas, instalaciones sanitarias, piezas en contacto con agentes corrosivos. Grupos 2 y 3: Piezas de hornos emparrillados, válvulas y elementos de motores de explosión y, en general, piezas cometidas a corrosión y temperatura.


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Aceros para herramientas:

Grupo 1: maquinaria de trabajos ligeros en general, desde la carpintería y agrícola, hasta de máquinas. Grupos 2, 3 y 4: Para maquinaria con trabajos más pesados. Grupo 5: Para trabajos y operaciones de desbaste y de mecanización rápida que no requieran gran precisión.

Aceros de moldeo: Piezas de formas geométricas complicadas, con características muy variadas. Estrictamente hablando no difieren de los aceros de otras series y grupos más que en su moldeabilidad.

Obtención de Harina de Trigo

fuente:www.ergisa.cl/pic_maquinarias/molino_seco.gif

Generalidades: Los cereales han constituido en la historia de la humanidad la principal fuente de nutrientes, están relacionados al origen de las diferentes civilizaciones y culturas de cada uno de los pueblos. Se ha pensado que el hombre paso de nómada a sedentario cuando aprendió a cultivar cereales, pero realmente que lo motivo a cultivar se cree que fue el hambre lo que empujo a nuestros antepasados a sembrar principalmente cereales, convirtiéndose de esta forma en el sustento diario de muchas culturas, pueblos y civilizaciones del planeta.

De tal manera que las culturas antiguas de Babilonia y Egipto, de Roma y Grecia y más tarde del norte y Oeste de Europa se formaron alrededor del trigo, la cebada, el centeno y la avena; las culturas precolombinas Inca, Maya y azteca y americana alrededor del maíz, los pueblo asiáticos alrededor del arroz, los pueblos africanos alrededor del mijo y sorgo y la quinua en los pueblos del continente Suramericano.


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Las civilizaciones han sido fundadas con una base agrícola que no ha sido diferente que la de los cereales, ya que las primeras especies domesticadas por el hombre tenían algunas características importantes para la tecnología de alimentos como: • Facilidad de conservación • Almacenamiento de las semillas • Elevado contenido de almidón • Igual periodo de maduración • Igual periodo de germinación • Semillas más grandes en el caso del maíz Cuanto más se iban modificando las plantas de los cereales, más se dedicaba el hombre a la agricultura, haciéndose gradualmente más productiva, ya que dejaba de lado la caza y la recolección, además la dieta del hombre cambio, porque dejo de recolectar plantas silvestres y empezó a consumir las especies mejoradas. Actualmente las especies cultivadas son alrededor de 130 diferentes a los miles de especies recolectadas por nuestros antepasados. Según estudios realizados el 85% de los alimentos proviene de 8 especies, entre los que están el arroz, el trigo y el maíz que se constituyen en el 50% del suministro de alimento.

Los granos de cereales más cultivados a nivel mundial y en Colombia en orden de producción son: trigo, arroz, maíz, cebada, avena, sorgo, centeno, mijo, triticale y quinua.

Se piensa que el origen del trigo es multifocal, debido a la gran cantidad de especies de trigo silvestre que se ha encontrado en diferentes regiones; algunos arqueólogos han determinado que tiene sus orígenes en la antigua Mesopotamia, de acuerdo a estudios realizados se ha comprobado que el trigo proviene de Siria, Jordania, Turquía e Irak. El trigo cultivado en Europa desde el Neolítico hace parte de la alimentación humana en los países templados. En cuanto al cultivo se piensa que Egipto, fué el primer país en el que se plantó, a orillas del río Nilo; la historia sagrada habla que cuando el hombre se extendió a Canaán, fueron enviados José y sus hermanos por su padre Jacob a buscar trigo a Egipto. Los pueblos primitivos empleaban este cereal de diversas formas, así por ejemplo el grano tierno lo consumían en forma natural o tostado, también trituraban el trigo entre piedras o morteros, hacían harina para hacer pan que lo cocinaban en las cenizas. Posteriormente se hizo crecer el pan adicionándole levadura.

Descripción del producto

Harina: Es el producto obtenido de la molienda del endospermo del grano de trigo, es la harina que posee las características para la elaboración de pan, ya que contiene dos proteínas insolubles (gliadina y glutenina), que al unirse en presencia de agua forman el gluten. Dentro de sus características más generales se tienen:

Color: blanco o marfil claro


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Extracción: se obtienen en el proceso de molienda. El grado de extracción indica que por cada 100 Kg de trigo se obtiene del 72 al 75% de harina. Absorción: consiste en la capacidad para absorber y retener agua durante el amasado, las harinas con mayor cantidad de proteínas son las que presentan mayor absorción. Fuerza: es el poder de la harina para hacer panes de buena calidad. se refiere a la cantidad y calidad de proteínas que posee la harina. Tolerancia: capacidad para soportar fermentaciones prolongadas sin que se deteriore la masa. Maduración: se deben dejar reposar para mejorar las características panaderas. Enriquecimiento: las harinas se enriquecen con vitaminas y minerales permitidos. Variedades mundiales y colombianas: Trigo común, trigo durum, trigo club. Sugamuxi, Bola, Hunza, Crespo, Bonza.

Diagrama de flujo

Descripción de las etapas

Recepción y almacenamiento: El grano de trigo llega a las empresas procesadoras o a los molinos a granel o en bultos de material de fique en camiones. Se realiza un muestreo representativo de la cantidad de grano que se va a almacenar, la muestra se lleva al laboratorio para determinar % de humedad, % de impurezas, % de granos dañados y el puntaje. El grano se almacena en silos construidos en láminas galvanizadas o en cemento y los granos empacados se almacenan en bodegas adecuadas con buena ventilación, iluminación y circulación de aire los bultos se colocan sobre estivas de madera ubicadas a 20 cm. del piso.


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Limpieza: Antes de realizar la molienda es necesario retirar todas las impurezas del grano, consiste en someter al grano primero ya sea a la acción de aire por presión o a través de tamices metálicos superpuestos colocados en bases que se agitan en movimientos de vaivén o rotatorios, en el primer tamiz quedan las purezas como el grano de otros cereales de mayor tamaño que el trigo y de espigas, en el segundo tamiz se queda el grano dejando pasar las impurezas más pequeñas que el trigo, posterior a esta separación se somete el grano a unos separadores de aire, en donde se elimina el polvo que ha podido quedar adherido al trigo.

Acondicionamiento: Este proceso consiste en ajustar la humedad del grano para facilitar la separación de la cáscara y el salvado del endospermo y así mejorar la eficiencia y calidad de la molienda, el salvado se endurece y se acondiciona el almidón del endospermo. El grano se somete a la adición de agua con un posterior reposo alcanzando una humedad del 15-15.5 % para trigos blandos y de 16.5% para trigos duros a una temperatura inferior de 45 C.

El reposo depende del tipo de trigo, es así que si es un trigo duro destinado a la elaboración de harinas para panificación el tiempo de reposos es de 2- 36 horas, si el trigo es blando destinado a la elaboración de porqués, tortas y galletas se requiere de 8 horas para el reposo y para que la humedad penetre y se distribuya a través del endospermo por todo el grano.

Con el acondicionamiento del grano: • Se facilita la separación del salvado del endospermo. • Se aumenta la tenacidad del salvado evitándose su pulverización. • Se facilita la posterior desintegración del endospermo. • Se consigue un cernido más fácil y eficiente. • Ahorro de energía por el grano más blando.

Molienda: La molienda del trigo consiste en reducir el tamaño del grano a través de molinos de rodillos. Primero se separa el salvado y el germen del endospermo y luego se reduce este ultimo hasta obtener la harina. El objetivo de la molienda es maximizar el rendimiento de la harina con el mínimo contenido de salvado. El proceso de molienda consiste en dos etapas la de ruptura y la de reducción, la molienda se realiza gradualmente, obteniéndose en cada etapa una parte de harina y otra de partículas de mayor tamaño.

Trituración: El grano de trigo después de haber sido limpiado y acondicionado, se pasa por el primer juego de rodillos para ser triturado. La velocidad del cilindro superior es 2.5 mayor que la del cilindro inferior. En cada ciclo se obtienen: • Trozos grandes de grano que van al siguiente triturador de rodillos estriados • Sémola impura que va a los sasores • Una pequeña parte de harina que va a las bolsas o a los silos


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Cribado: Los cribadores o cernidores están constituidos por una serie de tamices, los cuales tienen la función de separar el producto que entra a la máquina proveniente de los molinos principalmente de trituración. La función del cernido es la de separar el producto en las tres fracciones principales. Estas máquinas por lo general son cernidores centrífugos o plansichters.

Purificación: Posterior a la trituración se realiza la eliminación del salvado y clasificación de las sémolas por grosor a través de tamices y purificadores. Los sasores están constituidos por tamices oscilantes a través de los cuales circula una corriente de aire de abajo hacia arriba, que arrastra las partículas de salvado, atravesando los trozos de endospermo el tamiz ya que son más densos al estar limpio. El objetivo de los sasores es limpiar la sémola impura y clasificarla según el tamaño y pureza para la molienda en los cilindros de reducción. Antes de entrar el producto a los sasores es necesario desempolvarlo, eliminado la harina que esta adherida.

Reducción: El objetivo de la reducción es moler las sémolas y las semolinas purificadas y convertirlas en harina. Los cilindros de comprensión reducen las partículas de sémola hasta una finura de harina además elimina algunas partículas de salvado y germen que pueden quedar, esta operación se realiza con un cernido. Este proceso se realiza varias veces hasta que queda eliminada la mayor parte de semolina extraíble.

Blanqueo: La harina tiene un pigmento amarillo compuesto por un 95% de 95% Xantofila o de sus esteres, sin interés nutritivo. El blanqueo del pigmento natural del endospermo de trigo por oxidación, se produce rápidamente cuando se expone la harina al aire, más lentamente si se expone la harina a granel, y se puede acelerar por tratamiento químico. Los principales agentes utilizados ó anteriormente utilizados en el blanqueo de la harina son: Peróxido de Nitrógeno (NO2), Cloro gaseoso, Tricloro de Nitrógeno, Cl2, Dióxido de cloro, Peróxido de Benzoilo, Peróxido acetona.

Empaque: El producto se empaca en bolsas de polietileno o bultos de polipropileno, para protegerlo de la humedad, del ataque de microorganismos, insectos o roedores durante el almacenamiento.

Principales aplicaciones

Panificación: La industria de la panificación es una de las más antiguas del mundo, encontrándose pruebas que ha existido desde la época de los faraones, es la industria a la que se le ha dado mayor importancia en la alimentación humana. El desarrollo ha sido gradual enfocado a mejorar la calidad, el uso y aprovechamiento de las materias primas. Según la norma ICONTEC 1363 se define como pan común al producto poroso obtenido de la cocción de una masa preparada con una mezcla esencialmente compuesta de harina de trigo, levadura, agua potable y sal, la cual puede contener grasa de origen vegetal o animal, aceite


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hidrogenado, mantequilla, lecitina, margarina, diastasa y clorhidrato de lisina y huevo.

Pastas Alimenticias: Las pastas alimenticias se obtienen por secado de una masa no fermentada, elaborada con sémolas, semolinas de harina de trigo duro o semiduro. Según la norma ICONTEC No 1055. Pastas alimenticias son: productos preparados mediante el secado apropiado de las figuras formadas del amasado con agua, de derivados del trigo u otras farináceas aptas para el consumo humano o combinación de las mismas. Pastas alimenticias especiales: pastas adicionadas con vegetales tales como acelgas, espinacas, tomates o pimentones.

Galletería: Según la norma ICONTEC galletas se define como: productos obtenidos mediante el horneo apropiado de las figuras formadas del amasado con agua, derivados del trigo u otras farináceas aptas para el consumo humano. De la elaboración de galletas y la gran variedad que se encuentra en el mercado, ha resultado una gran industria del sector alimentario por tal razón es interesante conocer cada uno de los componentes o materias primas empleadas, el proceso y la conservación. La masa para la producción de galletas no esponja por acción biológica ya que no se emplean levaduras y no hay fermentación.

DIAGRAMA DE FLUJO

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Tratamiento de residuos: Los residuos en la industria de los cereales son principalmente sólidos de diferentes tamaños resultantes de los procesos de molienda, cribado y tamizado. Los más finos se recogen con la ayudad de filtros de tamaño de poro muy reducido. El salvado que no puede usarse como fibra dietaría se utiliza aprovechando su poder calorífico, como combustible en calderas.

TALLER.

1.-

2.-

3.-


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CAPITULO 5. Fenómenos de Transferencia de Calor.

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En este capítulo se estudiaran los mecanismos para la transferencia de calor como son la ley de la conservación de energía, los balances energéticos que son necesarios para conocer los equipos que se requieren para poder culminar con éxito un proceso, los circuitos térmicos necesarios para la optima calidad de un producto y su entrega a cliente, además de la aplicación industrial.

Lección 21. Conservación de energía y balances de calor.

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Conservación de energía: Para llevar a cabo los balances de materia se usó la ley de conservación de la masa, la cual indica que la masa que entra al sistema es igual a la que sale más la acumulada en el proceso. De manera similar se puede enunciar la ley de conservación de la energía, la cual postula que toda la energía que entra a un proceso es igual a la que sale más la que queda en el proceso. En otras palabras la energía no se crea ni se destruye únicamente se transforma.


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Por lo cual la energía puede manifestarse o transformar de varias maneras. Algunas de sus formas más comunes son la entalpía, la energía eléctrica, la energía química (en términos de la ΔH de la reacción), la energía cinética, la energía potencial, el trabajo y el flujo de calor. En muchos casos de ingeniería de proceso, que casi siempre se llevan a cabo a presión constante, la energía eléctrica, la energía potencial y el trabajo, no están presentes o resultan despreciables. De esta manera, sólo es necesario tomar en cuenta la entalpía de los materiales (a presión constante), la energía normal de la reacción química (ΔH‟) a 25 ºC, y el calor añadido o extraído. A esto se le llama balance de calor.

Balances de calor: Para establecer un balance de calor en estado estable se usan métodos similares a los aplicados en los balances de materia. La energía o calor que entra a un proceso con los materiales alimentados, más la energía neta que se añade al proceso, es igual a la energía de salida de los materiales. Expresando esto de forma matemática,

Ecuación 57

Donde ΣHR es la suma de las entalpías de todos los materiales que entran al proceso de reacción con respecto al estado de referencia para el calor normal de reacción a 298 K y 101.32 kPa. Si la temperatura de entrada es superior a 298 K, esta suma será positiva.

ΔH0298 = calor normal de reacción a 298 K y 101.32 kPa.

La reacción aporta calor al proceso, por lo que el signo negativo de ΔH0298 se

considera como entrada positiva de calor para una reacción exotérmica.

q=energía neta o calor añadido al sistema. Si el sistema desprende calor, este término será negativo.

ΣHp= suma de entalpías de todos los materiales de salida con respecto al estado normal de referencia a 298 K (25 ºC).

Adviértase que si los materiales de entrada a un proceso están por debajo de 298K, ΣHR será negativa.

Es necesario tomar precauciones para no confundir los signos de los términos en la ecuación 57. Si no se produce una reacción química entonces hay un simple calentamiento, enfriamiento o cambio de fase. El uso de la ecuación 57 se ilustrará con diversos ejemplos. Por conveniencia, para el cálculo es costumbre llamar a los términos del lado izquierdo de la ecuación 57 términos de entrada, y a los de la derecha, términos de salida.


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EJEMPLO 17: Un medio de fermentación líquido a 30 ºC se bombea a velocidad de 2000 kg/h a través de un calentador, donde su temperatura se eleva a 70 ºC bajo presión. El agua caliente de desperdicio que se usa para el calentamiento entra a 95 ºC y sale a 85ºC. La capacidad calorífica promedio del medio de fermentación es 4.06 kJ/kg.K, y la del agua, 4.21 kJ/kg.K. Las corrientes de fermentación y de agua de desperdicio están separadas por una superficie metálica a través de la cual se transfiere el calor y que impide la mezcla física de ambas. Establezca un balance de calor completo para el sistema. Calcule el flujo del agua y la cantidad de calor añadida al medio de fermentación; suponiendo que no hay pérdidas en el sistema.

Figura 39. Diagrama de flujo Ejemplo 17.

Solución: Es conveniente usar el estado normal de referencia a 298 K (25 ºC) como base para el cálculo de las diversas entalpías.

De acuerdo con la ecuación 57, los términos de la expresión son los siguientes: Términos de entrada. ΣHR de las entalpías de las dos corrientes con respecto a 298K (25 ºC) (nótese que ΔT = 30 - 25 ºC = 5 ºC = 5 K):

H (líquido) = (2000 kg/h) (4.06 kJ/kg.K) (5 K) = 4.060*104 kJ/h H (agua) = W(4.21) (95 - 25) = 2.947 *102 W kJ/h (W= kg/h) (-ΔH0

298) = 0 (puesto que no hay reacción química) q = 0 (puesto que no hay adición o pérdida de calor)

Términos de salida. ΣHp de las dos corrientes con respecto a 298 K (25ºC): H(líquido) = 2000(4.06) (70 - 25) = 3.65 *105 kJ/h H(agua) = W(4.21) (85 - 25) = 2.526*102 W kJ/h

Igualando entradas y salidas en la ecuación (1-17) y despejando W,

4.060 *104 + 2.947*102 W = 3.654*105 + 2.526*102 W W = 7720 kg/h de flujo de agua


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La cantidad de calor que se ha agregado al medio de fermentación es simplemente la diferencia de las entalpías de los líquidos de salida y entrada:

H(líquido de salida) : H (líquido de entrada) = 3.654*105 - 4.060*104 = 3.248*105 kJ/h (90.25 kW)

Obsérvese en este ejemplo que, puesto que se supuso que las capacidades caloríficas son constantes, se podría haber escrito un balance más simple como éste:

Calor que gana el líquido = calor que pierde el agua 2000(4.06)(70 - 30) = W(4.21)(95 - 85)

Entonces, al resolver la expresión, W= 7720 kg/h. Este balance simple produce buenos resultados cuando Cp es constante; sin embargo, cuando el valor varía con la temperatura y el material es un gas, sólo se dispone de valores de Cpm entre 298 K (25 ºC) y T K y el método simple no puede usarse sin obtener nuevos valores de Cpm a diversos intervalos de temperatura.

Lección 22. Mecanismos para la transferencia de calor.

Todo flujo de masa o energía implica una fuerza motriz que ha de vencer una resistencia que se opone al flujo; en el caso de fluidos la fuerza motriz es una presión que se aplica a la masa y vence la viscosidad que posee el fluido; el resultado es un movimiento que puede ser medido por la magnitud conocida como velocidad. La corriente eléctrica o intensidad eléctrica tiene lugar cuando una diferencia de potencial eléctrico vence una resistencia eléctrica. Para la transferencia de calor, la diferencia de temperaturas es la fuerza motriz que vence una resistencia térmica para permitir el flujo de calor, así:

Ecuación 58.

El flujo tiene como base de medida la cantidad de masa, peso o energía que se transporta por unidad de tiempo.

Para el calor la magnitud a transportar es: calorías en el sistema CGS, kilocalorías en MKS, BTU en el inglés o Julios en el internacional, siendo común para todas ellas el segundo como unidad de tiempo. El flujo de calor, conocido por la letra q se expresa como cantidad de calor Q transportada por unidad de tiempo t.


135

Dadas las cantidades de calor que se transfieren durante un proceso, se acostumbra a usar Kcal/hr, BTU / hr ó Watios.

El calor fluyendo de cuerpos o zonas de cuerpos, de alta temperatura a cuerpos o zona de cuerpos a baja temperatura lo hace fundamentalmente en uno ó más de tres mecanismos de transferencia de calor. Estos son conocidos como CONDUCCION, CONVECCION Y RADIACION mecanismos que en la práctica se presentan en forma individual o simultánea; Para efectos de un estudio teórico, inicialmente se estudiará cada uno en forma independiente para concluir con el estudio simultáneo de ellos.

Conducción:

fuente:www.paritarios.cl/images/esp_extintores02.gif

La conducción es un mecanismo de transferencia que ocurre sustancialmente en sólidos y en muy poco grado en fluidos y obedece al cambio de momentum o cantidad de movimiento de los átomos o moléculas de los cuerpos por la variación de la energía interna consecuencia de los cambios de temperatura. En los sólidos el cambio de la cantidad de movimiento trae como consecuencia un arrastre de electrones y en los fluidos en reposo colisiones en las moléculas.

Ocurre transferencia de calor por conducción en las paredes de un horno, en placas metálicas de un radiador, en la base de una plancha, en paredes de tuberías, en las cuales fluyen líquidos calientes, etc. Cuando las caras de un objeto están expuestas a diferentes temperaturas ocurre un flujo de calor de la zona de más alta temperatura a la de más baja temperatura. Fourier, Biot y otros investigadores establecieron que el flujo de calor es proporcional directamente al

Ecuación 59.


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área a través de la cual fluye el calor, al gradiente o diferencia de temperatura e inversa a la distancia que recorre el calor.

Ecuación 60

Siendo; q: el flujo de calor A: el área normal o perpendicular al flujo ΔT: gradiente o diferencia de temperatura x: gradiente de distancia o recorrido.

En un comienzo Fourier estableció para cada sustancia una constante de proporcionalidad K, llamada conductividad térmica para expresar:

Ecuación 61

Las unidades para conductividad térmica, deducidas de la ecuación 61 son:

Estudios posteriores demostraron que la conductividad térmica no es constante sino que varía en mayor o menor grado con la temperatura; en la mayoría de los sólidos la variación es muy pequeña pero en los líquidos y gases la variación es muy amplia. En los metales los valores de K son altos, en sólidos no metálicos los valores son relativamente bajos en tanto que los líquidos y gases poseen valores bajos como se aprecia en la lista siguiente:


137

Algunos autores representan la ecuación 61 con signo menos en concordancia a un gradiente matemático que se toma como estado final menos estado inicial. Dado que el flujo de calor obedece a un gradiente físico o diferencial positivo de temperatura como se establece en la 2ª. Ley de la termodinámica, en el curso se empleará la ecuación 61 tomando siempre como gradiente de temperatura, la diferencia entre la más alta y la más baja.

EJEMPLO 18. Determinar el flujo de calor a través de la pared de un cuarto cuyas temperaturas superficiales en la pared son -20 oC y 40 oC, la conductividad térmica del material es de 0,8 Kcal/hr m oC y su espesor es de 10 cms.

Solución: Dado que no se especifica el área de la pared, se puede o bien calcular el flujo de calor por unidad de superficie q/A, o el flujo de calor en 1 m2 de pared.

La figura 40 da una representación gráfica del flujo.

Figura 40.DIAGRAMA DE FLUJO DEL CALOR ejemplo 18.

Para la segunda opción, aplicando la ecuación 60 y con datos. K = 0,8 Kcal / hr m oC A = 1 m2 Δ T = 40 - (-20) oC = 60 oC x = 0,1 m Para aplicar la ecuación 61 el gradiente matemático de temperatura puede ser 60 oC ó -60 oC, dependiendo de cual temperatura 40 ó -20 se toma como inicial. Con la ecuación 60, se establece que el flujo de calor ocurre de la superficie que está a 40 0C hacia la que está a -20 0C.

Ejemplo 19: En un ensayo para determinar la conductividad térmica de un material, se empleó un bloque de 1 x 1 pies de área y 1 pulgada de espesor; cuando se tuvo un flujo de 800 BTU/ hr a través del bloque, se registraron


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temperaturas de 80 y 120oF en cada una de sus caras. Calcular el valor de la conductividad térmica.

Solución. La figura representa gráficamente el flujo de calor

Aplicando la ecuación general de la transferencia por conducción, se obtiene el valor de K así: Para la resolución del problema, inicialmente deben establecerse unidades consistentes, así: con q = 800 BTU/hr x = 1" = 1/12 pies = 0.083' A = 1 x 1 pies = 1 pie2 ΔT = 120 oF - 80 oF = 40 oF Luego

Convección

fuente:www.13psi.cl/admin/imagenes/419conveccion01%2

La convección es un fenómeno de transferencia que ocurre únicamente en los fluidos y tiene lugar por la mezcla de porciones calientes de un material con porciones frías del mismo; Igualmente existe el mecanismo de convección cuando un fluido en movimiento pasa sobre un cuerpo sólido ó a través de ductos o


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tuberías que se encuentran a temperatura diferente a las del fluido, en términos generales la convección ocurre cuando se tiene flujo de calor por mezcla o turbulencia.

En el flujo laminar o de capas delgadas de los fluidos puede ocurrir transferencia de calor por conducción pero normalmente tiende a cambiarse al mecanismo por convección debido a la formación de remolinos o turbulencia causada por los cambios de densidad con la temperatura. En la práctica el flujo de calor por convección siempre va acompañado de flujo por conducción debido a que el calor pasa a través de películas o capas laminares en el mecanismo propio de la conducción y no es sencillo o no se acostumbra considerarlos independientes para su aplicación.

En su estudio teórico cada mecanismo inicialmente se estudiará por separado, pero en los problemas se plantearán situaciones concordantes con la realidad en la que influyen por lo menos dos de los tres mecanismos existentes; La transferencia de calor por convección ocurre en el calentamiento de una habitación empleando un calentador eléctrico ó de vapor; en el calentamiento de líquidos en recipientes, vasijas y en la industria en innumerables equipos que se denominarán intercambiadores de calor y en los cuales el flujo de calor se efectúa entre la superficie del equipo y el fluido que pasa en contacto con ella.

Para facilitar los cálculos de transferencia de calor entre una superficie que se encuentra a una temperatura Ts y un fluido que se desplaza sobre ella a una temperatura Tf si Ts>Tf se ha introducido un coeficiente de transferencia de calor, h, y se aplica la ecuación 61.

q = h A (Ts-Tf) Ecuación 61

Donde q que es el flujo de calor en dirección normal o perpendicular a la superficie y h coeficiente de transferencia de calor por convección también conocido como coeficiente de película y cuyas unidades son:

En sistema internacional

A diferencia de la conductividad térmica K, que es específica para un material a una temperatura dada, el coeficiente de película h, varía de acuerdo a la velocidad


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del fluido, por consiguiente es función del ducto que transporta el fluido o del tamaño del recipiente que lo contiene, igualmente es función de ciertas propiedades del fluido como son calor específico, densidad, viscosidad y aún de la misma conductividad térmica, propiedades que como bien se sabe varían con la temperatura.

EJEMPLO 19: Una superficie transfiere 28 Btu / min ft2 a un fluido que se encuentra a 42 oF.

a) Determinar la temperatura de la superficie cuando el coeficiente de película es de 40 Btu/hr ft 2 oF.

b) Determinar la temperatura del fluido cuando la superficie conserva su temperatura y el coeficiente varia a 50 Btu/hr ft 2 oF.

Solución. - En el problema, típico de convección se dispone para la parte a) de los datos siguientes q/A = 28 Btu / min ft2 Tf = 42 oF h = 40 Btu / hr ft2 oF

La temperatura de la superficie puede obtenerse de la ecuación 61, en la que puede tomarse como área de transferencia de calor 1 ft2, o expresar la ecuación como:

q/A = h(Ts-Tf), de esta expresión, Ts = q/Ah + Tf

Para aplicarla, se debe tener consistencia de unidades y el flujo por unidad de área debe llevarse a horas, luego


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Radiación

fuente:www.inamhi.gov.ec/imgs/dic/radiacion.jpg

Todo cuerpo emite radiaciones que se transmiten a través del espacio o a través de ciertos cuerpos. La naturaleza de estas radiaciones se ha planteado por diversas hipótesis, la de Planck establece que las radiaciones están constituidas por fotones o paquetes de energía también llamados quantum. Maxwell en su teoría clásica establece que ellas son ondas electromagnéticas, las dos teorías pueden conjugarse considerando que los paquetes de energía, de carácter electromagnético, viajan en forma ondulatoria; Acorde a la longitud de onda, las radiaciones producen efectos específicos, desde los denominados rayos cósmicos cuyos efectos son de orden termonuclear hasta las ondas hertzianas de amplio uso en las telecomunicaciones y su clasificación se hace por dichos efectos. Así y en secuencias de las más pequeñas longitudes a las más grandes longitudes de onda se tiene:

Tabla 5. Longitudes de Onda para diferentes tipos de radiaciones

En todo el espectro se genera calor pero los efectos son notorios en la zona de los rayos infrarrojos y la emisión o absorción de energía radiante térmica ocurre principalmente para estas longitudes de onda; La emisión o absorción de energía radiante en los sólidos y líquidos es un proceso secuencial. Para la emisión de energía, la temperatura interior genera la radiación que fluye hacia el exterior y se emite a través de la superficie.


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Para la absorción, la radiación que llega al cuerpo, incide sobre la superficie del mismo y penetra en él, en donde se va atenuando pero aumentando la temperatura del cuerpo; En la mayoría de los sólidos el efecto de la radiación incidente se atenúa a una distancia muy pequeña de la superficie (distancia del orden de micras) y el fenómeno recibe el nombre de RADIACION DE SUPERFICIE; En los gases la radiación actúa sobre todo el volumen, bien sea emitida o absorbida, en este caso se tiene la RADIACION GLOBAL.

No toda la radiación que incide sobre un cuerpo es absorbida por el mismo. Parte es reflejada y en algunos la radiación pasa de largo. Igualmente no toda la radiación disponible de un cuerpo es emitida, parte de ésta es retenida; Los cuerpos ideales que absorben toda la energía radiante que incide sobre ellos se llaman cuerpos negros, igual denominación reciben los cuerpos ideales que emiten toda energía radiante disponible, los cuerpos reales que no absorben o emiten la totalidad de la energía radiante que incide o disponible, reciben el nombres de cuerpos grises.

De acuerdo a como se comporta un cuerpo, respecto a la radiación que incide sobre él, se clasifican en: • Cuerpos Opacos: aquellos que absorben la casi totalidad de la energía radiante y la convierten en calor, son la mayoría de cuerpos que existen en el universo. • Cuerpos Transparentes: aquellos que dejan pasar la casi totalidad de la energía radiante que llega de ellos, ejemplo de ellos son el cuarzo fundido, el vidrio transparente y gases no polares. • Cuerpos Reflexivos o Espejos Térmicos: aquellos que reflejan la mayor parte de la radiación incidente, cuerpos metálicos con superficies opacas pulidas y los espejos ópticos son ejemplos. Los cuerpos de color negro y las superficies mate absorben la mayor parte de la radiación incidente transformándolas cuantitativamente en calor.

Experimentalmente se ha establecido que la energía radiante emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta a la cual se encuentra.

E α T4 Ecuación 62

Siendo E la energía radiante.

Los científicos, Stefan por métodos experimentales y Boltzman por deducciones matemáticas establecieron que la constante de proporcionalidad llamada de Stefan-Boltzman y representada por la letra δ, tiene valores de:


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La ecuación 62 se convierte en;

El flujo de calor por radiación implica un cuerpo emisor, con A1 que se encuentra a una temperatura T1 y un cuerpo receptor con A2 que se encuentra a una temperatura T2, siendo T1>T2. Cuando los dos cuerpos son negros e infinitos, el flujo de calor por radiación para el cuerpo de área A2, que absorbe toda la radiación del cuerpo de área A1 es

q = δ A1(T14 - T2

4) Ecuación 63

Donde q es el flujo de calor en Btu/hr ó Kcal/hr ó Watios. La ecuación 63 expresa lo que se denomina la ley de Stefan-Boltzman.

Desde el punto de vista de radiación térmica, se llama cuerpo infinito aquel que recibe toda la radiación que sale de otro cuerpo. El ejemplo más clásico es el de un cuerpo A, encerrado totalmente por un cuerpo B, es decir un objeto dentro de una caja o una esfera. Toda la radiación que sale del cuerpo A ó del objeto llega al cuerpo B ó a la caja; Hoy por hoy, la radiación térmica adquiere una preponderante importancia en el aprovechamiento de la fuente térmica más importante de la naturaleza como es el sol.

EJEMPLO 19. Calcular la energía radiante disponible de un cuerpo negro que se encuentra a 80oF.

Solución:

Para aplicar la ley Stefan-Boltzman se tiene

T = (80 + 460)0R = 540 0R y δ = 0,1714 x 10-8 Btu/hr ft2 0R4

E = δT4 = 0,1714 X 10-8 X 5404 BTU/hr ft2 0 = 145,7 BTU/hr ft2 0

Ya se mencionó como en la naturaleza o en la industria el flujo de calor se hace por dos ó los tres mecanismos y es el empleo de la resistencia térmica R, lo que nos permite trabajar la presencia simultánea de los mecanismos.


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Circuito Térmico: En aplicaciones industriales se pueden presentar simultáneamente dos o los tres mecanismos. En la conducción se puede presentar flujo a través de paredes compuestas; Para estos casos se introduce la analogía con los sistemas eléctricos y más concretamente con los circuitos y resistencias. De la ecuación de flujo, igual a fuerza sobre resistencia se obtienen las resistencias térmicas así:

Tabla 10. Resistencias Térmicas

Teniendo en los tres casos como unidades: h oF / BTU, h oC / Kcal, 0 / W, el concepto de resistencia permite emplear los llamados circuitos térmicos, que de acuerdo a los mecanismos o cuerpos involucrados serán en serie o en paralelo.


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Lección 23: Procesos Térmicos

fuente:www.naturbo.com.mx/AMBIENTAL-75-02.JPG

La transmisión o transferencia de calor es una de las operaciones más aplicadas en la industria esta puede realizarse en dos formas; la primera , única sin otras operaciones y la segunda acompañada de transferencia de masa; Las operaciones térmicas en las cuales no se tiene transferencia de masa , reciben el nombre de procesos térmicos, que contemplan no solamente operaciones de elevación de temperatura sino aquellas que involucran bajas temperaturas o frío.

La esterilización, día tras día, toma un lugar relevante en la industrialización de los alimentos y aunque su aplicación data de siglo y medio atrás, continuamente se investiga sobre ella, dada la incidencia, en cierto grado adversa a las características organolépticas de los productos; Los cambios de fase, siempre asociados a transmisión de calor, tienen aplicación bien como operación complementaria en la destilación, o como operación de conservación que involucra bajas temperaturas; la congelación, se constituye en operación necesaria a partir desde el mismo manejo de alimentos en el hogar, hasta proyecciones muy importantes en el manejo de alimentos listos o precocidos.


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También se constituye la congelación como etapa previa a otra importante operación especializada como es la liofilización.

Esterilización, Pasterización: La esterilización y la pasterización, son procesos físicos de amplia aplicación en la industria de alimentos, en ellos se disminuye el contenido de bacterias o microorganismos, a tal nivel que desaparece el riesgo de deterioro de un producto y este puede ser conservado en sus condiciones fisicoquímicas durante mucho tiempo; Uno de los medios físicos más importantes empleados, es el calor aplicado directa o indirectamente al producto en sí mismo o en un empaque en el que haya sido envasado previamente.

Si bien no existe una clara diferenciación entre los procesos de esterilización, por tratamiento térmico, se suele llamar pasterización al proceso que se lleva a cabo a temperaturas inferiores a 100 grados centígrados, en tanto que la esterilización se lleva a cabo por encima de los 100 grados centígrados; La esterilización llevada a cabo a bajas temperaturas está basada en los estudios que hizo el científico francés Pasteur sobre contaminaciones bacteriales en vinos y cervezas una vez se envasaban estos producto. En honor a él se bautizó el proceso inicial de esterilización por calor y la llamada unidad de pasterización, que establece una relación tiempo-temperatura a la cual se ha definido como la permanencia de un producto durante un minuto a 60OC. Cada producto para lograr una adecuada esterilización requiere de un número de unidades de pasterización, que a la vez depende de los microorganismos que pueden contaminar el producto; Para la cerveza y vinos se ha establecido que 15 unidades de pasterización permiten darle estabilidad biológica al producto. En términos prácticos se debe llevar el producto a 60OC y mantenerlos a esta temperatura durante 15 minutos, a más altas temperaturas se requiere menos tiempos. Existe lo que se llama pasterización instantánea o ultrapasterización en la cual se emplean temperaturas superiores a 100OC, pero en tiempo de residencia o de contacto térmico de pocos segundos. Igualmente se tiene esterilizaciones por ebullición, en productos que hierven por debajo de los 100OC; Hoy es muy usual, para grandes volúmenes la ultrapasterización de leches, en un proceso que se lleva a cabo durante 3 segundos a 121OC

fuente:www.imai.net/imagenes/pasto1.gif

Figura 41. Pasteurizador


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Ajustándonos a la clasificación mencionada, la pasterización se lleva a cabo directamente empleando equipos de intercambio de calor como los tubulares, los de placas y recipientes con serpentines o camisas. Los primeros se utilizan para procesos continuos, en tanto que los segundos se emplean para pasterizaciones por cochada; La pasterización indirecta se utiliza para los elementos envasados, en equipos que genéricamente se denominan esterilizadores. Un equipo específico de pasterización indirecta es el pasteurizador de túnel, que permite un flujo continuo de los envasados, a medida que los recipientes avanzan en el túnel, duchas de agua caliente o vapor elevan progresivamente la temperatura del producto, hasta que llega a la pasterización acorde con las unidades de pasterización que requiere el producto; éste se mantiene durante el tiempo necesario a su temperatura de pasterización, para que luego, mediante duchas de agua fría, el producto se enfríe lentamente. Estos equipos son apropiados para grandes volúmenes de producción, en razón de la longitud que requiere recorrer el producto para sufrir lentamente los cambios de temperatura.

En la esterilización indirecta igualmente, se emplean recipientes abiertos y cerrados, operados estos últimos a presiones relativamente altas para favorecer la transmisión de calor, a través de los recipientes y lograr así la temperatura de esterilización para todo el producto; Acorde al tipo de industria, disponibilidad del mano de obra y costos de operación se tienen esterilizadores discontinuos o de cochada y esterilizadores continuos; Los esterilizadores discontinuos más comunes son las marmitas o autoclaves que pueden ser verticales u horizontales.

La termización es un proceso intermedio en el cual se busca mantener muy bajos los contenidos de bacterias y se aplican a productos de consumo prácticamente inmediato. Es un tratamiento aplicado en flujo continuo parecido a la pasterización, pero difiere en el tiempo de aplicación que es muy corto, del orden de 15 a 20 segundos con temperaturas de 60 a 650c. Un aspecto muy importante de tener en cuenta es la velocidad de penetración del calor en los envases; los productos no se calientan ni se enfrían rápidamente. La temperatura alcanzada en un producto depende del índice de penetración calórica, que a su vez depende del estado del producto, las condiciones del procesamiento técnico, la geometría del recipiente y aún la misma temperatura del medio calefactor.

Los líquidos se calientan más rápidamente que los sólidos debido a los fenómenos de convección, ya que en los sólidos tiene lugar el fenómeno de conducción; Se tiene una esterilización adecuada en los productos envasados, cuando se logra la temperatura de esterilización y se mantiene durante el tiempo requerido en el llamado punto frío del producto. Para líquidos en reposo y sólidos, la figura 42 muestra el punto frio; Estudios microbiológicos dan las pautas para establecer los tiempos y temperaturas de esterilización, parámetros requeridos para el cálculo de áreas de transferencia y requerimientos del elemento calefactor.


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Figura 42. Calentamiento del producto en el interior de una lata

Condensación: Para el cambio de fase vapor a líquido, llamado licuación o licuefacción, se emplean intercambiadores de calor llamados específicamente condensadores; El cambio de fase para fluidos puros ocurre a una temperatura dada que es función de la presión del fluido; esta temperatura se conoce como temperatura de saturación o de equilibrio.

Generalmente en la industria, la vaporización o condensación de un fluido ocurre a presión constante y es un proceso isotérmico, cuando el cambio de fase ocurre para una mezcla de fluidos el proceso isobárico no siempre es isotérmico por la variación en las presiones de vapor, composición molar y temperatura de equilibrio de cada uno de los compuestos de la mezcla. Desde un punto de vista físico, el fenómeno de condensación puede ocurrir en dos formas: de gota o de película; La condensación en forma de gota ocurre cuando un vapor puro saturado se pone en contacto con una superficie fría; al ceder calor a la superficie fría el vapor se condensa y puede formar gotitas en la superficie; estas gotitas pueden desprenderse de la superficie dejando libre el área para posterior formación de más gotitas. En el otro mecanismo, se forma una película de líquido sobre la superficie a medida que el vapor se va enfriando, más vapor se condensa sobre la película inicialmente formada; Los dos mecanismos son distintos e independientes, aunque el de gota es propio del vapor de agua y de algunos vapores cuyos líquidos no son miscibles como el caso de aceites y agua. El mecanismo de condensación por gota permite altos coeficientes de transmisión de calor (seis a ocho veces de los de película) pero debido a que el fenómeno es propio de muy pocos fluidos, los estudios se concentran hacia la condensación por película, que además permite un relativo fácil análisis matemático. Los equipos de condensación se dividen en dos grandes grupos; los de carcasa y tubos (intercambiadores comunes) y los de contacto.


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Los condensadores de contacto implican que los fluidos vapor y líquidos refrigerante sean los mismos, o al menos afines en ciertas propiedades. El proceso implica transferencia de masa, lo que obliga a postergar su estudio. Una vez se conozcan los mecanismos de transferencia de masa, el estudiante aplicará sus conocimientos de transferencia de calor para los cálculos correspondientes. Para los cálculos de condensadores de carcasa y tubos, se emplean las consideraciones generales en los intercambiadores del mismo tipo. Consideraciones específicas se plantean en la disposición de los tubos que pueden ser verticales u horizontales. En los condensadores de tubos verticales, en la parte superior de los tubos existe para la zona de vapor, menos cantidad de líquido, su flujo es laminar y a medida que el líquido desciende se condensa más vapor, existe más líquido y su flujo llega a ser turbulento. La velocidad másica G es diferente en las distintas secciones del tubo; Igual situación aunque en menor grado se presenta en los tubos horizontales, es decir la velocidad no es constante durante el recorrido a lo largo del tubo. Esta circunstancia lleva a considerar el empleo de una velocidad másica que sea representativa del flujo de condensado que circula por unidad de tiempo a través de todos los tubos.

Ebullición

fuente:centros3.pntic.mec.es/cp.la.canal/agua/Gota.gif

En la Industria numerosos productos líquidos o en solución son sometidos a ebullición, ya sea a alta o baja presión, para favorecer reacciones fisicoquímicas, esterilizarlos o, aun, concentrarlos; Una aplicación muy importante de la ebullición es la generación de vapor de agua para múltiples propósitos. Entre ellos podemos mencionar: generación de energía eléctrica a través de turbogeneradores, calefacción o como elemento calefactor en procesos industriales, aseos y esterilización de equipos, obtención de agua destilada, etc.

La ebullición, como la condensación, puede ocurrir cuando la vaporización o formación de vapor se efectúa por burbujas, directamente en la superficie de vaporización se tiene la llamada ebullición nucleada. Cuando la ebullición ocurre a través de una película de gas de interferencia entre la superficie y el líquido, se llama ebullición de película; En los dos fenómenos, se generan burbujas que


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ascienden, a través de la masa del líquido y se rompen en la superficie. Cuando el vapor se acumula en la superficie del líquido y escapa a medida que más vapor se produce, el líquido está en equilibrio con el vapor a la temperatura de ebullición y se tiene la ebullición de líquido saturado. En algunos casos la masa del líquido está a una temperatura inferior a la de ebullición, pero la superficie de calefacción está a una temperatura mayor y produce una ebullición en ella, así, el vapor formado es absorbido por el resto de líquido. Se tiene la ebullición de superficie o ebullición subenfriada.

Tanto la ebullición de líquido saturado, como la de superficie pueden presentar ebullición nucleada a ebullición de película; Para la determinación de los coeficientes de transferencia de calor se han efectuado ensayos: en un recipiente dotado de un serpentín, por el cual circula el fluido calefactor a temperatura variable, se tiene un líquido en ebullición, midiendo la tasa de flujo de calor q/A y la caída de temperatura entre la superficie del tubo y la del líquido en ebullición, se tiene una gráfica como la representada en la figura 43. Esta gráfica corresponde a ebullición de agua a una atmósfera de presión y 2120F.

La curva obtenida corresponde a cuatro zonas muy definidas. Una primera, recta AB, para pequeñas diferencias de temperatura y en la cual la relación logarítmica es constante y puede ser expresada, por la ecuación:

Ecuación 64

Donde K es una constante especificada para el líquido en ebullición; la segunda zona, en un tramo casi recto BC, con pendiente 3 a 4 termina en el punto C donde se obtiene un flujo máximo de calor, aproximadamente 4 x 105 BTU/hrft2 para un ΔT de 500F.

Figura 43 Fenómeno de ebullición

El valor máximo es la tasa máxima de flujo correspondiente a la llamada caída crítica de temperatura; a partir de este punto la tasa disminuye hasta alcanzar un mínimo en el punto D, llamado punto de LEIDENFROST ; luego se incrementa para llegar a valores muy altos en la tasa cuando la diferencia de temperatura igualmente es muy alta.


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Cada una de las zonas en la figura 44, corresponde a mecanismos diferentes en el fenómeno de ebullición. Para la primera zona existe transferencia de calor por convección en el seno del líquido, y si bien existe formación de burbujas, éstas

son pocas y pequeñas y no causan distorsiones en las corrientes de la convección, pero a partir de una caída de 80F la formación de burbujas es grande y se afectan las corrientes de convección, favoreciendo la transferencia de calor y el coeficiente de película crece muy rápidamente. Esta es una zona donde se tiene

específicamente la ebullición nucleada, a medida que aumenta la caída de temperatura, aumenta la capa de vapor y el coeficiente de A medida que crece el número de burbujas, ellas tienden a unirse antes de desprenderse de la superficie

y forman una capa de vapor aislante, que se desprende con pequeñas explosiones a medida que aumenta la caída de temperatura aumenta la capa de vapor y el coeficiente de transferencia disminuye y, por consiguiente la tasa de

transferencia de calor también lo hace, se tiene la Ebullición de Transición.

Figura 44. Caída de temperatura

Una vez se estabiliza la capa de vapor, desaparecen las explosiones y, al incrementarse la caída de temperatura, tiene lugar una formación ordenada de burbujas en la interfase entre la película de vapor y el líquido. El flujo de calor aumenta lentamente al principio, para hacerlo más rápidamente después, ya que ocurre transferencia de calor también por radiación. Este tipo de ebullición se conoce con el nombre de Ebullición de Película.

Siendo el flujo de calor proporcional a los coeficientes de película: de la gráfica representada en la figura 44, puede obtenerse una gráfica que relacione el coeficiente h con la caída de temperatura (figura 45); Es de esperar que el máximo coeficiente se logre para la caída crítica de temperatura, que es de 40 a 500F para el agua, de 60 a 1200F para líquidos orgánicos, aunque varia sensiblemente con la presión.

La máxima tasa de transferencia es del orden de 115.000 a 400.000 BTU./.ft2hr para el agua, dependiendo de su pureza, presión y superficie de calefacción. Para líquidos orgánicos el rango es de 40.000 a 130.000 BTU/ft2hr, a presión atmosférica. La ebullición de película, (referida a la superficie de transferencia de calor), se forma en la interfase vapor-líquido, ondas con una longitud característica (λo). Las


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cuales crecen para formar burbujas, cuyo diámetro es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda; estas burbujas abandonan la superficie a intervalos constantes de tiempo.

Ebullición de superficie o subenfriada se logra cuando un líquido fluye en un espacio anular vertical, en el cual el tubo interior es el elemento calefactor; Cuando el líquido asciende y la temperatura del elemento calefactor aumenta, se forman burbujas en la superficie del elemento para condensarse en el resto del líquido. Relacionando el flujo de calor con la diferencia de temperatura se obtiene una gráfica como la representada en la figura 45 correspondiente a ensayos con agua destilada y desgasificada a una velocidad de 4 ft/seg y 60 psi en un ánulo de De = 0.77 pulgadas y Dc = 0.55 pulgadas. (Mc Adams and Day).

La figura consta de dos secciones ambas rectas, una primera para caída de temperatura inferior a 800F, con pendiente de 1.0, en la cual el coeficiente es

independiente de la caída de temperatura, y los valores del coeficiente obtenido por la gráfica coinciden con los valores que se obtienen por ecuaciones

específicas para flujo turbulento.

Figura 45. Flujo de Calor en ebullición de superficie

Cuando la caída sobrepasa los 800F, cambia su pendiente y se tiene la verdadera ebullición de superficie. El flujo de calor se incrementa notablemente con pequeños crecimientos en las caídas de temperatura, lográndose una altísima eficiencia en la transferencia de calor del orden de 5 a 106 BTU/h.ft2 ; La ebullición de superficie se emplea en condiciones muy especiales, dadas las características del equipo empleado.

Enfriamiento y refrigeración: Se emplea el enfriamiento de productos para obtener temperaturas adecuadas de almacenamiento; Algunas sustancias provienen de un proceso que ha implicado altas temperaturas para favorecer reacciones físico-químicas y se requiere llevar la temperatura a un nivel adecuado,


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para un fácil manejo y almacenamiento, otras sustancias en especial alimentos requieren de temperaturas bajas para su conservación y almacenaje y algunos procesos requieren de temperaturas bajas para su desarrollo.

Cuando se tiene una disminución de temperaturas sin que ocurra un cambio de fase, tiene lugar el enfriamiento, que puede llevarse a cabo para sustancias en cualquier estado; Cuando se requiere mantener durante un lapso amplio de tiempo bajas temperaturas (por debajo de la temperatura ambiente), se tiene la llamada refrigeración. Los mecanismos de transferencia de calor en las dos operaciones son muy diferentes y aunque se ha generalizado la aplicación del término refrigeración al enfriamiento de sólidos o de espacios amplios es importante tener presente que los fines son muy diversos. El enfriamiento de gases y líquidos se lleva a cabo adecuadamente en los inter-cambiadores de calor ya estudiados, empleando como medio de enfriamiento líquidos o gases a muy bajas temperaturas; Estos fluidos tienen propiedades termodinámicas especiales, como bajos puntos de congelación y de evaporación e igualmente de volúmenes específicos y altos valores latentes. De los líquidos o fluidos enfriadores, también llamados refrigerantes, el que mejor propiedades presenta es el amoniaco, NH3, con un inconveniente serio como es su alta toxicidad, esto conlleva aun cuidadoso manejo y el empleo de equipo con sellos o cierres herméticos. El freón 12 (dicloro difluormetano) presenta como inconveniente un calor latente de evaporación de 38 kcal kg, lo que lleva a emplear volúmenes relativamente altos y limita su uso para grandes instalaciones; La obtención de los refrigerantes fríos para su empleo en enfriamiento, se efectúa en ciclos termodinámicos que prácticamente son los inversos del ciclo de Rankine.

Los ciclos termodinámicos más empleados son:

Figura 46. Refrigeración por compresión de vapor

El fluido refrigerante (gas) es comprimido a altas presiones, en este proceso el fluido se calienta y es necesario extraerle calor que se logra en intercambiadores empleando agua fría, o en radiadores utilizando aire frío; acorde con las


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características del refrigerante en esta etapa puede licuarse y ser almacenado. Para el enfriamiento, el fluido se hace pasar a través de una válvula de expansión que permite bajar la presión del fluido disminuyendo considerablemente su temperatura, si el fluido está líquido, en esta etapa se gasifica o vaporiza. A continuación o se almacena el gas o es succionado por el compresor para iniciar de nuevo el ciclo.

Refrigeración de vacío: Se emplea como fluido refrigerante agua líquida, lo que limita la temperatura baja a valores siempre por encima de los 00C. En un recipiente que contenga agua, se hace vacío empleando generalmente un eyector de vapor. Al bajar la presión en el recipiente parte del agua se evapora rápidamente, causando enfriamiento de la masa de líquido hasta una temperatura cercana a su punto de congelación. Este es un ejemplo clásico del enfriamiento evaporativo o por evaporación; El agua a baja presión y baja temperatura, puede emplearse como líquido refrigerante en los equipos convencionales. Acorde a la temperatura de salida del agua en el proceso de enfriamiento, ella puede recircularse para completar el ciclo; En algunos sistemas la expansión del gas comprimido tiene lugar directamente en el equipo de transferencia de calor.

Refrigeración por absorción: Este ciclo emplea dos fluidos: uno principal, el de trabajo y otro el auxiliar, de absorción. El requisito para seleccionar los fluidos generalmente líquidos es que la entalpía de su solución sea inferior a la de cada uno de los líquidos. Uno de los sistemas más empleados es el de amoniaco y agua. El amoniaco se absorbe en agita (disolución de gas en líquido) a baja presión, dado que la entalpía de la solución es menor que la del agua y que la del amoniaco, se debe extraer calor para efectuar la absorción. La solución es bombeada a un generador de amoniaco, en esta etapa se eleva la presión y se calienta la solución lo que causa la separación del amoniaco, quedando listo como fluido refrigerante.

EJEMPLO 20. Determinar las toneladas de frío que produce un sistema de compresión de freón que requiere de 52 BTU/lb en el evaporador (o intercambiador de calor), cede 65 BTU/lb en el enfriador y tiene un flujo de 1920 lb/hr. Igualmente determine el trabajo efectuado por el compresor en BTU/hr, si el sistema tiene un coeficiente de operación de 4.

Solución: El freón al evaporarse requiere o absorbe 52 BTU/Ib, esto significa que extrae en un proceso de enfriamiento 52 BTU/lb de freón. Para una hora el calor extraído es:

Q = 1920 x 52 = 99.840 BTU/h

Recordando que una tonelada de frío es la cantidad de calor que se requiere extraer a una tonelada de agua para convertirla en hielo, en un lapso de 24 horas, se tiene:


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1 ton de frío ⇒ 12.000 BTU/h Luego

El coeficiente de operación se define como la relación entre el calor extraído y la diferencia entre calor requerido y extraído, llamando W la diferencia que debe ser igual al trabajo efectuado, por el compresor:

β = QE / W W = QE / β = 52 /4 = 13 BTU / lb

Obsérvese que el trabajo es igual a la diferencia de los calores

W = Qc - QE = 65 -52 = 13 BTU/lb

La potencia por hora será:

W = 13 x 1.920 = 24.960 BTU/hr equivalente a W = 9.8 H.P.

Para facilitar cálculos en procesos de refrigeración se han introducido las llamadas unidades de Refrigeración. La más usual es la tonelada de frío, equivalente a la cantidad de calor extraída a 2.000 libras de agua a 320F para solidificarla, en un lapso de 24 horas. Teniendo calor latente de fusión de 144 BTU/Ib.

1 Ton de frío = 2.000 Ib x 144 BTU/lb/24horas = 288.000 BTU/día 1 Ton de frío = 12.000 BTU/hr

Otra unidad es la Unidad Británica de Refrigeración, basada en la tasa de enfriamiento de una kilocaloría por segundo, equivalente a 237,6 BTU/min.

EJEMPLO 21. Para determinar el proceso de fermentación en la obtención de la cerveza, la temperatura del líquido debe bajarse de 120 0C a 40 0C en un lapso de 36 horas. Para el efecto se empleará agua a 10C que circula por un serpentín de cobre de 2 1/2” de diámetro.

Determinar las toneladas de frío requeridas para lograr el enfriamiento de un tanque que contiene 200 hls ( 20.000 kilos) de cerveza.

Solución : De las tablas el calor específico de la cerveza es de 0.95 cal /gr”C. El calor extraído en una hora será:

Q = m Cp ΔT / 36

La densidad de la cerveza puede considerarse igual a la unidad, luego:

Q = 20.000 x 1.0 x (12 - 4)/36 = 4444.4 kcal / hr Q = 17.636 BTU/hr


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Ton de frío = 17.636/12.000 = 1.47Ton ⇒ 1.5 Ton

Para la refrigeración de espacios cerrados, es decir mantener temperaturas bajas en ellos y aun enfriar y conservar productos almacenados allí, se emplean los difusores de frío, constituidos por serpentines o bancos de tubos en los cuales circula el fluido refrigerante; Normalmente los serpentines se emplean en espacios relativamente pequeños, los cuales van sujetos a los muros y la transferencia de calor se efectúa básicamente, por convección.

fuente:eltamiz.com/images/2007/August/refrigeracion.png

Figura 47 Serpentín para refrigeración

Los bancos de tubos se emplean en espacios grandes, y el frío se transmite haciendo circular aire a través de los tubos, lográndose transferencia por conducción, el banco de tubos se coloca dentro de una caja que hace parte del ducto por el cual circula el aire; El ducto normalmente es de una longitud similar al costado más largo del cuarto, para favorecer una circulación completa de todo el aire del recinto. Para los cálculos de los serpentines o bancos de tubos en los recintos de refrigeración, llamados también frigoríficos, debe tenerse en cuenta que la cantidad total de calor es el resultado de la suma de:

Qp = Calor cedido por el producto almacenado. Qa = Calor cedido por la masa de aire y condensación de humedad. Q1 = Calor irradiado a través de las paredes, pisos, cañerías, etc. Qc = Calor cedido por los aparatos eléctricos que se encuentran en el recinto. Qe = Calor perdido por apertura de puertas, deficiencia en cierres, etc.

QT = Qp +Qa +Q1 +Qc+Qe Ecuación 65.

El calor cedido por el producto será: Qp= mCp ΔT = m Cp (Te - Ta)

Ecuación 66 Donde:


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Te es la temperatura inicial del producto Ta es la temperatura de almacenamiento

El calor cedido por la masa de aire corresponde al calor retirado para enfriar la masa contenida en el recinto, igualmente calor retirado al condensar y, en ocasiones, congelar parte de la humedad contenida en el aire; La condensación ocurre generalmente sobre las paredes, piso y techo del recinto, en tanto que la congelación ocurre directamente en los serpentines o bancos de tubos.

Las características del producto que se va a almacenar establecen las condiciones de la refrigeración, en ocasiones se requiere de atmósferas secas o atmósferas húmedas; lo que implica tener deshumidificadores para retirar la humedad o duchas o riegos para mantenerla y compensar el agua congelada. Los cálculos de calor, que son específicos a la masa de aire, requieren cálculos de transferencia de masa, razón por la cual, por ahora se asume que este calor es un porcentaje (entre el 10 y el 20%) del calor total requerido; Las pérdidas o calor de irradiación se calculan acorde con las áreas de cada superficie (pisos, paredes, techos), a sus conductividades térmicas y de película. Para efectos prácticos, las necesidades de frío para retirar el calor producido por los aparatos eléctricos se calcula por la fórmula:

Qc=860 Pt Kcal Ecuación 67

Siendo P la potencia de los aparatos eléctricos (incluyendo bombillos) en Kw y t el tiempo de servicio de funcionamiento de cada aparato; el calor total de los aparatos será:

Qc = Σ Qci Ecuación 68

Dada la dificultad de calcular o medir las pérdidas de calor por apertura de puertas, entrada de aire exterior o de personas, etc., ellas se asumen igualmente de un 10 al 20% de las necesidades totales de frío, la ecuación 68 se convierte en:

0.6 Q = Qp + Qi + Qc Congelación

fuente:www.elpais.com/recorte/20071226elpepisoc_2/LC...


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Numerosos estudios se han realizado acerca de los mecanismos y fenómenos que tienen lugar en la congelación, principalmente para alimentos, que es en esta área donde más se aplica esta operación; En épocas tempranas los alimentos se congelaban colocándolos en área frías con circulación natural de aire. Hacia 1930 Clarence Birdseye y otros investigadores iniciaron estudios de congelación en hortalizas y establecieron cómo la velocidad de congelación incidía en la calidad de los alimentos, realizando trabajos importantes en la llamada congelación rápida, es la velocidad de congelación la que determina básicamente la capacidad y clase de equipo requerido.

Los estudios del mecanismo de congelación fijan el tiempo adecuado de congelación, no siempre una congelación rápida presenta los mejores resultados, máxime que el proceso se puede producir a distintas velocidades en las diferentes partes de una pieza de alimento; El hecho de tenerse diferentes velocidades de congelación lleva a una imprecisión sobre el tiempo de congelación. Existe un tiempo que define el momento en que se inicia la congelación y otro en que se da por terminada. Generalmente en un cuerpo existe un punto que se enfría más lentamente que se conoce como centro térmico y sirve de punto de referencia para los estudios pertinentes.

La figura 48, nos representa la variación en la formación de hielo (como porcentaje del agua contenida) y la temperatura superficial de carne vacuna. Puede apreciarse que el proceso de congelación se inicia a una temperatura inferior a 20C, con una velocidad muy alta hasta los -100C y luego se va estabilizando la congelación; La mayor congelación ocurre hasta los -100 C y basados en esto, se define como tiempo de congelación nominal, al tiempo que transcurre entre el momento en que la superficie alcanza la temperatura de 0O C y el instante en que el centro térmico llega a una temperatura de -10O C. Cuando el centro térmico llega a esta temperatura se considera para efectos prácticos que el producto está completamente congelado. El tiempo efectivo de congelación se define como el tiempo que tiene que permanecer un producto en un congelador para lograr la temperatura indicada de -10OC en el centro térmico. Este tiempo incluye aquel que se emplea en llevar la temperatura inicial del producto a 0OC.

Figura 48 Congelación de carne


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Para calcular el calor a retirar en la congelación del producto debe tenerse en cuenta que este es función del contenido de agua. Generalmente los alimentos que se van a conservar contienen un 80 -90% de agua, luego, para efectos prácticos, puede asumirse una congelación total del alimento, en estas condiciones.

Qp =m [Cp1 (T1 -To)+ γ +Cp2 (To-Ta)] Ecuación 69

Siendo: Cp1 = Calor específico del alimento tal cual Cp2= Calor específico del alimento congelado T1 = Temperatura inicial del alimento To = Temperatura de congelación Ta = Temperatura final o de almacenamiento γ = Calor latente de congelación

En tablas se encuentran los calores específicos de alimentos, tal cual y congelados, e igualmente temperaturas de congelación. Teóricamente pueden calcularse los calores específicos de alimentos, conocida su tasa de agua o contenido de agua Ma, en kilogramos de agua por kilogramo de producto.

Cp1 = Cpa Ma + Cp(1 - Ma)

Donde: Cp1 = Es el calor específico del producto tal cual Cpa = Calor específico del agua Ma = Contenido de agua Cp = Calor específico del producto seco Con valor de 1 para el calor específico del agua y de 0.2 para las sustancias secas (valor promedio de muchos alimentos):

Cp1 = Ma + 0.2 (1 - Ma) Ecuación 70.

Para alimentos congelados, con un contenido de agua congelada del 90% del total del agua:

Cp2 = 0.35 Ma + 0.2 Ecuación 71

EJEMPLO 22. Determinar la cantidad de calor necesario de retirar para congelar y enfriar 4 toneladas de carne magra de res, de 300C a temperatura de almacenamiento para largo tiempo. El contenido de agua es del 75%.


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Solución: La temperatura de congelación de la carne es de -2.00C, y calor de congelación de 60 kcal/kg. La temperatura de almacenamiento debe ser de -180C.

El calor especifico de la carne tal cual es:

Cp1 = 0.75 + 0.2 (1 - 0.75) = 0.8 kcal/kg0C Cp2 =0.35 x 0.75 + 0.2 = 0.46 kcal/kg0C

La cantidad de calor será:

Q = 4.000 x{ 0.8 [(30 - (-2)] + 60 + 0.46 [-2 - (-18)]} Q = 371.840 kcal

Para productos empacados h depende del material de empaque; experimentalmente se han obtenido valores.

Empaque h (W/m20C) Caja de cartón 50- 60 Papel encerado 120- 300 Aluminio (hoja) 300 - 600 Celulosa 300 - 600

Para algunos productos empleados en lecho fluidizado, el coeficiente varía entre 100 y 180 W/m20 C.

Los equipos para congelación requieren de un refrigerante que absorba calor por conducción y convección, generalmente convección en el proceso de enfriamiento y conducción en la congelación propiamente dicha; Los congeladores se clasifican por el medio empleado en la transferencia de calor. Existen los congeladores por contacto con un sólido frío, los que emplean líquidos fríos y los de gases fríos.

Los congeladores por contacto de sólido emplean placas metálicas; planas, huecas por las cuales circula el refrigerante. Las placas se montan en paralelo ya sea en sentido vertical o en sentido horizontal y con espacios variables para permitir ajuste de ellas al producto que se va a congelar; Las placas verticales son ampliamente empleadas para productos empacados en cajas y para helados; los de placas horizontales son usados en la congelación de productos empacados en envases deformables como pescados, carnes, etc.; Una vez se ha logrado la congelación, se hace circular un fluido caliente por las placas para soltar los bloques congelados y descharchar las superficies.

Los congeladores que emplean líquidos fríos son recipientes tipo alberca en donde se introducen los productos ya empacados; el líquido refrigerante debe ser inocuo para evitar contaminaciones. Las ventajas sobre el sistema de placas, son el de poseer altos coeficientes de transferencia de calor, así se congelan fácilmente productos de formas irregulares y puede hacerse congelación individual del


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producto, una desventaja es el consumo del líquido refrigerante en las operaciones de carga y descarga; La versatilidad en el empleo de gases fríos, hace que este sistema sea el más utilizado y el más empleado de los gases es el aire frío. Aunque los coeficientes de transferencia son menores que en los líquidos, los costos de congelación son menores para grandes volúmenes de producto.

Los congeladores de aire son túneles por los cuales circula aire a temperaturas entre -20 a -40OC y con velocidades de 0.5 a 18 m/seg. Para impulsar el aíre se emplean ventiladores que producen el llamado Tiro Forzado; Tanto, la congelación por líquido como por gas permiten procesos continuos, mientras que la de contacto con sólidos es propia de procesos de cochada.

Procesos desarrollados últimamente han permitido el uso de fluidos que absorben calor en un cambio de fase; tal es el caso del anhídrido carbónico líquido a alta presión, al pulverizarse se forma una mezcla de gas y sólido conocida como nieve carbónica, que puede ponerse en contacto con el producto que se va a congelar. El nitrógeno líquido (-1960C a presión atmosférica), se emplea para congelación a velocidades altas y empleando aspersión del líquido sobre el producto. El alto costo de obtención del nitrógeno líquido ha limitado su uso.

Escaldado

fuente:patentados.com/img/2005/cafetera-expres.png

Es una operación térmica intermedia utilizada en la industria de alimentos principalmente en frutas y vegetales con la finalidad principal de inactivar enzimas termolábiles, aunque también presenta otros efectos favorables como la eliminación de gases internos de la estructura celular lo que reduce reacciones de oxidación y facilita empaque al vacío, disminución de recuento de microorganismos: ablandamiento del tejido, lo que favorece operaciones de llenado; Esta es una operación previa comúnmente aplicada antes de varios procesos, entre ellos el de osmosis y en este caso debido a que la desnaturalización de proteínas logra, en general un mayor grado de deshidratación e impregnación.


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El escaldado es una operación utilizada en la mayoría de procesos en los cuales la materia prima es la fruta, o vegetales aunque no es aplicada a todas las frutas; En el escaldado tradicional se pretende que únicamente la cáscara de la fruta llegue a la temperatura adecuada para la inactivación de las enzimas, temperatura que en la mayoría de las ocasiones es del orden de los 75 ºC., el interior de la fruta no se calienta sensiblemente, razón por la cual se conservan prácticamente intactas sus propiedades organolépticas y fisicoquímicas. Para el proceso de escaldado los productos, en cochada o por lotes, se introducen en un fluido, generalmente agua caliente o hirviendo; en procesos continuos son sometidas a aspersión de agua hirviendo o vapor a baja presión, no obstante todo tratamiento térmico altera en mayor o menor grado la textura de los productos por los cambios que ocurren en las células exteriores.

Para disminuir los cambios que se producen en el escaldado tradicional, se han desarrollado otros métodos. Entre ellos el uso de microondas, aplicación de microondas en presencia de vapor de agua, radiaciones infrarrojas, vapor húmedo y ondas de radiofrecuencia y últimamente el escaldado a baja temperatura y por largo tiempo (TB - TL); Varios investigadores han comparado estos métodos y han encontrado que el uso de microondas en presencia de vapor es el que arroja los mejores resultados con obtención de vegetales más firmes y con mejores características organolépticas, igualmente se encuentra que existen menores pérdidas de las vitaminas hidrosolubles, resaltándose la conservación de la vitamina C.

El escaldado a bajas temperaturas ha traído los beneficios de mantener la textura y para algunos productos mayor firmeza que los procesados a altas temperaturas. Se establece que la conservación de la firmeza obedece a que la enzima pectinesterasa, se activa por encima de los 50 oC y se inactiva hacía los 70 oC. Esta enzima actúa sobre las pectinas de la pared celular, propiciando la formación de estructuras intermoleculares entre las propias pectinas y otros polímeros que se encuentran en la pared. Las estructuras intermoleculares incrementan la firmeza del producto, Existen otros factores que afectan la firmeza como las presencia de sales de calcio o magnesio (dureza) , ya que forman pectatos favorecidos a pH altos

Desde el punto de vista térmico el escaldado es un tratamiento en el cual se tiene un flujo de calor en estado inestable o no estacionario, la mayoría de los problemas que se presentan en la industria es el de establecer los tiempos óptimos de escaldado cuando se desea tener una temperatura predeterminada a nivel de las cáscaras o piel de las productos para tener los mejores resultados; Dado el tamaño de los productos a escaldar, frutas y vegetales y de acuerdo a sus propiedades térmicas, la mayoría de ellos presenta resistencias térmicas altas, aún con productos de alto contenido de humedad. En la determinación del tiempo de escaldado, dada la temperatura constante del fluido de proceso se acude a las gráficas que correlacionan las relación adimensional de temperaturas con los números de Biot y Fourier, recordando que siendo los productos alimenticios de


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alta resistencia térmica ( Número de Biot > 0,1) se deben emplear los números modificados. Igualmente tener presente el empleo de las gráficas adecuadas para la superficie del cuerpo geométrico que más se asimile al producto, ya que la mayoría de las gráficas se presentan para la relación adimensional en el centro de la figura geométrica, con curvas de corrección para diferentes puntos geométricos del producto.

Al trabajar los parámetros de el estado inestable, el tiempo calculado es aquel al cual se obtiene la temperatura de proceso; como en el escaldado se efectúa una reacción propiamente bioquímica, debe tenerse presente que se requiere de un tiempo adicional para que se realice dicha reacción. Este tiempo adicional depende del producto en sí y como valor promedio puede tomarse entre un 20 y un 50% del tiempo inicialmente calculado.

Crioconcentración: Las soluciones acuosas sometidas a un proceso de congelación forman inicialmente dos fases, una sólida compuesta por cristales de hielo puro y cristales de soluto y solución concentrada debido a la separación de una parte de agua en forma de hielo; Para productos con altos contenidos de humedad, cuando ellos se llevan a temperaturas por debajo de su punto de congelación los cristales formados están libres de inclusiones tales como sales, ácidos, sustancias aromáticas, azúcares, proteínas y grasas. Separando los cristales de hielo por cualquier medio mecánico apropiado, se obtiene una solución concentrada o con un alto contenido de sólidos.

Particular aplicación tiene la crioconcentración en la obtención de jugos concentrados, esencias y extractos de flores y hierbas para obtención de aromas, ya que se conservan prácticamente inalterables las propiedades sensoriales, sin embargo un efecto, que en ciertas circunstancias puede ser beneficioso es la degradación de proteínas por efecto de las bajas temperaturas en lo que se denomina rompimiento en frío; La temperatura de congelación de un producto es aquella a la cual se comienzan a formar los cristales de hielo, sin embargo dependiendo del tamaño de las partículas o tamaño del producto, la temperatura es homogénea. Generalmente la superficie se enfría por debajo de la temperatura de congelación cuando el punto frío ha alcanzado dicha temperatura.

Lección 24. Aplicación industrial de los procesos térmicos

Como aplicaciones industriales tenemos la fabricación de: - polietileno - etanol


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Obtención de Polietileno

fuente:www.textoscientificos.com/imagenes/polimeros/...

Generalidades: El polietileno (PE) es un material termoplástico blanquecino, de transparente a translúcido, y es frecuentemente fabricado en finas láminas transparentes. Las secciones gruesas son translúcidas y tienen una apariencia de cera. Mediante el uso de colorantes pueden obtenerse una gran variedad de productos coloreados; Por la polimerización de etileno pueden obtenerse productos con propiedades físicas muy variadas. Estos productos tienen en común la estructura química fundamental (-CH2-CH2-)n, y en general tienen propiedades químicas de un alcano de peso molecular elevado. Este tipo de polímero se creó para usarlo como aislamiento eléctrico, pero después ha encontrado muchas aplicaciones en otros campos, especialmente como película y para envases.

Tipos de Polietileno: En general hay dos tipos de polietileno:

• De baja densidad (LDPE)

• De alta densidad (HDPE).

El de baja densidad tiene una estructura de cadena enramada, mientras que el polietileno de alta densidad tiene esencialmente una estructura de cadena recta.

El polietileno de baja densidad fue producido comercialmente por primera vez en el Reino Unido en 1939 mediante reactores autoclave (o tubular) necesitando presiones de 14.500 psi ( 100 Mpa) y una temperatura de unos 300 ºC; El polietileno de alta densidad fue producido comercialmente por primera vez en 1956-1959 mediante los proceso de Philips y Ziegler utilizando un catalizador especial. En estos procesos la presión y temperatura para la reacción de conversión del etileno en polietileno fueron considerablemente más bajas. Por


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ejemplo, el proceso Philips opera de 100 a 150 ºC y 290 a 580 psi ( 2 a 4 MPa) de presión. Sobre 1976 se desarrolló un nuevo proceso simplificado a baja presión para la producción de polietileno, el cual utiliza una presión de 100 a 300 psi ( 0,7 a 2 Mpa) y una temperatura de unos 100 ºC. El polietileno producido puede describirse como un polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) y tiene una estructura de cadena lineal con ramificaciones laterales cortas, inclinadas.

Consideraciones Generales: Los termoplásticos pueden ser ablandados mediante calor repetidas veces y endurecidos mediante enfriamiento. Las resinas de polietileno son termoplásticas; Las propiedades de las resinas de polietileno se deben principalmente, sino exclusivamente a tres propiedades moleculares básicas: densidad, peso molecular promedio y distribución del peso molecular. Estas propiedades básicas a su vez dependen del tamaño, estructura y uniformidad de la molécula de polietileno.

Algunas de las propiedades que hacen del polietileno una materia prima tan conveniente para miles de artículos manufacturados son, entre otros pocos pesos, flexibilidad, tenacidad, alta resistencia química y propiedades eléctricas sobresalientes; La enorme competencia en el mercado de polietileno ha traído consigo más trabajos acerca de la modificación de polietilenos con propiedades específicas para aplicaciones determinadas. Son de esperar mejoras en propiedades parejas con determinados usos, a medida que se comprenda mejor la estructura de los diversos polímeros de polietileno y su relación con las propiedades físicas y químicas.

Descripción del producto: El polietileno de alto peso molecular es un sólido blanco y translúcido. En secciones delgadas es casi del todo transparente. A las temperaturas ordinarias es tenaz y flexible, y tiene una superficie relativamente blanda que puede rayarse con la uña. A medida que aumenta la temperatura, el sólido va haciéndose más blando y finalmente se funde a unos 110 ºC, transformándose en un líquido transparente. Si se reduce la temperatura por debajo de la normal, el sólido se hace más duro y más rígido, y se alcanza una temperatura a la cual una muestra no puede doblarse sin romperse.

Polietileno líquido: El movimiento del polietileno líquido es no newtoniano. La velocidad disminuye a medida que aumenta la presión y con ésta la velocidad de paso. Por la sensibilidad de la viscosidad de la masa fundida al peso molecular, y en virtud de que el polietileno se maneja normalmente en estado fundido en operaciones de extrusión, moldeo o vaciado, los diferentes polímeros del comercio se caracterizan por la viscosidad del producto fundido.

En el intervalo 20000-30000 del peso molecular, un aumento de 10% del peso molecular dobla aproximadamente la viscosidad del producto fundido; La viscosidad del polietileno fundido disminuye a medida que aumenta la temperatura; se reduce aproximadamente a la mitad por un aumento de 25 ºC, en la temperatura.


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Otras propiedades del líquido son:

Tabla 11. Propiedades del polietileno líquido

Birrefringencia en corriente: Cuando fluye por un orificio, como durante la extrusión o el moldeo, existe una orientación apreciable de las moléculas, que pasan al estado no orientado si el material se mantiene en el estado líquido, pero permanecen orientadas en el sólido si, como es normal en la fabricación, el material fundido se enfría rápidamente; El grado de esta orientación es una función de la longitud media de la cadena y del grado de ramificación. Los polietilenos de alto peso molecular muestran más orientación que los materiales de peso molecular bajo, y la orientación disminuye a medida que sube la temperatura.

Polietileno sólido: En la tabla siguiente se muestran algunas de las propiedades típicas del polietileno sólido.

Tabla 12 Propiedades físicas y mecánicas del polietileno sólido


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Propiedades físicas y químicas de materias primas:

Etileno: Para la obtención del polietileno de alta presión es preciso un etileno muy puro. No solamente deben eliminarse las impurezas inorgánicas, como los compuestos de azufre, el óxido de carbono, el anhídrido carbónico y otros, sino también el metano, el etano y el hidrógeno que, aunque no tomen parte en la reacción de polimerización, actúan como diluyentes en el método de alta presión e influyen en la marcha de la reacción; Para obtener el etileno puro se utilizan lavadores, que actúan a modo de columnas, en ellas se evaporan sobre todo los componentes de más bajo punto de ebullición, como el metano (punto de ebullición -161,4 ºC) y el hidrógeno (punto de ebullición -252,78 ºC) y salen por la cabeza de la columna. Los componentes de más alto punto de ebullición, como el etano (punto de ebullición -88,6 ºC) y los hidrocarburos inmediatamente superiores, con mucho etileno, se reúnen en el fondo de la columna.

Luego se utiliza una columna o lavador de etano, en la que tiene lugar la separación completa del etileno de todos los hidrocarburos con punto de ebullición más alto. Estos salen por el fondo, mientras que por la cabeza lo hace el etileno puro.

Catalizadores: Los catalizadores de Ziegler-Natta son complejos metálicos con propiedades catalíticas que permiten la polimerización estéreo específica de alquenos. Se componen de: • un cloruro de metal de transición, frecuentemente titanio pero también cobalto, níquel o neodimio. • un compuesto organometálico, habitualmente un alquil-aluminio.

Tienen gran aplicación industrial en la actualidad; La mayor parte de la producción de polietileno y de polipropileno se realiza mediante catalizadores Ziegler-Natta, además de otros polímeros de menor consumo como por ejemplo el polibutadieno alto-cis. Deben su nombre a los científicos Karl Ziegler y Giulio Natta, que en 1963 recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre ellos.


Polietileno de alta presión: El etileno puro se mezcla entonces con oxígeno (que actúa como catalizador) en una proporción del 0,1 al 0,2 %. Esta mezcla se comprime, mediante compresores, a presiones de 1000 a 2000 atm y, pasando por un separador de aceite, se hace llegar al reactor, en el que tiene lugar el proceso de polimerización; El polietileno, todavía caliente, se extrae finamente por un extrusor, donde se refrigera y sale de él ya sólido para ser seguidamente troceado, mediante un dispositivo picador, en pequeños granos, que sirven de materia prima para la fabricación de objetos de todas clases.


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Diagrama de flujo:

Polietileno de baja presión: Hasta el año 1949 se pensaba, en los medios de la especialidad, que el etileno solamente se podía polimerizar a alta presión. Entonces encontró el profesor Karl Ziegler, en los años 1949-1955, un camino completamente nuevo para la obtención del polietileno a la presión normal; Cuando se inyecta etileno en una suspensión de etilato de aluminio y éster titánico en un aceite, se polimeriza el etileno con desprendimiento de calor y forma un producto macromolecular. De esta manera se pueden unir en una macromolécula más de 100.000 monómeros (frente a los 2.000 monómeros en el método de la alta presión),

Este alto grado de polimerización confiere al polietileno de baja presión una solidez y dureza especialmente elevadas; El campo de aplicación del este polietileno, el Z-polietileno como le llamó el descubridor, es el mismo que el del polietileno de alta presión, pero es esencialmente apropiado para objetos que precisan una gran solidez y rigidez, como las tuberías, que con paredes de pequeño espesor resisten altas presiones.

La elaboración del producto se hace de manera análoga a la del polietileno de alta presión, es decir, mediante prensas. Sin embargo, la temperatura de elaboración


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del producto Z es más elevada, a causa del mayor grado de polimerización. Puede llegar a 170 ºC.

Descripción de la polimerización: La reacción es sensible a un número muy grande de catalizadores y es iniciada con facilidad especial por compuestos que producen radicales libres. La producción de un polímero termoplástico de longitud de cadena del orden de 1000 unidades de etileno sólo se consiguió cuando se sometió el etileno a una presión próxima a 1000 atm. a 200 ºC. Aunque después se demostró que podían producirse polietilenos termoplásticos algo semejantes a presiones más bajas, sigue siendo un requisito esencial para la producción de un gran polímero un etileno de alta densidad.

La producción de polietileno exige una fuente de etileno puro, equipo de compresión adecuado para trabajar a 1000 atm, y un reactor de alta presión para realizar la polimerización rápida y altamente exotérmica bajo control. El polímero, que suele producirse a una temperatura en que es líquido, tiene que separarse del etileno que no ha reaccionado (que puede devolverse al recipiente de polimerización) y el producto tiene que ponerse en forma física apropiada para la venta. El proceso se lleva a cabo de manera cómoda y económica en operación continua.

La polimerización del etileno se realiza normalmente en presencia de catalizadores que producen radicales libres. El mecanismo general es semejante al de otros compuestos de vinilo e implica las fases de iniciación del radical libre, propagación de la cadena del polímero y terminación de la cadena. Un carácter importante de la polimerización del etileno, por efectuarse el proceso en un gas comprimido, es la posibilidad de variar la concentración del etileno entre límites amplios, proporcionando así un medio, además de las variaciones de la temperatura y de la concentración del catalizador, para controlar la rapidez de la polimerización y el peso molecular del polímero. Otro punto importante es que la producción de moléculas de cadena ramificada es mayor en la polimerización del etileno que en otras polimerizaciones vinílicas, lo que influye en las propiedades físicas y mecánicas del polímero.

Los principales problemas planteados en la producción de polietileno al pasar de una escala pequeña a la fase fabril, han sido los relacionados con la manipulación de los gases a alta presión y, más especialmente, el control de la polimerización altamente exotérmica:

n C2H4 (gas) (C2H4)n (gas)

ΔH = -22 kcal/mol AF298 = -12 kcal/mol

Estas cifras de calor y energía libre dependen, en cierto grado, de la presión y de la temperatura, pero en todas las condiciones es grande el calor de polimerización,


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por unidad de masa, comparado con los calores producidos en la formación de otros polímeros:

La eliminación de este calor de reacción es uno de los problemas más importantes en el control de la polimerización. Aparte la disminución en el peso molecular que resultaría de una elevación no controlada de la temperatura durante la polimerización, pueden producirse otras reacciones de descomposición del etileno si la temperatura sube demasiado. Esto fue un problema grave al principio de la fabricación en gran escala del polietileno.

Son condiciones típicas para la producción de polietileno termoplástico una presión aproximada de 1000 atm. (Proceso de alta presión) y una temperatura en la región de 100-300 ºC. La polimerización del etileno comprimido es algo parecida a la polimerización de líquidos, pero la mayor compresibilidad del etileno hace posible variaciones mayores de la concentración sin la incorporación de segundos componentes, y la influencia de la presión sobre la velocidad de polimerización es mayor que en un monómero líquido como el estireno. La mayor velocidad por aumento en la presión se debe al aumento en la longitud de la cadena del polímero y al aumento en el número de cadenas iniciadas.

Como sucede en la mayoría de las otras polimerizaciones, una elevación de la temperatura provoca un aumento en la rapidez de polimerización, pero disminuye la longitud de la cadena; En los primeros trabajos sobre la polimerización a presiones elevadas, se usó como catalizador oxígeno molecular. En las condiciones en que es eficaz el oxígeno, oxida rápidamente el etileno, y es probable que los radicales libres producidos en esta reacción sean los que inician realmente la polimerización. El uso de oxígeno como catalizador es interesante, porque este gas inhibe otras polimerizaciones vinílicas. Después de los trabajos iniciales con oxígeno, se han usado muchas sustancias como catalizadores de la polimerización, todas ellas como productos de radicales libres. El peróxido de benzoilo y el de di-ter-butilo pueden emplearse en solución acuosa, disueltos en un disolvente orgánico o en el etileno comprimido. Los peróxidos inorgánicos y los compuestos peroxi, entre ellos el peróxido de hidrógeno y los persulfatos, son catalizadores eficaces y se usan en solución acuosa. Los compuestos azoicos y los alquilmetales son otros tipos de catalizadores. La temperatura de polimerización es el factor más importante en la elección de catalizador.

Principales aplicaciones: El polietileno ha encontrado amplia aceptación en virtud de su buena resistencia química, falta de olor, no toxicidad, poca permeabilidad para el vapor de agua, excelentes propiedades eléctricas y ligereza de peso. Se emplea en tuberías, fibras, películas, aislamiento eléctrico, revestimientos, envases, utensilios caseros, aparatos quirúrgicos, juguetes y


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artículos de fantasía; Las primeras aplicaciones del polietileno se basaron en sus excelentes propiedades eléctricas, y hasta el año 1945 su uso como aislante en los cables submarinos y otras formas de recubrimiento de conductores absorbió la mayor parte del material fabricado. Recientemente, han adquirido mayor importancia los usos que se basan en su inercia y su resistencia al agua, y hoy se usa el polietileno en grado cada vez mayor para hacer botellas y otros envases, tuberías para agua y película para envolver, usos que consumen más de la mitad del polietileno producido.

A continuación se estudian con más detalles algunos de los usos más importantes.

Cables: Como aislante para los cables submarinos. En esta aplicación, la escasa permeabilidad y la resistencia al agua son de especial utilidad. En 1940, era usado como aislante en los cables de alta frecuencia usados especialmente en las instalaciones de radar, y en este caso es el factor de potencia el que tiene la máxima importancia. Muchos otros tipos de cables para usos militares y civiles han empleado también el PE como aislante. Más recientemente, una salida importante para el PE se ha encontrado en la construcción de cables en los cuales el polímero se usa no como aislante eléctrico, sino como envoltura exterior. En este caso puede considerarse como sustitutivo del plomo.

Envases, vasijas y tubos: El PE se usa muchos en forma de botellas, vasos y otros recipientes, tanto en la industria para la manipulación de materias corrosivas como en el hogar para diversos líquidos; En esas aplicaciones, las principales ventajas son la inercia, el poco peso y menor probabilidad de que se rompa, comparado al vidrio. El PE se utiliza en frascos lavadores de laboratorio y en frascos para la pulverización de cosméticos. El PE se usa mucho para cierres de diversos tipos.

Los tubos de pared gruesa se usan para el transporte de agua, especialmente en las granjas y en las minas, donde la facilidad para colocar las tuberías, la resistencia a las condiciones corrosivas del suelo y el poco peso son factores importantes. Otra aplicación de los tubos de polietileno son las instalaciones de calor radiante; en éstas, las tuberías que conducen el agua caliente están incluidas en un piso de hormigón. Sin embargo, en ésta y en otras aplicaciones hay que tener en cuenta la oxidación del polímero a temperaturas próximas a 50 ºC y posiblemente a temperaturas más bajas.

Película: La película de polietileno en un espesor de 0,025-0,250 mm absorbe una proporción elevada de la producción total de polietileno; Su uso se basó originalmente en su combinación de buenas propiedades mecánicas con una baja permeabilidad al vapor de agua, y por ello sirve para empaquetar productos alimenticios, aplicación en la cual su flexibilidad a baja temperatura hace satisfactorio su uso en los refrigeradores. También sirve para la protección de objetos metálicos, equipo eléctrico, piezas grandes de maquinaria y vehículos, para evitar su deterioro a consecuencia de la humedad. Se pueden usar también


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para empaquetar ciertos productos alimenticios, y en este caso la transparencia, la tenacidad y la resistencia al desgarramiento son las cualidades importantes. La película de PE puede convertirse fácilmente en bolsas en maquinaria automática, uniendo las secciones por medio del calor. Los adhesivos para el PE no dan resultado. La película de PE puede imprimirse satisfactoriamente. La irradiación gamma de la película de PE mejora señaladamente la retención de tinta. Un uso especial interesante de la película de PE es la construcción de globos para las investigaciones a grandes altitudes.

Revestimiento del papel: Otro uso del polietileno en forma de película es el revestimiento del papel para reducir la permeabilidad al vapor de agua y mejorar las propiedades mecánicas. Un uso semejante del PE es el mejoramiento de las propiedades del revestimiento de parafina aplicado al papel.

Filamentos: El bajo punto de fusión del polietileno limita seriamente su uso como fibra textil; pero se han hecho tejidos para tapicería de automóviles con monofilamentos de polietileno. El PE no se tiñe fácilmente. Los filamentos se usan en el estado estirado en frío, y una limitación a la utilidad de este material es el aflojamiento que se produce a temperaturas elevadas. El deterioro mecánico a la luz solar es también un problema.

Instalaciones químicas: El PE se usa para la construcción de instalaciones químicas en las cuales se necesita cierta resistencia a los productos químicos. La película de PE se ha usado para construir pisos resistentes a los ácidos. Pueden resumirse entonces las principales aplicaciones de los distintos tipos de polietileno en el siguiente cuadro:

Tabla 13. Aplicaciones del polietileno.

Tratamiento de residuos: Evaluar la calidad ambiental del polietileno implica tener en cuenta todas las etapas por las que atraviesa un producto desde la extracción de las materias primas para su elaboración hasta que se transforma en residuo juntamente con su tratamiento. Este enfoque es denominado en la industria: “Análisis del Ciclo de Vida”; De este modo se evalúa la fabricación, uso y recuperación o disposición final en relación al balance de energía y al impacto ambiental.


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Recursos Naturales: Los plásticos son muy amigables con los Recursos Naturales. En Europa utilizan sólo el 4% del petróleo para su fabricación. Incluso en la Argentina el polietileno es fabricado a partir del Gas Natural, materia prima para la que se dispone de abundantes y generosos yacimientos.

Reducción en la Fuente: Se refiere al esfuerzo que hace la Industria en utilizar cada vez menos materia prima ya sea para fabricar un mismo producto o para transportarlo. Veamos como colabora el polietileno en esta tarea:

Se comparan bolsas de papel y de plástico. Como vemos, se necesitan siete veces más camiones para transportar la misma cantidad de bolsas. Transportando bolsas de plástico ahorramos combustible, deterioro de neumáticos y se produce una menor cantidad de emisiones de monóxido de carbono al aire; en definitiva, ahorramos costos económicos y ambientales.

Valorización de los residuos plásticos

Significa el abanico de posibilidades que ofrecen los residuos plásticos para su tratamiento:

Reciclado mecánico: El polietileno es reciclable, es decir, se vuelve a fundir y transformar en productos finales. El polietileno reciclado es utilizado para fabricar bolsas de residuos, caños, madera plástica para postes, marcos, film para agricultura, etc.

Recuperación energética: Los residuos plásticos (incluidos los de polietileno) contienen energía comparable con la de los combustibles fósiles, de ahí que constituyen una excelente alternativa para ser usados como combustible para producir energía eléctrica y calor.

Reciclado químico: En la actualidad se están desarrollando nuevas técnicas de gran complejidad que permitirán reciclar químicamente no sólo al Polietileno sino a todos los plásticos. De esta manera se podrán recuperar los componentes naturales para volverlos a utilizar como materias primas y así optimizar aún más los recursos naturales.

Rellenos Sanitarios: El polietileno, al igual que otros plásticos, es un material demasiado valioso como para desecharlo; por lo que su valorización es siempre la opción preferible para su tratamiento. Pero de no mediar otra opción, si tiene que ser enterrados en un Relleno Sanitario, es importante saber que los residuos de polietileno son absolutamente inocuos para el medio ambiente. Por su naturaleza


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son inertes y no sufren degradación lo cual garantiza que no generan lixiviados de productos de degradación, líquidos o gases que puedan emitirse al suelo, aire o aguas subterráneas.

Obtención de Etanol:

fuente:www.nedalco.nl/pics/intro_image.jpg

Generalidades: El etanol es un alcohol que se puede consumir como bebida alcohólica, como antiséptico, como insumo químico, como combustible alterno o de reemplazo a la gasolina entre otros usos. Se ubica dentro del grupo de los Biocombustibles y es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa, de organismos recientemente vivos o de sus desechos metabólicos, tales como el estiércol de la vaca.

La gran demanda de alcohol que se presenta actualmente ocasiona, como respuesta de la industria, una elevada producción con la subsecuente generación de residuos como la vinaza, a la cual es necesario prestarle la importancia que se merece, como potencial contaminante o fuente de subproductos si así se desea.

Como respuesta a la crítica situación ambiental mundial, a la paulatina disminución de los combustibles fósiles y a la posibilidad en el país de desarrollar energías alternativas a partir de recursos renovables, el gobierno determinó expedir la Ley 693 de 2001, donde se reglamenta la adición de etanol anhidro a las gasolinas en un 10% a partir de 2006, lo cual crea la necesidad de aumentar la producción de este alcohol, hasta niveles iniciales de 750 millones de litros / año, con una generación aproximada de 150.000 empleos directos e indirectos (Programa de Alcoholes Carburantes).

Como fuentes agrícolas para la obtención del etanol se tienen las azucaradas (caña de azúcar, remolacha), las almidonáceas (cebada, banano, yuca), las lignocelulósicas (madera, algodón), cuyas características fisicoquímicas llevan a diferencias en la adecuación para un posterior tratamiento común en los tres casos.


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Descripción del producto: El etanol, o alcohol etílico, es un alcohol líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78 °C. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica con un contenido de aproximadamente el 96 % de etanol, su fórmula química es CH3-CH2-OH, principal producto de las bebidas alcohólicas. El alcohol es un líquido incoloro y volátil que está presente en diversas bebidas fermentadas. Desde la antigüedad se obtenía el etanol por fermentación anaeróbica de una disolución con contenido en azúcares con levadura y posterior destilación.

A continuación se mencionan algunas de sus propiedades:

Tabla 14. Propiedades del Etanol

Propiedades físicas y químicas de materias primas Jugo de caña: El jugo después del proceso de molienda presenta la siguiente composición, tal como se muestra en la tabla 15:

Tabla 15. Composición del Jugo

La Levadura – Saccharomyces cereviseae: Las levaduras son hongos unicelulares, esta especie en particular tiene forma esférica y color beige, se encuentran en muchos hábitats y se reproducen por gemación, son las encargadas de transformar los azúcares de en alcohol, para ser utilizadas deben activarse a partir de su estado liofilizado, resuspendiéndose en medios ricos en nutrientes, después de esto se deben propagar en medios adecuados y tras repique sucesivos, hasta lograr una densidad celular cercana a los 50 millones de células por mililitro en el inoculo y con un volumen que debe constituir del 10 – 15% del caldo de fermentación.

Nutrientes: Los nutrientes son útiles para que la levadura desempeñe mejor su labor metabólica, estos son principalmente sales como: Fosfato Acido de Potasio (K2HPO4), Sulfato de Magnesio (MgSO4), Sulfato de Amonio ((NH4)2SO4).


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Diagrama de flujo


Sección de molienda: La caña preparada por las picadoras llega a los molinos y mediante presión se extrae el jugo que se recolecta en tanques. En el recorrido de la caña por el molino, se le agrega agua para diluir los jugos y maximizar la extracción de la sacarosa que contiene el material fibroso que pasa a través de todas las unidades que componen dicho molino. Un proceso de molienda logra recuperar cerca del 95% del azúcar presente en la caña, el bagazo final contiene el azúcar no extraído, la fibra leñosa y del 45 a 55% de agua.

Sección de clarificación y preparación del jugo: En esta etapa se recibe y almacena el jugo de caña, que alimenta la planta. El jugo proveniente de la sección de almacenamiento, se alcaliniza con cal hasta pH entre 6.8 y 7.2%, luego se precalienta para facilitar su paso por el regulador de densidad y evitar al mismo tiempo la formación de microorganismos, posteriormente se añade un floculante, con el fin de favorecer la precipitación los sólidos suspendidos y algunas sustancias como sales de cal y material proteico, que son nocivos en la fermentación y aumentan los problemas de incrustaciones en la destilación.

El jugo pasa por un filtro para retener las partículas más gruesas antes mencionadas, antes de pasar al recipiente de acidificación donde se adiciona ácido sulfúrico para mantener el pH entre 4.0 y 5.0. Este jugo clarificado se esteriliza calentándolo a 110°C por un tiempo de 10 minutos; se enfría en un intercambiador por contacto con agua hasta 33°C que es la temperatura apropiada para pasar a la sección de fermentación; En esta etapa por cada 100 Kg de jugo que entran al proceso se produce 0.22 Kg de cachaza, 0.04 Kg de torta y un jugo filtrado con 18ºBx.

Sección de fermentación: En los procesos en los que no se desea recuperar azúcar, el jugo pasa directamente a fermentación, en los otros casos el jugo clarificado pasa a la etapa de evaporación donde se obtiene azúcar A, B, y C de acuerdo al grado de pureza y melazas o mieles dependiendo del punto final de evaporación; En la fermentación, por acción biológica de la levadura, se da la transformación de los azúcares fermentables contenidos en el jugo, en alcohol etílico y gas carbónico. El proceso puede ser por lotes o continuo, se prefiere presentar este último debido a que es más eficiente.


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El jugo proveniente de la etapa anterior es mezclado, en el paso hacia la fermentación, con la levadura proveniente del sistema de recuperación de levadura y luego se transfiere secuencialmente a través de los fermentadores. El proceso fermentativo ocurre entre 12-16 horas, las condiciones de operación normal se fijan para producir alcohol de 8°GL. El calor de fermentación se elimina circulando el jugo externamente a través de intercambiadores de placas.

El mosto fermentado se hace pasar por una centrífuga que tiene como objetivo separar la levadura y enviarla al tanque de tratamiento ácido en donde el pH es ajustado entre 2.6-3.0, después del cual se recircula directamente a los fermentadores. El gas carbónico procedente de los fermentadores puede recuperarse como subproducto; La masa fermentada sigue desde las centrífugas hasta un tanque, de allí se bombea a la destilación.

Sección de destilación y deshidratación de alcohol: El mosto fermentado obtenido con 8% de etanol en peso es bombeado hacia las columnas de destilación, pero antes se hace pasar a través de una serie de intercambiadores para llevarlo hasta 93°C. Esta mezcla entra a la primera columna, donde el etanol es removido de las sustancias que no fermentaron y del agua, estos líquidos y sólidos residuales conocidos como vinaza, salen por el fondo de la columna y se bombean al sistema de tratamiento; El etanol y vapor de agua dejan la parte superior de la columna con un 75% en peso y entran a la columna rectificadora.

En la rectificadora el alcohol es llevado a su punto azeotrópico (96%v) y abandona la torre por la parte superior, como vapor saturado, para entrar a la sección de deshidratación. Desde la base de la columna rectificadora se extrae la flemaza restante, no recuperada en la columna anterior, y es enviada a la planta de tratamiento de aguas; Si se quiere puede tomarse este alcohol, desnaturalizarse y almacenarse para comercializarlo como alcohol azeotrópico, o si se desea obtener alcohol anhidro con fines carburantes se procede a una deshidratación, para lograr concentraciones superiores a 99.5%

La deshidratación se puede realizar por un proceso de adsorción sobre un tamiz molecular, o por una destilación extractiva, entre otras opciones. El etanol anhidro resultante se condensa por intercambio de calor con agua y posteriormente se acondiciona para el almacenamiento, luego de realizada la desnaturalización para cumplir con las disposiciones legales, Decreto 492 de 1983 para alcohol extraneutro o Ley 693 de 2001 para alcohol carburante.

Principales aplicaciones: Además de consumirse como bebida alcohólica, el etanol se utiliza ampliamente en muchos sectores industriales y en el sector farmacéutico, como principio activo de algunos medicamentos y cosméticos (es el caso de el alcohol antiséptico 70º GL y en la elaboración de ambientadores y perfumes). Es un buen disolvente, puede utilizarse como anticongelante.


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Se emplea como combustible industrial y doméstico, contiene compuestos como la piridina o el metanol, que impiden su uso como alimento, ya que el alcohol para consumo suele llevar impuestos especiales. En algunos países, en vez de etanol se utiliza metanol como alcohol para quemar.

En Brasil se añade etanol a la gasolina para bajar la importación de petróleo, dando lugar a la alconafta. Este país es uno de los principales productores (con 18 mil millones de litros anuales), con esto reducen un 40 % de sus importaciones de crudo. Esta última aplicación se extiende también cada vez más en otros países para cumplir con el protocolo de Kyoto. Estudios del Departamento de Energía de USA dicen que el uso en automóviles reduce la producción de gases de invernadero en un 85%. En países como México existe la política del ejecutivo federal de apoyar los proyectos para la producción integral de etanol y reducir la importación de gasolinas que ya alcanza el 60 %. La industria química lo utiliza como compuesto de partida en la síntesis de diversos productos, como el acetato de etilo (un disolvente para pegamentos, pinturas, etc.), el éter dietílico, etc. También se aprovechan sus propiedades desinfectantes.

Tratamiento de residuos: Los residuos de la producción de etanol son principalmente, levadura que ha perdido actividad, la cual se utiliza para la producción de proteína unicelular por acción microbiana y el principal de los residuos es la vinaza, que contrario a lo que muchas veces se afirma, no debería verse como un residuo, sino como un subproducto con gran potencial de aprovechamiento, en virtud de sus características fisicoquímicas, que varían bastante de acuerdo a las condiciones del cultivo de la caña, al uso parcial o total de melaza, como fuente de azúcares. Algunas de las alternativas para el tratamiento de la vinaza pueden ser: • Aplicación directa como abono en el cultivo de la caña de azúcar, gracias a su alto contenido en materia orgánica y minerales. • Tratamientos anaerobios, aquí se aprovecha la materia orgánica de la vinaza para la producción de metano. • Reactores Biológicos Rotatorios, remueve parcialmente la DQO, en un 50%. • Concentración-incineración; La vinaza concentrada al 60%, se comercializa, como materia prima para la producción de concentrados y abonos. Con la incineración se obtienen cenizas ricas en nitrógeno, carbono y potasio. • Lagunas de Estabilización, el principio que se aplica en este caso es el de autodepuración natural. • Producción de proteína unicelular, se aprovecha la levadura que permanece en la vinaza, para someterla a la acción de diferentes levaduras en condiciones aerobias, para producir proteína unicelular. • Recirculación de la Vinaza; sustitución de parte del agua de dilución de la melaza, por vinaza, no es aplicable en el caso de utilizar el jugo de caña, como fuente de carbono.


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CAPITULO 6. Fenómenos de Transferencia de masa.

fuente:www.coiqcv.com/imagenes/antecedentes.jpg

Desde los albores del nacimiento de la Industria Química a mediados del siglo pasado, se vio la necesidad de investigar y diseñar métodos para separar los compuestos de las mezclas, con el fin de obtener sustancias con alto índice de pureza; Aprovechando la facultad que tienen muchas sustancias de ser solubles en algunas y ser insolubles en otras, se pueden obtener muchas separaciones o purificaciones.

Un ejemplo sencillo es la utilización de la propiedad que tiene el aire de disolver, hasta cierto límite, el agua que se encuentra presente en una sustancia sólida. Esta propiedad que se utiliza en las operaciones de secado es un caso típico de una transferencia de masa, en donde, las moléculas de agua, en estado liquido, migran desde el sólido hasta la corriente de aire que las disuelve en estado gaseoso; Otro ejemplo muy conocido en nuestro medio es el proceso de purificación del alcohol a partir de un mosto fermentado al cual se le aplica calor y mediante el contacto de las fases gaseosa y líquida. En varias etapas, se opera un proceso de separación de las moléculas del alcohol, el cual se recupera en la parte superior de una torre de destilación. Esta operación en donde opera una transferencia de masa se denomina destilación fraccionada.

El punto común en el estudio de todas estas operaciones es el contacto directo entre dos fases inmiscibles. Tenemos así las operaciones que involucran el contacto de un gas con un líquido, como en el secado, la evaporación y la destilación. La lixiviación o extracción por solventes es un caso típico de operación con transferencia de masa entre un líquido y un sólido. Dentro de esta categoría también pueden clasificarse el lavado y la cristalización.


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Lección 25. Difusión


El concepto de difusión nos es muy familiar cuando estamos hablando de gases. Al revisar las nociones fundamentales de fisicoquímica y termodinámica, recordamos que las moléculas de un gas se encuentran en continuo movimiento; y que como fruto de ese movimiento se presentan permanentes choques y cambios de dirección en la trayectoria de esas moléculas; También recordamos que la actividad de las moléculas de cualquier gas, se incrementa con el aumento de la temperatura. El estudio de todos esos fenómenos se denomina Teoría Cinética de los Gases, la cual explica el movimiento espontáneo de estos en su conjunto y en el ámbito molecular o atómico, al igual que describe la trayectoria de dicho movimiento.

La difusión puede considerarse como un fenómeno de desplazamiento que le ocurre a una sustancia a través de otra en una sola fase, o como el movimiento de una o varias sustancias a través de otras en una o varias fases; A manera de ejemplo pensemos en la siguiente situación: a una taza de café le han depositado muy suavemente en el fondo dos cubos de azúcar. Al cabo de un tiempo podemos comprobar que si probamos un poco del café de la superficie probablemente no percibamos el sabor azucarado.

De otra parte, si logramos tomar un poco del café que se encuentra contiguo a los cubos de azúcar, inmediatamente notamos un ligero sabor dulce; Si fuese posible mantener durante varios horas el sistema azúcar-café sin interferencias externas y volviéramos a realizar la misma prueba de la superficie y del fondo de la taza, lo más probable será que en la superficie aun no percibamos el sabor azucarado, mientras que en el fondo apenas podríamos decir que el sabor dulce, acaso se ha incrementado ligeramente. Ahora bien, si con una cuchara agitamos el contenido de la taza cinco o seis veces, podemos comprobar que la mezcla azúcar-café, es completamente homogénea y el sabor dulce se percibirá igualmente en cualquier parte de la mezcla.

En el ejemplo que acabamos de describir ocurren dos fenómenos bien distintos; el primero se refiere al movimiento espontáneo de las moléculas de azúcar a través del café; Dicho movimiento desde los puntos de mayor concentración hasta los puntos de menor concentración se conoce como Difusión Molecular. Mediante este proceso, la mezcla café-azúcar conseguirá la homogeneidad después de mucho tiempo, quizás dure varios días antes de llegar a un estado de perfecto equilibrio.


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El otro fenómeno descrito, por la agitación del contenido de la taza de café mediante el movimiento brusco de la cucharita, es un movimiento de mezcla en el que grandes porciones del líquido son obligadas a ponerse en contacto íntimo con otras porciones diferentes en donde se producen remolinos y otros tipos de movimientos de convección bruscos que en términos generales pueden ser descritos, por el concepto de Turbulencia; A la transferencia ocasionada por este fenómeno se le denomina Difusión Turbulenta. En este segundo caso, la mezcla café-azúcar conseguirá la homogeneidad en pocos segundos.

Aunque la mezcla rápida descrita como Difusión Turbulenta se opone al concepto de Difusión Molecular, siempre será esta última la responsable de alcanzar la homogenización o uniformidad de la mezcla; En otras palabras: en toda difusión turbulenta se presenta difusión molecular a escala microscópica; este fenómeno explica que en cada pequeña partícula de fluido exista una migración espontánea de los componentes de la mezcla desde los puntos de mayor concentración hasta los de menor concentración

Difusión molecular


Adolf Fick, médico alemán, fue uno de los pioneros en el estudio de la difusión molecular y estableció diversas relaciones conocidas como Leyes de Fick; La más importante de ellas, de donde se derivan muchas más relaciones, es la Primera Ley de Fick de la Difusión, que establece que en “una solución de dos o más componentes, el flujo molar relativo de cualquiera de los componentes es directamente proporcional a la rata de cambio de la concentración molar y al área perpendicular a la dirección del flujo molar”. Dado que el flujo molar relativo se presenta en todas las direcciones espaciales, la expresión matemática de la Ley de Fick deberá relacionarse para cada una de las direcciones longitudinales específicas; La ecuación:

Ecuación 72

Representa matemáticamente la primera ley de Fick en donde:


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NOTA: el signo negativo de la ecuación 72, indica que el flujo molar relativo del componente A tiene el sentido contrario al del incremento de la concentración.

En una solución de varios componentes, cada uno de ellos migrará en forma espontánea a todos los sitios de menor concentración; este hecho nos pone de manifiesto los desplazamientos de todos los componentes en todas las direcciones hasta alcanzar la uniformidad; Consideramos que los desplazamientos de todos los componentes pueden expresarse mediante un desplazamiento neto o promedio; de igual forma podemos definir la velocidad molar media de un sistema en dilución como la velocidad resultante de la suma vectorial ponderada, de las velocidades promedio de cada uno de los componentes del sistema.

El término (dnA / dt )x de la Primera Ley de Fick de la difusión, describe el flujo molar del componente A referido a la velocidad molar media de todo el sistema, en la dirección x. De allí el nombre de: flujo molar relativo.

Para comprender mejor el fenómeno de difusión, imaginemos un recipiente que contenga dos compartimentos separados por un tabique que puede ser retirado en cualquier momento; En el primer compartimiento se prepara una solución líquida que contenga sólo dos componentes: A y B solubles entre sí. De igual forma en el segundo compartimiento se prepara otra solución con los mismos componentes A y B, pero de tal forma que la concentración del componente A sea menor que la del primer compartimiento

Figura 49. Difusión molecular

Como las soluciones son mezclas binarias (tan sólo dos componentes), entonces se cumple que:


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CA1 > CA2 CB1 < CB2 (1-2)

En donde:

CA1 = Concentración del componente A en el compartimiento 1, en Moles de A/Unidad de volumen (Moles/L3) CA2 = Concentración del componente A en el compartimiento 2. CB1 = Concentración del componente B en el compartimiento 1. CB2 = Concentración del componente B en el compartimiento 2.

Al retirar el tabique del recipiente, las dos soluciones se pondrán en contacto en S (ver figura 49); inmediatamente comenzará un movimiento espontáneo de las moléculas del componente A del primero al segundo compartimiento, y de igual forma, se observará el desplazamiento de moléculas del componente B del segundo compartimiento al primero; Con base en esta experiencia definimos los siguientes conceptos:

VA = Velocidad promedio lineal con que se desplazan las moléculas de A, a través de una superficie de contacto S, perpendicular a la dirección de la velocidad. La unidades de V A son L / θ.

VB = Velocidad promedio lineal con que se desplazan las moléculas de B a A, a través de S, en L/ θ.

NOTA: VA y VB tienen la misma dirección (perpendicular a S) pero sus sentidos son contrarios.

La velocidad molar media de todo el sistema (VM) se define como:

Ecuación 73

En donde: VM= Velocidad molar media de todo el sistema en L/O C = Concentración molar total en Moles/L3 A su vez la concentración molar total se calcula mediante la suma de las concentraciones molares de los componentes:

C= CA + CB Ecuación 74

La velocidad molar media (VM) tendrá la misma dirección que VA y VB

(perpendicular a S); el sentido de VM será el resultante de la suma vectorial ponderada de las velocidades de los componentes; El anterior análisis puede


184

extrapolarse a una mezcla de muchos componentes. En este caso A puede considerarse como un componente en solución y B representará entonces a los demás componentes.

De igual forma, para las ecuaciones 73,74 y 75, los términos serán:

CA = Concentración del componente A en la mezcla o solución. CB = Concentración de todos los demás componentes sumados. VA = Velocidad promedio del componente A. VB = Velocidad promedio resultante de la suma vectorial ponderada de los demás componentes.

Ejemplo 23. Después de algún tiempo de haber depositado varios cubos de azúcar, en el fondo de una olla metálica cilíndrica de 9 centímetros de diámetro y 12 centímetros de altura, llena de café con leche, se observa que la concentración de azúcar varía según la altura donde se tome la muestra. Se encontró que la concentración sigue aproximadamente la ecuación:

En donde:

z = Altura, medida desde el fondo de la olla, en cms. CA= Concentración del azúcar en Moles/gramo por litro de solución (Moles / litro)

1. Determinar la concentración de azúcar en Moles-gramo, por centímetro cúbico (Mol/ cm3) para el fondo de la olla y para intervalos de tres centímetros (3 cm) de altura sobre el fondo de la olla.

2. Determinar el flujo molar relativo en Moles - gramo por segundo con que se difunde el azúcar, medido a ocho centímetros del fondo.

NOTA: Por métodos experimentales se determinó que el coeficiente de difusión o difusividad del azúcar en el café con leche es de DAB = 4.8 x 10-6 cm2/seg.

Solución: Para encontrar la concentración de azúcar en Moles/cms3, será necesario dividir por 1.000 la ecuación propuesta:


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Desarrollando, tenemos:

Para determinar el flujo molar relativo, acudimos a la Primera Ley de Fick, para la dirección z:

(dnA / dt )z = -DAB x S ( ∂ CA / ∂ z ) Con la derivada parcial con respecto a z es:

Como el área de difusión es

Se tiene:

Desarrollando para z = 8 cm., tenemos:

Flujo neto molar: Si queremos conocer el flujo molar de los componentes con respecto a un observador fijo que se encuentra por fuera del sistema de difusión, definimos los siguientes conceptos:

Sean ρA y ρB las densidades de A y B respectivamente, en unidades de masa, por unidad de volumen (M/L3).

Sean MA y MB los pesos moleculares de A y B respectivamente, en unidades masa por unidad molar (M/Moles).

Podremos entonces definir los flujos netos molares de los componentes de una mezcla binaria, a través de una superficie perpendicular (S), como las relaciones:

Ecuación 76


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En donde: NA y NB, son los flujos netos molares de los componentes A y B, con respecto a un observador fijo. Las unidades de estos flujos netos molares son las mismas que las del flujo molar relativo: Moles/θ; Si observamos dimensionalmente a la relación ρA /MA, encontramos que tiene las unidades de la concentración CA (Moles/ L3). De igual forma podremos decir que CB = ρB / MB. De acuerdo con lo anterior, la ecuación 76 puede transformarse en:

Ecuación 77

Relacionemos ahora los dos conceptos del flujo molar; El flujo neto molar de un componente con respecto a un observador fijo deberá ser el resultado de sumar el flujo molar relativo (dn/dt), con las moles del componente que se encuentran desplazándose a la velocidad molar (VM).

Difusión molecular en líquidos: Para el caso de líquidos en reposo o en flujo laminar, la ecuación 77 describe convenientemente el fenómeno de la difusión; Si consideramos como valores constantes a los flujos netos molares (NA y Ns), la concentración total (C), las difusividades (DAB Y DBA) y la superficie perpendicular al flujo (S), la ecuación 77 puede integrarse para la dirección x, dando por resultado:

Ecuación 78

En donde CA1 y CA2 son la concentración inicial y final del componente A, a través de recorrido Δx. De igual forma para CB1 y CB2; Las relaciones CA /C y CB /C corresponden a las fracciones molares de los componentes A y B respectivamente. Para el caso de líquidos, se acostumbra representar las fracciones molares con la letra x.

CA1 / C = XA1 CA2 /C = XA2 CB1 /C = XB1 CB2 /C = XB2

La ecuación 78 fue desarrollada para concentración total constante. Sin embargo, en muchas mezclas o soluciones liquidas el valor de la concentración total (C) es variable. Cuando este fenómeno sucede es preferible utilizar un valor promedio de la concentración total. Recordemos que la concentración puede expresarse como C = ρ /M (densidad sobre peso molecular).

Con las anteriores consideraciones, la ecuación 78 puede ser escrita, para una dirección cualquiera, z, así:


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Ecuación 79

En donde: ( ρ/M)prom : Concentración molar total promedio en Moles/L3 Δz: Distancia o longitud de transferencia, en L.

EJEMPLO 24. En una fábrica de grasas y aceites se están efectuando ensayos de laboratorio sobre la velocidad de difusión del glicerol en solución en diferentes mezclas de ácidos grasos. Durante el ensayo se colocó una película de medio centímetro de espesor de una mezcla estable de ácidos grasos de igual composición a la del solvente del glicerol y después de cierto tiempo, se midieron las concentraciones a lado y lado de la película; se encontró que el glicerol tenía una concentración del 15.5% en peso por debajo de la película y de 4.8% por encima. Utilizando los datos que a continuación se suministran, determinar:

1. Flujo molar neto del glicerol a través de la película.

2. Flujo molar neto de la mezcla estable de ácidos grasos en el glicerol

3. Velocidad molar media.

Se suministran los siguientes datos para A: glicerol y B: mezcla estable de ácidos grasos: NA / NA +NB = 1.0018 DAB = 1.83 X 10-5 cm2 /seg ρGlicerol (4.8%) = 0.868 gr / cm3 = ρ2 MA = 92.09 ρ Glicerol ( 15.5%) = 0.912 gr / cm3 = ρ1 MB = 279.43 ρ Mezcla ácidos grasos = 0.848 gr/cm3 Superficie de intercambio: S = 16 cm2

Solución:

1. Para averiguar el flujo molar neto (N), aplicamos la ecuación 79

NA / NA+ NB, DAB, S y Δz son conocidos


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Será necesario calcular XA1 XA2 y (ρ/M)prom

Para encontrar las fracciones molares, tendremos que recurrir a los porcentajes en peso y los pesos moleculares:

Por su parte, el peso molecular de la solución al 15.5% y al 4.8% puede ser evaluado como el inverso de los denominadores de las relaciones matemáticas XA1 y XA2, respectivamente.

Aplicando la fórmula

Tenemos NA = 6.77 x 10-7 Mol g/seg

Flujo molar neto de la mezcla estable de ácidos grasos en glicerol

NB = -0.0018 / 1.0018 NA; entonces:


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NB = -1.22 x 10-9 Mol g/s La velocidad molar media puede calcularse mediante la ecuación;

En donde

Despejando tenemos:

Difusión molecular en gases: Para gases ideales se cumple la siguiente relación:

Ecuación 80

En donde: YA= Fracción molar del gas componente A en la mezcla total de gases, en Moles de A / Moles totales. CA= Concentración molar del componente gaseoso A, en Moles de A /L3 C= Concentración molar total de todos los componentes gaseosos, en Moles totales/L3 PA= Presión parcial del gas A, en unidades de presión P= Presión total de la mezcla de gases, en unidades de presión.

Cuando dos o más gases se encuentran mezclados se cumple la ley de difusión que tiende a llevar la mezcla a su estado estable de homogeneidad. Esto implica que las moléculas de cada uno de los componentes se desplazarán difusionalmente desde los puntos de mayor concentración a los de menor concentración; A diferencia de la difusión en líquidos, la concentración total de los gases mezclados se mantiene constante. Esta a su vez, puede ser expresada en función de otras variables, tales como presión y temperatura.

Recordemos la ley de los gases ideales:

PV = n RT La concentración total de una mezcla de gases está dada por el número total de Moles (n) por unidad de volumen (V). De tal manera que si despejamos la relación (n/V) de la ley de los gases ideales, encontramos la concentración total (C), en función de las otras variables:

Ecuación 81


190

En donde:

C = Concentración total, en Moles/L3 n = Número de moles totales V = Volumen total, en L3 P = Presión en unidades de presión T = Temperatura, en grados absolutos 3 R = Constante universal, en unidades consistentes.

Con la anterior consideración, la ecuación 79, puede transformarse, para el caso de gases ideales, en la siguiente relación:

Ecuación 82

En donde: YA1 = Fracción molar del componente A en el punto de mayor concentración YA2= Fracción molar del componente A en el punto de menor concentración. La anterior ecuación puede transformarse en términos de presiones parciales, así:

Ecuación 83

En donde: PA1: Presión parcial del componente A en el punto donde comienza la difusión PA2: Presión parcial del componente A en el punto donde termina la difusión 4 P: Presión total del sistema.

Los valores de los coeficientes de difusión se determinan experimentalmente. En la tabla al final de este capítulo se encuentran algunos valores de dichos coeficientes para mezclas binarias de varios gases, extractados de “The Chemical Engineers~ Handbook Perry & Ass.”.


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EJEMPLO 25. Calcular el tiempo que tardan en difundirse 5 miligramos de amoniaco en el aire que se encuentran en el interior de un tubo de 2 pulgadas de diámetro interno; Los puntos de muestreo están separados 12 centímetros medidos longitudinalmente a través del tubo. Se encontraron los siguientes datos:

P= 1.617 atmósferas (PNH3)1 =0.423 atmósferas (PNH3)2 =0.1 07 atmósferas T= 0OC R= 82.06 cm3. atm / Molgr 0K NOTA: suponga que el aire no se difunde en el amoniaco.

SOLUCION: Utilicemos la ecuación;

Dado que el aire (B) no se difunde, NB=0; La ecuación queda reducida a:

En donde: DAB = 0.198 cm2/seg. P = 1.6l7atm. PA1 = O.423atm. PA2 = 0.lO7atm. Δx = 12cm T= 2730K R = 82.06 cm3 x atm/Mol gr0K

Entonces S = 20.27 cm2

NA = 5.6683 X 10-6 Moles-gramo / s El número de moles de amoniaco que existen en 5 miligramos es:


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El tiempo que tardará la difusión será: NA1 / NA

Difusión en sólidos: El estudio de la difusión en sólidos, es bastante complejo puesto que se presentan múltiples situaciones y sería imposible tratar de abarcarlas todas; Existen dos comportamientos ideales en la difusión en sólidos: el primero de ellos se refiere al fenómeno que describe a una sustancia que se difunde a través de un sólido, formando una perfecta solución entre la sustancia que se difunde y el sólido.

El segundo tipo de comportamiento ideal, se presenta en sólidos porosos en donde la difusión actúa sobre los intersticios y canales internos sin afectar la composición misma del sólido; Se han desarrollado diversas relaciones matemáticas para describir los dos comportamientos ideales descritos anteriormente; sin embargo, en la gran mayoría de los casos reales, las situaciones que se presentan, describen comportamientos mixtos en donde parte de la sustancia que se difunde, se localiza en el sólido, y otra parte migra a través de la porosidad propia de los sólidos; Encontrar relaciones matemáticas que describan plenamente estos fenómenos resulta ser una tarea cuyos resultados son muy difíciles de obtener. No obstante la aplicación de las leyes de Fick de la difusión, con algunas consideraciones y adecuaciones, puede llegar a una buena aproximación en la descripción real de los fenómenos difusionales en sólidos.

Consideremos el caso del proceso de secado de los quesos. El agua es uno de los constituyentes propios de la leche y por consiguiente del queso. En el proceso de secado, el suero (agua con constituyente), migra desde el interior del queso hasta la superficie, atravesando espacios vacíos (porosidades) y difundiéndose también a través de la parte sólida, mostrando de esta forma un comportamiento mixto. El agua se difunde desde la superficie del queso al aire, mediante un proceso de evaporación y el queso comenzará a mostrar cada vez una consistencia más sólida y con menor cantidad de humedad; Este proceso de evaporación permitirá un gradiente de concentración del agua que facilitará la difusión de este compuesto, del interior del queso a la superficie.

La aplicación de relaciones matemáticas nos lleva a la aplicación de la primera ley de Fick en el que ya no diferenciaremos el flujo molar relativo (dnA/dt) con el flujo neto molar (NA), puesto que en este caso ya no encontraremos relaciones de difusión de un componente frente a otros, sino que se estudiará la difusión de cada uno de los componentes que se difunden con respecto a un sólido inmóvil.

La expresión general de difusión en sólidos para una dirección cualquiera, x, es:


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NA = - DABS(∂CA / ∂x )

Ecuación 84

Si los términos NA DAB y S son constantes, la ecuación 84 podrá integrarse para dar:

NA= DAB S (CA1 / CA2) / Δx Ecuación 85.

En donde:

NA = Flujo molar de la sustancia A que se difunde a través de un sólido B, en Moles/θ DAB = Difusividad del componente A a través del sólido B en L2/ t CA1 = Concentración molar del componente A medida en el punto donde comienza la difusión, en Moles/L3 CA2 = Concentración molar del componente A medida en el punto donde termina la difusión, en Moles/L3 S = Superficie perpendicular a la difusión de A, en L2 Δx= Distancia, o longitud de difusión, en L.

A diferencia de los casos estudiados de difusión en fluidos, la difusión en sólidos presenta gran dificultad en determinar los coeficientes de difusión, o difusividades (DAB) dada la completa heterogeneidad de las situaciones que se pueden dar. En las industrias de alimentos que requieran de estudios sobre difusión en sólidos, usualmente se recurre al método experimental para determinar valores de difusividad específicos para cada caso, dependiendo de calidades de materia prima y características del producto terminado.

EJEMPLO 26: En una fábrica de quesos se desea determinar el tiempo de secado a que se deben someter unos bloques cuadrados de queso de 18 cms. de lado, si se desean retirar 150 gramos de agua de cada bloque. Se puede considerar que durante el proceso de secado, se mantiene constante la diferencia de concentraciones del agua entre el centro y la superficie del queso, en un valor de 1.6 Mol g/ft. Mediante experiencias previas de laboratorio se determinó que la difusividad en sentido horizontal es de:

(DAB) x = (DAB) y = 4.56 x 10-3 cm2/seg. Mientras que la difusividad en sentido vertical es de:

(DAB) z = 3.96 x 10-3 cm2/seg. El proceso de evaporación y, por consiguiente el de difusión, se presenta por las cinco caras del bloque que están expuestas al aire; la cara inferior está en contacto con la superficie de la mesa y por consiguiente, no ocurre evaporación por esa cara.


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Solución: El proceso de difusión actúa en las direcciones x, y, z. Por lo tanto, la ecuación 85 deberá aplicarse tantas veces, como caras o superficies de difusión existan: NA = (NA)x + (NA)y + (NA)z (NA)x = 2 (DAB)x Sx (CA1 - CA2) / Δx (NA)y = 2 (DAB)y Sy (CA1 - CA2) / Δy (NA)z = 2 (DAB)z Sz (CA1 - CA2) / Δz

En donde:

(DAB)x = (DAB)y = 4.56 x 10-3 cm2/seg (DAB)Z = 3.96 x 10-3 cm2/seg. Sx= Sy = Sz = 18 x 18 = 324cm2 (CA1 - CA2) = 1.6 ( Mol gr / litro) x ( 1 / 1000 ) (litro / cm3) = 1.6 x 10-3 mol gr / cm3 Δx = Δy = Δz = 18/2 = 9 cm

Teniendo presente cuatro caras verticales ( 2 en x y 2 en y ) y dos caras horizontales:

NA = 1 .5068 x 10-3 Mol gr / seg Se requieren eliminar 150 / 18 = 8.3333 Mol g de agua. Entonces el tiempo de secado será:

Operaciones de contacto en equilibrio: En lecciones anteriores se estudiaron los principios generales de la Transferencia de Masa; Se establecieron las reglas que rigen la difusión molecular en cada una de las fases y, finalmente, se enunciaron los principios de transferencia entre fases inmiscibles. La verdadera importancia de la transferencia de masa radica en la separación de compuestos o purificación de sustancias mediante procesos de transferencia entre fases inmiscibles.

Recordemos el ejemplo del amoniaco (NH3) que se difunde y se disuelve en el agua y en el aire; este ejemplo permite establecer que en un sistema cerrado aire - agua - amoniaco, se llega a un estado de equilibrio dinámico en el cual las concentraciones del amoniaco en el agua y en el aire permanecen constantes, mientras que a través de la interface continúa el desplazamiento de moléculas del agua al aire y del aire al agua con idéntica velocidad de difusión. A pesar de que las concentraciones del NH3 en el aire y en el agua permanecen constantes, éstas son diferentes entre sí lo cual permite concluir que la diferencia de concentraciones no es la fuerza impulsora de la difusión interfásica, sino que es el potencial químico el que gobierna dicha fuerza.


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En el caso del sistema aire - agua - amoniaco, el equilibrio dinámico se presenta cuando los potenciales químicos en las fases líquida y gaseosa se igualan; Esta situación de equilibrio permanecerá hasta que alguna circunstancia externa varíe.

Por ejemplo: Si se incrementa la presión y la temperatura, se presentarán cambios momentáneos en los potenciales químicos, los cuales se igualarán posteriormente al obtenerse una nueva situación de equilibrio dinámico; De igual forma, si manteniendo la presión y la temperatura constantes, adicionamos mayor cantidad de amoniaco al sistema, las concentraciones de NH3 en el agua y en el aire aumentarán y llegarán a una nueva condición de equilibrio, diferente a la anterior.

Puesto que a condiciones constantes de presión y temperatura, la concentración del amoniaco en una de las fases, determina una única concentración de equilibrio para la otra fase, es posible determinar una relación gráfica de fracciones molares en el líquido (XA) vs. Fracciones molares en el gas (Ya); En diferentes recipientes cerrados se han preparado soluciones de amoniaco en agua, dejando un espacio con aire. Al cabo de un tiempo se han tomado datos experimentales que muestran las siguientes relaciones para un sistema aire - agua - amoniaco, medido a presión de 1 atmósfera y 10°C.

Lección 26. Operaciones de Transferencia de Masa

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En este capítulo se estudiara los procesos donde necesariamente debe cambiar la masa de un material a otro, ya sea solo para una operación física o donde haya una operación física.


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Extracción, lixiviación y lavado

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A continuación se estudiaran los mecanismos que regulan la extracción de sustancias o grupo de sustancias mediante la utilización de uno o varios líquidos. De acuerdo con lo anterior, las operaciones de extracción mediante corriente líquida se pueden clasificar en tres grupos:

Extracción por solventes: Consiste en una operación de separación por contacto de equilibrio líquido - líquido, en el que una corriente líquida (llamada solvente) se pone en contacto íntimo con otro líquido, el cual es inmiscible con el solvente; este disuelve algún componente que contiene el segundo líquido, separándolo de esta forma.

Lixiviación: Consiste también en una operación de extracción por medio de solventes líquidos, pero esta vez la sustancia de la cual se va a extraer algún componente es un sólido. Por lo tanto se trata de una operación de separación por contacto de equilibrio sólido - líquido.

Lavado: Al igual que la lixiviación, en la operación de lavado se presenta una separación por contacto sólido - líquido, pero son características muy especiales: En el lavado, el solvente líquido es generalmente agua corriente y las sustancias por extraer son impurezas que se desechan y no se recuperan. Los principios generales estudiados en el lección 4 son aplicables a las tres operaciones mencionadas; sin embargo, cada una de ellas presenta características especiales que deben ser consideradas individualmente.

De igual forma, en todas las operaciones de extracción se pueden presentar contactos y separaciones por cochadas o continuos, en una sola etapa o en múltiples etapas. Sin embargo las características peculiares de cada operación exigen diseños de equipos específicos, adecuados a cada una de las necesidades.

Operaciones de extracción por solventes: La selección de una operación de separación por extracción frente a opciones diferentes, obedece generalmente a una decisión de tipo económico; Si una sustancia sólida está disuelta en un líquido, es posible separarla o aislarla, evaporando todo el líquido mediante la adición continua de calor.


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De otra parte, si dos sustancias líquidas están disueltas es posible separarlas mediante una destilación simple o una destilación fraccionada; En ambos casos es posible plantear como medio alterno de separación, la extracción por solventes. Es claro que en esta operación si deseamos aislar la sustancia extraída, será necesario plantear una nueva operación de separación, que puede ser evaporación, destilación, cristalización o alguna otra.

Dado que se proponen diversos caminos para llegar a un mismo fin, debemos acudir a otros parámetros de decisión que incluyen las consideraciones económicas, en la escogencia definitiva de la operación de separación; Consideremos por ejemplo la necesidad de separar unos ácidos grasos de alto peso molecular que se encuentran mezclados con aceites vegetales. Esta separación es factible realizarla mediante una destilación con alto vacío. Sin embargo, también es posible separarlos mediante extracción con propano líquido.

A temperatura ambiente el propano pasa de gas a líquido aumentando ligeramente la presión por encima de la atmosférica. Utilizando propano líquido como solvente se pueden extraer algunos ácidos grasos. Posteriormente, reduciendo la presión, el propano se vuelve gaseoso y se separa fácilmente de los ácidos grasos; Como podrá comprobarse, una operación de destilación a alto vacío resultará muy costosa comparada con los costos que implica la operación de extracción con propano líquido. En este caso la razón económica determina el tipo de operación por realizar. Existe una nomenclatura especial que es muy utilizada en los procesos de extracción por solventes, la cual se anuncia a continuación;

Alimentación. Líquido o solución a la cual se le va a extraer uno o varios de sus componentes. Solvente. Líquido que disuelve y extrae la sustancia objeto de la operación.


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Extracto. Es el solvente con la sustancia extraída, después de la operación de extracción. Refinado. Líquido residual al cual se le ha extraído las sustancias componentes. Extractado. Residuo de sólidos que queda después de la extracción.

De acuerdo con lo anterior, a una unidad de extracción líquido - líquido, entran dos corrientes: alimentación y solvente y salen dos corrientes: extracto y refinado; Se tiene la extracción de sólidos con solventes líquidos (tal es el caso de su aplicación en la industria del café tanto para la obtención del café soluble como el liofilizado) y la extracción de componentes líquidos con solventes miscibles al líquido que se quiere extraer e insolubles con el residuo como en la industria del aceite, ya sea de origen animal o vegetal. La extracción de un componente sólido soluble de un material por medio de un solvente recibe el nombre de lixiviación. Como todas las operaciones de transferencia de masa en las que intervienen sólidos, el tamaño de las partículas incide sobre la tasa o velocidad de extracción. A menor tamaño en las partículas mayor velocidad de extracción se obtiene. Igualmente el área de contacto incide sobre la tasa. No obstante muy pequeño tamaño en las partículas puede compactar la masa, disminuyendo el área de transferencia e impidiendo el paso del solvente.

De ahí que se deban tener adecuados tamaños y que ellos sean consecuentes a la viscosidad del solvente para permitir un fácil fluir e igualmente un mayor contacto con el sólido; A medida que el solvente, retira el soluto, la solución incrementa su viscosidad.

La temperatura favorece la extracción no solamente porque en la inmensa mayoría de las sustancias favorece la solubilidad sino porque disminuye la viscosidad, igualmente la agitación acelera la extracción; La extracción generalmente se lleva a cabo en varias etapas y en contracorriente, involucrando tres operaciones, la extracción propiamente dicha, la separación del extracto o solución del extractado y finalmente lavado del extractado o residuos sólidos para una mayor recuperación.

Operaciones en una etapa: Las operaciones de contacto en equilibrio pueden desarrollarse en una etapa o en múltiples etapas, así como también, por cochadas o en procesos continuos; y estos últimos, en corrientes paralelas o en contracorriente; Inicialmente analizaremos las operaciones de extracción líquido - líquido en una sola etapa.

Operaciones por cochadas: Para que dos líquidos inmiscibles se pongan en contacto íntimo con el fin de extraer un componente de uno de ellos por medio del otro, es necesario forzar esa unión. Para ello se puede disponer de un mezclador de paletas que consiste en un recipiente cerrado, generalmente cilíndrico vertical, con un eje anclado a un motor, el cual transmite movimiento centrífugo al agitador de paletas.


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Figura 50. Mezclador

Los dos equipos pueden entrar al mezclador por el mismo orificio de entrada, o también por orificios diferentes. El agitador se pone en movimiento durante varios minutos hasta conseguir la mejor interacción entre las dos fases; Luego, se debe suspender la agitación y después de un adecuado tiempo de reposo, los dos líquidos se separan debido a su inmiscibilidad y densidades diferentes. Mediante el uso de válvulas se pueden separar los líquidos.

La anterior descripción corresponde a lo más elemental de las operaciones por cochadas. Un equipo típico utilizando estas operaciones se muestra en la Figura 50. En muchas oportunidades se utiliza un mezclador y, por otra parte, un decantador, constituyéndose los dos equipos en una etapa única de operación.

Utilizando un buen diseño del mezclador y permitiendo un adecuado tiempo de agitación, se llega fácilmente al estado de equilibrio; Sin embargo, cuando no se logra el estado de equilibrio, es usual encontrar el concepto de rendimiento de etapa o rendimiento de la cochada, en el que se relaciona la transferencia obtenida con la transferencia esperada. Si consideramos que la alimentación es L y el solvente es V, tendremos:

Ecuación 84

Rendimiento de etapa, o de cochada, con base en L.

Ecuación 85

Rendimiento de etapa, o de cochada, con base en la fase V.

En donde:


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XAo, YAo: Relaciones molares (o en peso) del componente A, al iniciar la cochada, en las fases L y V respectivamente.

XA1, YA1: Relaciones molares (o en peso) del componente A, al finalizar la operación, en las fases L y V respectivamente.

XAeq, YAeq: Relaciones molares (o en peso) en el equilibrio.

Nota: Los rendimientos así definidos se conocen con el nombre de Rendimientos Murphree; Los anteriores rendimientos pueden expresarse como fracción o como porcentaje (multiplicando por 100).

Operaciones en estado estacionario: Para conseguir una operación continua en estado estacionario es necesario proveer al sistema de dispositivos que permitan un contacto íntimo entre las dos fases líquidas; Se han diseñado diversos equipos que consiguen el objetivo deseado de un buen contacto entre fases. A continuación se describen los más importantes.

Torre de pulverizado o de rocío. La torre es un cilindro vertical de diámetro angosto sin elementos de desviación de flujo en el interior de la torres (Ver figura 51).

Figura 51 Torre de pulverizado

El líquido pesado entra por la parte superior de la torre formando una fase continua a través del equipo y sale por la parte inferior; El líquido liviano entra por el fondo a través de un distribuidor que lo pulveriza en pequeñas gotas las cuales comienzan a ascender a través de la fase continua del líquido pesado. En la parte superior de la torre las fases se separan y el líquido liviano sale por la parte superior.

Mediante diseños hidráulicos especiales es posible mantener al líquido liviano que asciende en fase continua, mientras que el líquido pesado se pulveriza y baja en pequeñas gotas.


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Torres rellenas: Estos equipos son muy utilizados, tanto en operaciones de contacto gas - líquido como en operaciones de extracción líquido - líquido.

Figura 52. Torre Rellena

La torre rellena, al igual que el equipo descrito anteriormente, es un cilindro diámetro angosto, en cuyo interior se ha depositado un material de relleno cuya finalidad es proporcionar una alta área de contacto interfásica. (Ver figura 52); El líquido pesado entra por encima, mientras que el líquido liviano entra por debajo.

El relleno suele estar constituido por infinidad de pequeños bloques de formas regulares o irregulares, cuyo material de construcción puede ser de vidrio, cerámica, plástico o algún otro material inerte; Entre los rellenos más conocidos se encuentran: los anillos Lessing, Rashing y Pall; la silla Intalox y las esferas de pequeño diámetro. (Ver figura 53). Cuando se utilizan torres de pulverizado o torres rellenas es necesario efectuar un buen diseño para evitar el fenómeno de la inundación que consiste en un exceso de flujo o de velocidad de fluido que no permite la separación de las dos fases y por lo tanto, se presentarán arrastres en ambos sentidos; Como criterio de diseño de una torre, se recomienda que las velocidades reales de los fluidos no superen el 65% de la velocidad de la inundación.

Figura 53. Materiales de relleno


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Operaciones en múltiples etapas: El sistema más común de extracción líquido-líquido en múltiples etapas lo constituye una batería de mezcladores-decantadores en la que cada pareja de mezclador - decantador constituye una etapa del proceso. La cascada de la figura 54 describe un proceso en contracorriente en el que la alimentación entra al mezclador de la primera etapa y el solvente entra en la última; El extracto final sale del decantador de la primera etapa, mientras que el refinado sale de la última etapa. Dependiendo de la efectividad del mezclador, se podrá acercar lo más posible al estado de equilibrio

Figura 54. Cascada de extracción líquido-líquido

Para efectos de balance de materiales, puede considerarse que la entrada de las corrientes en cada etapa, es un flujo paralelo.

Lixiviación

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Operaciones de lixiviación: La lixiviación es una operación sólido - líquido de extracción por solvente, en la cual algunas sustancias presentes, en un sólido son retiradas o extraídas mediante la acción de un solvente líquido que empapa al sólido y disuelve las sustancias que van a ser extraídas; Esta operación reviste características muy peculiares. Para que exista un buen contacto entre las dos fases, es necesario que el sólido sea muy permeable, o bien, que esté tan finamente dividido, que el área de contacto sea bastante alta.

Por eso es muy importante la preparación del sólido que va a ser lixiviado. Lo más conveniente es buscar la reducción del tamaño de las partículas del sólido


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mediante cortado, triturado, molienda u otro método cuya escogencia dependerá de cada caso o circunstancia particular.

La lixiviación es una de las operaciones unitarias más antiguas utilizadas en la industria. El ejemplo más común de lixiviación lo encontramos en la preparación casera del café. Los granos de café una vez triturados y molidos se introducen en un colador de tela al cual se le vierte agua caliente que extrae las sustancias solubles. El tinto o extracto resultante se recoge en un recipiente previsto para tal fin.

En la industria la lixiviación la encontramos en muchos procesos. Algunos ejemplos son: la extracción de azúcar de remolacha con agua, la extracción de aceites vegetales de semillas de algodón, ajonjolí, soya, maní y lino mediante el uso de solventes orgánicos derivados del petróleo, la preparación industrial del café, té y la extracción de algunos jugos; Debido a la variedad de circunstancias que se presentan en los distintos casos de lixiviación, así también los equipos que se utilizan en estas operaciones tienen los más diversos diseños.

Operaciones de lavado: El lavado es una operación de lixiviación cuyo objeto es librar de un componente indeseable a un sólido, utilizando como solvente a un líquido que generalmente es agua corriente; Como podrá deducirse del objeto de esta operación, la solución lixiviante se elimina y lo importante es recuperar el sólido lavado.

En muchas operaciones industriales se aprovecha que alguna parte de los elementos que se van a eliminar por lavado están apenas adheridos al sólido y estos son simplemente arrastrados por el agua que fluye superficialmente por el sólido; Tal es el caso de las verduras que se lavan antes de ser procesadas. La tierra, mugre y otros elementos adheridos son retirados por la acción de arrastre del agua.

Para propósitos de balance de materia, el efecto de retirar los elementos indeseables por arrastres o disolución será considerado como un efecto único; Al igual que en el caso de la lixiviación, el sólido después de cada etapa de lavado, queda con un contenido de humedad y elementos indeseables asociados al sólido.

En las operaciones de lavado se efectuarán, o en una única etapa, o en etapas múltiples con corrientes cruzadas; Los sistemas en contracorrientes no se justifican, ya que el agua que se debe utilizar en cada etapa es un elemento bastante económico. Al igual que la extracción, la lixiviación y el lavado pueden adelantarse en una o más etapas y en procesos por lotes o continuos.

Deshidratación: Muchos productos minerales, así como productos vegetales o animales, contienen un alto porcentaje de agua, en el caso de los que se destinan para la alimentación, este favorece la descomposición rápida. La eliminación del


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agua en los productos permite la conservación por períodos más o menos prolongados.

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La extracción del agua, en sustancias que la contienen como humedad, agua de composición o de hidratación recibe el nombre de deshidratación; Cuando se emplea calor en los productos tal cual, se tiene el secado, aún a temperaturas ambientales

Se considera el secado como el primer método empleado por el hombre para conservar sus alimentos; mediante sencillos sistemas, desde hace siglos se seca la carne, el pescado, frutos y semillas, aprovechando la exposición al sol. Esta operación causa modificaciones apreciables en el gusto, aroma y textura de los productos, son transformaciones irreversibles y la rehidratación o humidificación del alimento seco deja un producto diferente original, se han introducido nuevas operaciones que atenúan este problema.

Conceptos básicos: Las principales razones para el secado de los materiales son: a. Obtención de un producto con el grado de humedad que exige la comercialización. b. Evitar cambios físicos o químicos por un exceso de humedad. c. Disminución en los costos de manejo, transporte, empaque y almacenamiento. d. Adecuación del material para procesos ulteriores. e. Eliminación de humedad adquirida en operaciones previas. f. Recuperación de subproductos. g. Obtención de productos que favorezcan al consumidor. Las normas de comercialización establecen contenidos máximos de humedad para los productos y en muchas ocasiones se hace necesario el secado para lograr los valores prefijados como es el caso de los cereales que se admiten con un máximo del 15% de humedad, cuando las condiciones climáticas dejan productos del 18% o aún más de humedad; Los productos deshidratados ocupan menor volumen y tienen menor peso que los productos originales, consecuentemente los costos del manejo en general se ven disminuidos favoreciendo tanto el productor como al comprador. Los huevos deshidratados pesan la quinta parte y ocupan una sexta parte del volumen de los naturales y se pueden conservar en condiciones ambientales sin necesidad de refrigeración.


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El manejo de materias primas implica tener cantidades adecuadas, así su consumo diario sea relativamente bajo. El empleo de productos desecados permite extraer partes del material sin que se afecte el resto o se modifiquen las condiciones de almacenamiento, favoreciendo el manejo; Buscando mantener al máximo las características originales o minimizar los cambios irreversibles, se ha introducido un secado artificial con condiciones de humedad, temperatura y presión controladas, lo que conlleva altos costos en la operación por los elevados costos en la energía calorífica. Las anteriores circunstancias han llevado a introducir operaciones previas al secado como tamizado, prensado, centrifugación, ósmosis, evaporación, etc., que son de todas formas mucho más económicas. Son las características del producto lo que permite seleccionar las operaciones previas, o en un caso dado no aceptarlas.

Cuando un sólido húmedo es secado, tienen lugar dos operaciones básicas, transferencia de calor y transferencia de masa; La primera es necesaria para evaporar el líquido que se extrae y consecuencialmente variar la temperatura del sólido, la segunda permite la transferencia como líquido o vapor de la humedad, a través del sólido y transferencia de vapor de la superficie del sólido al ambiente.

Las condiciones y tasas de secado dependen fundamentalmente de los factores que intervienen en los procesos de transferencia de calor; los mecanismos de convección, conducción y radiación individuales o en combinación son empleados en las operaciones comerciales; la mayoría de los aparatos de secado se diferencian por los mecanismos de transferencia de calor. Sin embargo, independientemente del mecanismo de transferencia, el flujo de calor lleva un sentido inverso al flujo de masa, es decir, el calor fluye de la superficie del sólido al interior del mismo, en tanto que la humedad se transfiere inicialmente en la superficie y luego del interior del cuerpo hacia su superficie.

En los últimos años se ha desarrollado un mecanismo de secado que emplea microondas y en el cual efectos dieléctricos producidos por corrientes de alta frecuencia generan calor en el interior del sólido, causando allí temperaturas más altas respecto a la superficie del cuerpo; la transferencia ocurre del interior al exterior como ocurre la transferencia de la masa. Esta transferencia de la masa crea un gradiente de concentración originando movimientos del fluido dentro del sólido; Los movimientos del fluido dentro del sólido, constituyen el mecanismo interno que incide sobre la tasa o velocidad de secado; el mecanismo externo obedece a los efectos producidos por las condiciones ambientales como temperaturas, humedad, velocidad y dirección del aire, la conformación y estado de subdivisión del sólido a secar.

Dado que en la mayoría de las operaciones de secado, interviene el aire como elemento receptor de la humedad extraída del sólido, se hace necesario conocer tanto las relaciones aire-sólido, como las propiedades termodinámicas del aire y que tienen que ver con las transferencias de masa y de calor.


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Isoterma de sorción: El contenido de humedad de un producto depende no sólo de su origen, sino de las condiciones ambientales, es decir del aire que lo rodea. Existe, por lo tanto, una relación muy estrecha entre la humedad del producto y el medio circundante. La relación más importante en el secado es la que corresponde a la relación sólido - gas húmedo (producto- aire ambiente), en lo referente a los contenidos de humedad de cada uno de ellos. y puede ser representada en cada caso como se observa en la figura 54. Esta curva indica condiciones de equilibrio del sistema sólido - húmedo a aire húmedo y es específica para temperatura y presión; recibe el nombre de isoterma de sorción.

Figura 54 Isoterma de Porción

En la gráfica, los contenidos de humedad se expresan como fracciones ya sea molares o porcentuales (Xi). Se ha generalizado el empleo de relaciones entre la humedad relativa del aire o gas y el contenido de humedad del sólido, en

kilogramos de agua por kilogramo de sólido en base seca (ϕ); En las operaciones de secado se tienen como fases, primera un medio gaseoso, usualmente el aire y segunda el líquido a retirar, normalmente es agua que pasa a la fase gaseosa; denominándose vapor al agua en esta fase gaseosa, para diferenciarla del gas, aire. Es importante en estas operaciones, tener muy claros los conceptos relativos a mezclas vapor - gas, cuando se tiene el sistema aire - agua.

Para los cálculos en operaciones en que intervienen las fases vapor-líquido-gas, se toma como base la unidad de masa del gas, completamente seco; en nuestro caso aire seco; Recordando que la composición de una mezcla gaseosa es función de las presiones parciales de cada componente, debe tenerse siempre presente la presión total del sistema, que generalmente es la atmosférica. Algunas operaciones de secado en la industria se llevan a cabo a presiones inferiores a la atmosférica y aún al vacío. De todas formas, las leyes de los gases ideales se aplican a las mezclas aire-vapor de agua.

Propiedades del producto y del aire relacionadas con la humedad. Puesto que en la mayoría de las operaciones de secado se tiene una transferencia de masa del sólido húmedo al aire se hace necesario conocer las propiedades


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pertinentes, es decir de orden termodinámico, tanto del sólido como del aire, antes, durante y después de la operación de secado. Estas propiedades son:

Humedad: Es el contenido, en fracción de peso, de agua de una sustancia y generalmente se expresa como porcentaje. El contenido de agua de una sustancia seca varía; en algunos casos no tiene agua y se denomina totalmente seca, pero lo común es que tenga algo de agua; en los alimentos secos el porcentaje de agua varía del 5 al 15%, en tanto que en productos de origen agropecuario, los porcentajes llegan al 70 - 90% ; El secar un producto conlleva eliminación de una buena parte de agua, pero no la extracción total de ella. La humedad puede llevarse a valores tal que permitan la estabilidad tanto de los ordenes físico-químico como biológico

Para el aire, su contenido de humedad, se expresa de diferentes formas.

Humedad absoluta (H): Es la cantidad en kilogramos de vapor de agua contenida en un kilogramo de aire seco. Llamando al agua “a” y “b” al aire, en una mezcla vapor-agua-aire las presiones de vapor son pa y pb y para presión atmosférica, pa = 1 - pb. Entonces la humedad absoluta se expresa por la ecuación:

Ecuación 86

Siendo Ma y Mb los pesos moleculares del agua y el aire respectivamente.

Humedad de saturación (Hs): Es la humedad del gas saturado que está en equilibrio con el líquido a la temperatura del gas. Recordando que para un gas saturado la presión parcial del vapor es igual a la presión a la temperatura del gas o sea pa = pa, siendo pa la presión del vapor del líquido, así:

Ecuación 87

Humedad porcentual (Hp). .Es la relación porcentual entre la humedad absoluta y la de saturación, a la temperatura del aire.

Ecuación 88

Humedad relativa (Hr). Es la relación porcentual entre presión parcial de vapor pa y la presión de vapor del agua pa, a la temperatura dada.


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Ecuación 89

Las humedades porcentual y relativa se correlacionan por la ecuación;

Ecuación 90

Punto de rocío o temperatura de saturación: Es la temperatura a la cual una mezcla dada de agua y aire está saturada; también puede definirse como la temperatura a la cual el agua ejerce una presión de vapor igual a la presión parcial del vapor en una mezcla dada; El punto de rocío de un gas saturado es la misma temperatura a la cual está el gas.

Calor húmedo (Cs): Es el calor específico de la mezcla vapor-agua-aire, o es la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado la temperatura de una unidad de gas húmedo. Puede expresarse;

Ecuación 91

A condiciones normales, tomando como 0,24 el calor específico del aire seco y como 0,45 el calor específico del vapor de agua:

Ecuación 92

con unidades kcal/ kg oC ó BTU/ lb oF


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Volumen húmedo (Vh): Es el volumen en metros cúbicos de un kilo de aire seco más el vapor de agua a una atmósfera y a la temperatura del aire.

Ecuación 93

Siendo T la temperatura del aire en grados Kelvin. Cuando el aire está saturado, es decir, su humedad absoluta es la de saturación, el volumen húmedo se denomina saturado.

Humedad de equilibrio (He). Es el contenido de humedad del sólido que está en equilibrio con la humedad relativa del aire circundante al sólido. Esta humedad se determina empíricamente y se representa por gráficas similares a la representada en la figura del ejemplo 27. El manejo de estas curvas puede explicarse con el siguiente ejemplo:

EJEMPLO 27: Margarina que contiene 25% de humedad, se seca con aire del 20% de humedad relativa. Determinar el % de humedad con que sale la margarina. Emplear la figura.

Solución: Al emplear aire del 20% de humedad relativa, la humedad de equilibrio de la margarina es de 7 Kgrs. de agua por 100 Kgrs. de margarina seca, luego el porcentaje de humedad es.

% H = 7 x 100 / 107= 6,56%

Humedad libre (Hl). Es el contenido de humedad o agua que existe entre la humedad total o contenido total de agua en el sólido, y su contenida de agua en el equilibrio. Para el ejemplo anterior la humedad libre es de 18,44% (25,00 -6,56%) y es la que puede retirarse, como máximo empleando aire del 20% de humedad relativa:


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Ecuación 94.

Lección 26. Aplicación en los procesos industriales

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La aplicación de las operaciones de transferencia de masa se pueden observar en: - La obtención de acido cítrico - La producción de acido sulfúrico. - La producción de acido acético.

Obtención de Acido Cítrico

fuente:www.atlantic-copper.es/2006/imagenes/acido01.jpg

Generalidades: A partir del jugo de limón, Scheele logró aislar por primera vez en 1784 el ácido cítrico usando el proceso de cal-sulfúrico para separar el micelio del caldo que contiene ácido cítrico en el proceso fermentativo.


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En 1860 comenzó a obtenerse el ácido cítrico de las frutas mediante el uso de sales de calcio. Este proceso tenía un rendimiento muy bajo; Eran necesarias de 30 a 40 toneladas de limones para obtener una tonelada de ácido cítrico. Tres décadas después se observó que algunos hongos producen ácido cítrico cuando crecen en un medio azucarado. En 1880 la compañía Pfizer fundada por los hermano alemanes Charles Pfizer, Charles Erhart, comenzaron a fabricar ácido cítrico, utilizado por varias industrias, de ese tiempo, volviéndose de esta forma en su producto más importante.

En 1893 fue producido sintéticamente por Wehmer a partir de la fermentación de la glicerina, antes de que se desarrollaran los procesos microbianos la principal fuente de ácido cítrico eran los cítricos provenientes de Italia (limones con un contenido entre 6 y 7 %) y el citrato de lima. En 1917 debido a la imposibilidad de comprar limones italianos y citrato de lima, comienzan a experimentar otros métodos para obtenerlo; Desde 1920 en adelante fueron desarrollados con éxito procesos de fermentación, en donde se utiliza generalmente cepas del hongo Aspergillus Níger, aunque también han sido empleadas ciertas cepas de levaduras. En 1923, los hermanos Pfizer logran obtener ácido cítrico a partir de Aspergillus Níger y la fermentación del azúcar. Como sustrato se utilizó melazas de remolacha y se está diversificando en sustratos como sacarosa, melazas de caña o jarabe de glucosa.

Los primeros estudios que se hicieron para la producción de ácido cítrico por fermentación demostraron que es un proceso extremadamente complejo. En 1925 Italia rompe el monopolio que ejercía sobre la materia prima y Pfizer logra expandirse; En 1950, la producción de ácido cítrico alcanzaba las 50.000 toneladas/año. Posteriormente, se registró una importante expansión debido al desarrollo del proceso de fermentación sumergida, mucho más económico. En la década del 80 Pfizer descontinúa este producto con el cual han sido lideres del mercado mundial por más de 70 años y que marco definitivamente el futuro de la empresa.

Descripción del producto: El ácido cítrico, es un sólido translucido o blanco, en forma granular; es inodoro, sabor ácido fuerte, fluorescente al aire seco; Cristaliza a partir de soluciones acuosas concentradas calientes en forma de grandes prismas rómbicos, con una molécula de agua, la cual pierde cuando se caliente a 100oC, fundiéndose al mismo tiempo; El ácido cítrico tiene un fuerte sabor ácido no desagradable. Este ácido se obtiene por un proceso de fermentación. El ácido cítrico se obtenía originalmente por extracción física del ácido del zumo de limón.

Hoy en día la producción comercial de ácido cítrico se realiza sobre todo por procesos de fermentación que utilizan dextrosa o melaza de caña de azúcar como materia prima y Aspergillus niger como organismo de fermentación; La fermentación puede llevarse a cabo en tanques profundos (fermentación sumergida, que es el método más común) o en tanques no profundos


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(fermentación de superficie). La fermentación produce ácido cítrico líquido que luego se purifica, concentra y cristaliza.

GRADO TÉCNICO PRODUCIDO: Ácido Cítrico Anhidro USP (United States Pharmacopeia)

Tabla 16. Ácido cítrico anhidro propiedades físicas

Propiedades físicas y químicas de materias primas

Melaza o jarabe de Caña de Azúcar: Líquido viscoso de color castaño oscuro que se obtiene como producto secundario en la fabricación del azúcar de caña. Las melazas son la parte no cristalizable del azúcar. Formada por un 67% de sacarosa, junto con algo de glucosa y fructosa; las melazas se utilizan también para fabricar alcohol industrial, ácido acético, ácido cítrico, levaduras y en general para cualquier proceso donde se requiera de un medio de cultivo que sirva como fuente de nutrientes para facilitar la germinación, crecimiento y reproducción de los microorganismos productores de determinado metabolito en este caso del ácido cítrico. La melaza negra es el producto de melazas refinadas de azúcar de remolacha o caña.

Ácido sulfúrico: Es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia fácilmente en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO42-). Cada molécula produce dos iones H+, o sea que el ácido sulfúrico es dibásico. Sus disoluciones diluidas muestran todas las características de los ácidos: tienen sabor amargo, conducen la electricidad, neutralizan los álcalis y corroen los metales activos desprendiéndose gas hidrógeno. A partir del ácido sulfúrico se pueden preparar sales que contienen el grupo sulfato SO4, y sales ácidas que contienen el grupo hidrogenosulfato, HSO4.

Cal viva, Oxido de Calcio, (CaO): Sustancia sólida cáustica, blanca cuando es pura, que se obtiene calcinando caliza y otras formas de carbonato de calcio. La


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cal pura, llamada también cal viva o cal cáustica, está compuesta por óxido de calcio (CaO), aunque normalmente los preparados comerciales contienen impurezas, como óxidos de aluminio, hierro, silicio y magnesio. Al tratarla con agua se desprenden grandes cantidades de calor y se forma el hidróxido de calcio, que se vende comercialmente como un polvo blanco denominado cal apagada o cal muerta. La cal se utiliza para preparar cemento y argamasa, y para neutralizar los suelos ácidos en agricultura. También se emplea para fabricar papel y vidrio, para lavar la ropa blanca, para curtir las pieles o el cuero, en el refinado de azúcar y para ablandar el agua.

Resinas de Intercambio Iónico: Los principios del intercambio iónico han sido utilizados en métodos de purificación, análisis químico, tratamiento de agua y otras aplicaciones, a escala industrial y de laboratorio, lo que unido al amplio surtido y diversidad de resinas disponibles, permite ofrecer soluciones a muchos problemas científico-técnicos del campo farmacéutico y sanitario; Son insolubles en agua, muy útiles gracias a su naturaleza polimérica, es decir que contienen grupos ionizados (aniones o cationes), en forma repetitiva a lo largo de la cadena que las conforman. Estos grupos tienen su carga neutralizada por iones de signo contrario (contraiones), que pueden ser intercambiados de manera estequiométrica por otros iones de igual signo al ponerse en contacto con una solución de electrólitos. Las resinas intercambiadoras de cationes se denominan catiónicas y las de aniones, aniónicas.

Amoniaco, NH3: Gas de olor picante, incoloro, de fórmula NH3, muy soluble en agua. Una disolución acuosa saturada contiene un 45% en peso de amoníaco a 0°C, y un 30% a temperatura ambiente. Disuelto en agua, el amoníaco se convierte en hidróxido de amonio, NH4OH, de marcado carácter básico y similar en su comportamiento químico a los hidróxidos de los metales alcalinos. En la fermentación de la glucosa con Aspergillus Níger, el amoniaco representa una importante fuente de nitrógeno, útil para que se lleve a cabo la germinación y crecimiento del hongo.

Descripción de las etapas: La preparación del ácido cítrico consiste, en términos generales, en una fermentación aeróbica del azúcar, utilizando un cultivo de Aspergillus Níger que es un hongo que produce como metabolito primario ácido cítrico, por eso en este proceso se usa como agente fermentador. Luego la posterior purificación, mediante el proceso cal-sulfúrico y la recuperación final del producto.

Preparación del sustrato (melaza): El objetivo de esta primera etapa del proceso es la purificación del jarabe. Se inicia mezclando el jarabe con agua para diluirlo; una vez diluido se pasa por un filtro de vacío para eliminar los sólidos suspendidos y las impurezas de la melaza. Luego el jarabe es pasado por una celda de intercambio iónico para retirar los iones del flujo. Después el jarabe es sometido a un proceso de pasteurización que consiste en elevar la temperatura a 1050C durante tres minutos y bajarla nuevamente hasta 370C. La pasteurización se lleva


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a cabo primero en un calentador de evaporación instantánea, después se utiliza un circuito de acumulación y un enfriador de jarabe.

Diagrama de flujo

Fermentación: Una vez pasteurizado, es bombeado al fermentador el cual es un recipiente rígido, en donde se lleva a cabo la transformación de la sacarosa en ácido cítrico por medio del Aspergillus Níger. El Aspergillus Níger es inoculado en este fermentador. Se hace el ajuste del pH y se añaden nutrientes (amoniaco NH3, sales de fermentación). El aire estéril se burbujea dentro del fermentador. Luego de la fermentación, el flujo es pasado por un filtro rotatorio al vacío para separar el micelio. La masa conformada por el micelio y el microorganismo muerto se denomina biomasa o torta y constituye un subproducto o un efluente del proceso.

Purificación del ácido cítrico: El ácido cítrico debe ser separado del micelio, el microorganismo muerto, el azúcar residual, las proteínas producidas por la fermentación y otras impurezas solubles. Para lo cual se lleva a cabo el proceso denominado cal-sulfúrico: se basa en tratar el licor madre con una lechada de la cal (Ca(OH)2 cal apagada)de lo cual se forma citrato de calcio. Este citrato resultante es lavado y el micelio es filtrado. Posteriormente se añade ácido sulfúrico para descomponer el citrato de calcio. Por lo tanto en esta etapa se forma sulfato de calcio el cual es retirado de la solución por medio de un filtro rotatorio al vacío y se constituye en un subproducto del proceso.

Celdas primarias de carbón activado: En estas celdas son removidas las impurezas solubles que producen color a la solución de Ácido Cítrico y en general


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sustancias orgánicas contenidas en el licor. Debido que a lo largo del proceso se añaden sustancias que aumentan la cantidad de iones contenidos en la solución de acido Cítrico, antes de cristalizarlo hay que retirar estos iones (Ca++ y SO4=) para estos se usan celdas de resinas de intercambio iónico; La corriente alimenta los evaporadores de doble o de triple efecto donde se busca retirar la mayor cantidad de agua para pasar al cristalizador.

Cristalización: En este proceso se separan los cristales formados del líquido saturado que se denomina licor madre. Este licor se recircula a la etapa de intercambio iónico (celdas de carbón) o al tanque de tratamiento por cal. Los cristales de ácido cítrico húmedos se redisuelven y se recristalizan al vacío. Luego pasan a la centrifuga en donde es eliminado el licor madre de los cristales formados.

Secado: Se puede realizar en un equipo de lecho fluidizado, que permite retirar humedad hasta cumplir con las especificaciones.

Clasificación: Estos cristales son alimentados a un clasificador con 4 mallas en el interior. Aquí se separan en tres presentaciones (cristal, granular y granular fino). Es rechazado cualquier material fuera de los tamaños estándares, es decir, los terrones y el polvillo.

Empaque: Los tamaños anteriormente clasificados son empacados en bolsa interior de polietileno de y exterior de polipropileno.

Principales aplicaciones

Industria de Refrescos y Bebidas: El ácido cítrico ha llegado a ser el acidulante preferido por la industria de las bebidas, debido a que es el único que otorga a las bebidas gaseosas, en polvo o liquidas, propiedades refrescantes, de sabor y acidez naturales. El ácido cítrico y sus sales de sodio y potasio, actúan como preservativos en las bebidas y jarabes, contribuyendo al logro del gusto deseado mediante la modificación de los sabores dulces. Se aprovecha también su capacidad para remover metales extraños que causan turbiedad, deterioran el color, el sabor y la vitamina C. El ácido cítrico supone casi las tres cuartas partes del consumo acidulante total en la Comunidad.

Industria de frutas y vegetales: En esta industria también encuentran aplicación el ácido cítrico y sus sales de sodio y potasio como mejoradores del sabor y preservativos, contribuyendo a asegurar el sabor original, la apariencia natural y la consistencia normal de los productos.

Otras Industrias de alimentos: Se encuentra un amplio y seguro uso del ácido cítrico y sus sales en industrias tales como las de caramelos, postres, jaleas, dulces, compotas, conservas de carnes, salsas para ensaladas, productos derivados del huevo y pescados. También se usa para mejorar el sabor del


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helado, relleno de tortas y cremas de fruta. También tiene ciertas aplicaciones en los sectores de la carne y el pan (tratamiento de harina y aditivo en la cocción).

Sector de Cosméticos y productos de tocador: En general, el ácido cítrico y sus sales, se usan como constituyentes de formulaciones, contribuyendo a mejorar la vida, la eficiencia y la apariencia del producto final. Fácilmente se observa su uso en productos para el cuidado del cabello, perfumes, cremas, lociones desodorantes, quita-esmaltes y jabones.

Sector farmacéutico: Cuando el ácido cítrico se combina con bicarbonato de sodio y otras sales, al agregarse agua se produce una bebida salina gaseosa, efervescente y refrescante. Esta combinación es especialmente efectiva en productos donde se desea una disolución rápida, buena apariencia visual y sabores singulares. Uno de los principales usos del ácido cítrico es en la producción de Alka Seltzer; El ácido cítrico provee además en las drogas la necesaria estabilización de los ingredientes activos por su acción antimicrobial y antioxidante. En muchas oportunidades se usan mezclas del ácido cítrico y sus sales de sodio y potasio para estos fines. En el sector farmacéutico también tiene demanda el citrato de sodio, además de usarse en jarabes, es anticoagulante especial para bancos de sangre.

Sector agroindustrial: En el tratamiento de terrenos se usan el ácido cítrico y el sulfato de calcio. El ácido cítrico para mejorar la asimilación de los micronutrientes por parte de las plantas y el sulfato para el control de la alcalinidad de los suelos. Se conoce también el uso del ácido cítrico como dispersante en la aplicación de pesticidas y herbicidas.

Sector industrial: El ácido cítrico y sus sales están diversificando su aplicación, sustituyendo materias primas importadas, y es así como hoy en día ve su uso en renglones industriales tan importantes como la industria de detergentes biodegradables. Las ventajas principales de los citratos en las formulaciones de detergentes son su biodegradabilidad y la facilidad de tratamiento, particularmente en formulaciones que contienen zeolita; Para contener los costos las grandes empresas de detergentes generalmente compran ácido cítrico y lo convierten en el citrato requerido. La industria textil en el área de teñido, la industria de cueros y marroquinería, la industria del papel. Algunos ejemplos específicos de utilización de ácido cítrico en el sector industrial:

Acabado de metales, separación de herrumbre y desincrustación, remoción por electrolisis, galvanización de cobre; textiles; curtiembre; compuestos lavadores botellas; evaporadores de agua salada, imprenta; bloques de construcción; intercambio de iones; separación de bióxido sulfuroso del gas de chimenea.

Tratamiento de residuos: El micelio es utilizado como fuente de proteína en la producción de concentrados para animales. Las resinas de intercambio son regeneradas con ayuda de ácidos y puestas a funcionar de nuevo en el proceso,


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las aguas ácidas son neutralizadas con soluciones concentradas de hidróxido de sodio o también el agregado de carbonato de calcio en concentraciones apropiadas resultan rápidos aunque costosos procesos de neutralización. Pequeños volúmenes del agente son requeridos, ya que estos neutralizantes son mucho más poderosos que la caliza y la cal. Otra ventaja es que los productos de la reacción son solubles y no aumentan las durezas a las aguas que se reciben. La soda cáustica es mezclada normalmente en la parte de succión de la bomba de descarga de los efluentes. Este método es apropiado para pequeños volúmenes, pero para neutralizar grandes volúmenes de desecho acuoso, se necesitan especiales equipos, de grandes dimensiones, como un depósito para el almacenamiento del neutralizante con una bomba de diversas velocidades para la directa adición del álcali a la corriente del desecho.

Obtención de Acido Sulfúrico

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Generalidades: El ácido sulfúrico es uno de los químicos industriales más importantes. Es de gran significado, la observación que frecuentemente se hace, es que el per cápita usado de ácido sulfúrico es un índice del desarrollo técnico de una nación; El ácido sulfúrico fue producido por primera vez aproximadamente en el año 1,000 de la era cristiana. Por 18 siglos, el ácido sulfúrico fue preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX, este fue esencialmente producido por una cámara procesadora en la cual el óxido de nitrógeno era usado como un catalizador homogéneo para la oxidación del óxido de azufre. El producto hecho por este proceso era de baja concentración, no era lo suficientemente alto para los muchos usos comerciales.

Durante la primera mitad del siglo XIX, la cámara procesadora fue gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el método anterior es considerado obsoleto. En 1915, un efectivo catalizador de vanadio fue desarrollado para el proceso de contacto. Este tipo de catalizador fue empleado en los Estados Unidos. El catalizador de vanadio tiene la ventaja de una resistencia superior a la intoxicación y de ser relativamente abundante y barata comparado con el platino. Después de la segunda guerra mundial, el tamaño típico de las plantas que realizaban el proceso de contacto se incrementó drásticamente alrededor del mundo suministrando un rápido incremento de la demanda de la industria de fertilizantes de fosfatos.


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En el año de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorción en gran escala. En este proceso, el gas SO2 que ha sido parcialmente convertido en SO3 por medio del catalizador es refrigerado, pasa a través del ácido sulfúrico para remover SO3 recalentado, y luego es pasado a través de una o dos cámaras catalizadores. Por este método, la conversión total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por consiguiente reduciendo la emisión del SO2 convertido a la atmósfera; El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automático continuo. Todas las nuevas plantas de ácido sulfúrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequeña capacidad emplean la cámara de procesamiento que representa el 5% de las plantas de ácido sulfúrico.

Descripción del producto: El ácido sulfúrico al 100 por ciento es un líquido incoloro, inodoro, denso y viscoso. Esto se refiere al monohidrato, el cual puede ser considerado con una composición equimolecular de agua y trióxido de azufre. Este pierde trióxido de azufre en el calentamiento hasta que, aproximadamente a los 338° C, resulta un ácido de 98.3 por ciento.

Fórmula: H2SO4 Peso molecular: 98.08 Gravedad específica: 1.834 18 °C /4 Punto de Fusión: 10.49 °C Punto de Ebullición: se descompone a 340 °C

Es soluble en todas las proporciones en agua, produciendo una gran cantidad de calor. Una libra de ácido sulfúrico al 100 por ciento diluido a 90 por ciento libera 80 Btu y diluido a 20 por ciento libera 300 Btu.

• Es muy fuerte y corrosivo para la vida de los materiales estructurales.

• Posee un punto de ebullición alto y se puede emplear para producir ácidos volátiles como HCl y HCN.

• Es un agente oxidante suave. No se puede usar para preparar HBr o HI.

• Concentrado y en caliente disuelve al Cu.

• Es deshidratante.

El ácido sulfúrico es capaz de disolver grandes cantidades de trióxido de azufre, produciendo varios grados de oleum. Cuando estas soluciones (ácido sulfúrico-


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óxido sulfúrico) es mezclado con agua, el oxido se combina con agua, formando más ácido sulfúrico.

Grados. Los dos últimos grados son incoloros y prácticamente libres de impurezas metálicas y otras. La siguiente tabla muestra varios grados que son comercializados para satisfacer los requerimientos de las industrias.

Contenedores y Regulaciones. Camiones tanques, barriles, tanques, botellas. El ácido sulfúrico es intensamente corrosivo y ataca prácticamente todos los metales, las construcciones que lo contengan deben ser cuidadosamente elegidas. El vidrio es utilizado para todas las concentraciones. Metales semejantes como hierro y acero pueden ser usados para altas concentraciones de ácido (más de 65 Be).


Azufre: Debe presentar una pureza del 99.5% y en una proporción de 3,300 Kg. por tonelada métrica de ácido sulfúrico (98%) producida; Todas las formas de azufre son insolubles en agua, y las formas cristalinas son solubles en disulfuro de carbono. Cuando el azufre ordinario se funde, forma un líquido de color pajizo que se oscurece si se calienta más, alcanzando finalmente su punto de ebullición. Si el azufre fundido se enfría lentamente, sus propiedades físicas varían en función de la temperatura, la presión y el método de enfriamiento. El azufre puede presentarse en varias formas alotrópicas, que incluyen los líquidos Sλ y Sμ, y diversas variedades sólidas, cuyas formas más familiares son el azufre rómbico y el azufre monoclínico. La más estable es el azufre rómbico, un sólido cristalino de color amarillo con una densidad de 2,06 g/cm3 a 20°C; Es ligeramente soluble en


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alcohol y éter, moderadamente soluble en aceites y muy soluble en disulfuro de carbono. A temperaturas entre 94,5 °C y 120 °C esta forma rómbica se transforma en azufre monoclínico, que presenta una estructura alargada, transparente, en forma de agujas con una densidad de 1,96 g/cm3 a 20 °C. La temperatura a la que el azufre rómbico y el monoclínico se encuentran en equilibrio, 94,5 °C, se conoce como temperatura de transición. Cuando el azufre rómbico ordinario se funde a 115,21 °C, forma el líquido amarillo pálido Sλ, que se vuelve oscuro y viscoso a 160 °C, formando Sμ. Si se calienta el azufre hasta casi alcanzar su punto de ebullición de 444,6 °C y después se vierte rápidamente en agua fría, no le da tiempo a cristalizar en el estado rómbico o monoclínico, sino que forma una sustancia transparente, pegajosa y elástica conocida como azufre amorfo o plástico, compuesta en su mayor parte por Sμ sobreenfriado. El dióxido de azufre se libera a la atmósfera en la combustión de combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón, siendo uno de los contaminantes más problemáticos del aire. La concentración de dióxido de azufre en el aire puede alcanzar desde 0,01 a varias partes por millón, y puede afectar al deterioro de edificios y monumentos. También es la causa de la lluvia ácida, así como de molestias y problemas para la salud del ser humano.

Agua: Debe manejarse agua potable (depende de la calidad de producto requerido), en una cantidad de 186-190 Kg. por tonelada métrica de ácido sulfúrico (98%) producido.

Diagrama de flujo


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La planta de ácido sulfúrico descrita es diseñada para producir ácido sulfúrico del 98% de pureza, a partir de azufre de 99.5% de pureza, el procedimiento se describe a continuación:

• El azufre es enviado dentro de una tolva medidora de azufre, luego será fundido por una bobina de vapor, el índice de fusión será acelerado por medio de un agitador.

• El azufre fundido es derramado en los compartimentos de almacenaje de azufre. Dos equipos tipo bombas, serán instalados en el compartimento de almacenaje de azufre del medidor de azufre, uno será operado y el otro será parado.

• La bomba entregará azufre derretido a través de una línea elevadora de vapor al azufre quemado. Una presión de vapor de 5 Kg/cm2 será usada para calentar la línea elevadora.

• El azufre será rociado en la parte superior de la cámara de combustión de azufre. El aire para la combustión será proporcionado por una tolva conducida por un motor eléctrico. El aire de la tolva pasará a través de una torre de secado para precalentar el aire y sobre el azufre quemado para proporcionar el oxígeno necesario para producir el gas SO2.

• El gas caliente deja al azufre quemado pasar directamente a la tolva de desechos calientes, donde este será enfriado por una temperatura intercambiada con agua de cocción de alta presión para producir vapor saturado. Una porción posterior de vapor será utilizada en la alimentación del calentador de agua. El resto del vapor será enviado a la planta de ácido con una presión límite de 17 Kg/cm2. La temperatura del gas SO2 entregada a la caldera será controlada por medio de una válvula de ajuste de gas. El gas refrigerado será pasado a través de un filtro de gas caliente para generar la oxidación exotérmica de SO2 a SO3 en presencia del catalizador de vanadio. El gas convertido entra al intercambiador de calor, donde este intercambiará calor con el gas SO2 desde la torre de absorción, en camino a la conversión.

• El gas convertido, el cual pasa a través del intercambiador de calor será reingresado al convertidor a una temperatura adecuada para obtener una conversión adicional óptima en el segundo paso. El gas liberado en este segundo paso será enfriado a una temperatura adecuada en el precalentador de aire antes de entrar a la torre de absorción. Después de la primera sección de absorción, el gas convertido, SO3 será absorbido, el gas SO2 pasará al intercambiador de calor, luego reingresará nuevamente al tercer paso.

• El gas liberado en el tercer paso será enfriado y diluido con aire refrigerado desde la torre de secado, antes de entrar al paso final (cuarto paso).


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• El gas convertido desde el cuarto paso del convertidor pasará a través de un ahorrador el cual enfriará el gas aproximadamente a 180°C, luego tomará lugar en la tubería principal de la torre de absorción, la temperatura final del gas entrando a la torre de absorción será aproximadamente de 170°C. El calor removido desde el gas por el ahorrador será usado para precalentar la tolva alimentador de agua antes de que este entre a la tolva de desechos calientes.

• El gas liberado del ahorrador entrará a la torre de absorción, donde el SO3, será absorbido en un 98% del ácido circulado, en consecuencia, se incrementará la fuerza del ácido circulado.

Principales aplicaciones: El ácido sulfúrico es importante en casi todas las industrias, y es usado ampliamente en la manufactura de fertilizantes superfosfatos, sales sulfatadas, celofán, rayón, detergentes, ácido clorhídrico, ácido nítrico, tintes, pigmentos, explosivos, refinación de petróleo, en el almacenaje de baterías, en el tratamiento de agua industrial, y en el blanqueado de minerales.

Tratamiento de residuos: Los desechos de la fabricación de ácidos, son extremadamente contaminantes, por lo cual deben tratarse antes de poderse arrojar en los cursos de aguas. Varios son los puntos importantes, sin embargo, el pH de estos residuos es lo que más atentamente se debe controlar y se debe ver que dicho valor se encuentre en el rango de 6.0 a 9.0.

El principal método de tratamiento que se efectúa a estos efluentes es el de neutralización. Gehm nos describe su método de neutralización de desechos ácidos, que consta de una cama de piedra caliza, la cual trata a los desechos por encima 10.000 p.p.m. de acidez mineral en una cama capaz de recibir 0.1 mgd de desechos. Por otra parte también encontramos el método de Shugart; un proceso que utiliza caliza para una neutralización automática.

Métodos de Spray-burning y Combustión indirecta:

1. Spray-burning: Este método consiste en esparcir el desecho ácido en una cámara de combustión a alta temperatura (1700-2000°F) con pequeñas cantidades de aire en exceso con el fin de oxidar hidrocarburos. El sulfato se transforma en SO2 y los hidrocarburos en CO2 y H2O; los gases son enfriados y secados, y el SO2 es recuperable para su posterior uso en la fabricación de ácido sulfúrico nuevamente.

2. Combustión indirecta: La principal reacción de éste método, es la reducción de los excedentes de ácido sulfúrico en el sedimento fangoso por ciertos hidrocarburos que pueden hallarse presente o que se pueden adicionar.

3. Método de cama de piedra caliza: Este método es aplicable al caso de que una planta no sólo produzca ácido sulfúrico, sino también otros como el clorhídrico


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nítrico, etc.; Consiste en una cama de piedra caliza de neutralización ácida, unidad que se emplea en la neutralización de una mezcla de sulfúrico y clorhídrico (comúnmente) en distintas concentraciones. Los desechos deben diluirse hasta que alcancen una concentración de un uno por ciento y luego se los hace pasar a través de dicha cama de piedra caliza hacia arriba por sus tres pies de extensión en cantidades de 20 a 30 galones por minuto por pie cuadrado del área de la cama. El inconveniente es que se debe tener inicialmente un pH que ronde los valores 4,6 a 4,9. La reacción que se lleva a cabo es:

CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O

Obtención de Acido Acético

fuente:avances.files.wordpress.com/2007/11/bioconbus...

Generalidades: El ácido acético es un compuesto químico muy versátil y necesario en gran cantidad de procesos químicos. Este compuesto tiene gran variedad de usos, que van desde la industria alimenticia hasta la de plásticos, cueros, solventes entre otros. Es usado ampliamente como conservante, también llamado vinagre; en la síntesis de acetato de polivinilo y posteriormente en la producción de pinturas, plásticos entre otros. También se encuentra en la industria de fibras y de insecticidas.

Descripción del producto: Producto de origen natural, presente en gran cantidad de frutas, producto de una fermentación bacteriana, y por ende, está presente en todos los productos fermentados. Comercialmente es elaborado por medio de la fermentación bacteriana del azúcar, o el alcohol, o por síntesis química del acetaldehído.


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El ácido acético se encuentra en el vinagre y es el principal responsable de su sabor agrio y su característico olor. Su fórmula es CH3-COOH, y, de acuerdo con la IUPAC se denomina sistemáticamente ácido etanóico. Su punto de fusión es 16.6° C y el punto de ebullición es 117.9°C.

Es de interés para la química orgánica como reactivo, para la química inorgánica como ligando, y para la bioquímica como metabolito. También se utiliza como sustrato, en su forma activada, en reacciones catalizadas por las enzimas conocidas como acetil transferasas. A continuación se presentan las fichas técnicas de dos tipos comerciales de ácido acético:

Tabla 17. Ficha Técnica del Ácido Acético grado Técnico


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Tabla 18. Ficha Técnica del Ácido Acético grado Glacial


Etanol: El alcohol etílico o etanol es un alcohol que se presenta como un líquido incoloro e inflamable con un punto de ebullición de 78°C. Al mezclarse con agua en cualquier proporción, da una mezcla azeotrópica. Es un líquido transparente e incoloro, con sabor a quemado y un olor agradable característico; Su fórmula química es H3C-CH2-OH, principal producto de las bebidas alcohólicas.

Es el alcohol que se encuentra en bebidas como la cerveza, la sidra, el vino y el brandy. Debido a su bajo punto de congelación, ha sido empleado como fluido en termómetros para medir temperaturas inferiores al punto de congelación del mercurio, -40°C, y como anticongelante en radiadores de automóviles. Normalmente el etanol se concentra por destilación de disoluciones diluidas. El de uso comercial contiene un 95% en volumen de etanol y un 5% de agua. Ciertos agentes deshidratantes extraen el agua residual y producen etanol absoluto. El etanol tiene un punto de fusión de -114,1°C, un punto de ebullición de 78,5°C y una densidad relativa de 0,789 a 20°C.

http://www.bedri.es/Libreta_de_apuntes/E/ET/Etanol.htm

http://www.bedri.es/Libreta_de_apuntes/A/AL/Alcohol.htm



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Desde la antigüedad, el etanol se ha obtenido por fermentación de azúcares. Todas las bebidas con etanol y casi la mitad del etanol industrial aún se fabrican mediante este proceso. El almidón de la patata, del maíz y de otros cereales constituye una excelente materia prima. La enzima de la levadura, la cimasa, transforma el azúcar simple en dióxido de carbono. La reacción de la fermentación queda, representada en la ecuación:

C6H12O6 --> 2C2 H5OH + 2CO2

General: Nomenclatura IUPAC n/d Fórmula semidesarrollada CH3-CH2-OH Fórmula estructural Ver imagen Fórmula molecular C2H5OH Número CAS 64-17-5

Propiedades físicas: Estado de agregación Líquido, Apariencia Incoloro Densidad 810 kg/m3; (0,810 g/cm3) Masa molecular 46,07 uma Punto de fusión 158,9 K (-114,1 °C) Punto de ebullición 351,6 K (78,6 °C) Temperatura crítica 514 K (241 °C) Presión crítica 63 atm.

Propiedades químicas: Acidez (pKa) 15,9 Solubilidad en agua Miscible KPS n/d Momento dipolar n/d D Termoquímica ΔfH0gas -235.3 kJ/mol ΔfH0líquido -277.6 kJ/mol S0líquido, 1 bar 161.21 J·mol-1·K-1 Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. Catalizador – Paladio soportado en α-Alúmina: Los metales preciosos son utilizados más ampliamente cuando se trata de controlar los componentes volátiles orgánicos (VOCs) ya que cuentan con más alta selectividad y estabilidad en comparación con los catalizadores de oxido de metales de transición. Las reacciones involucradas se desarrollan en serie. Por ello se utiliza un catalizador selectivo a ambas reacciones. Los pellets de paladio impregnado se ubican en un reactor de lecho que tiene dos secciones para cada una de las reacciones en serie, y con cantidad de catalizador suficiente para cada una.


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Diagrama de flujo

Descripción de las etapas: La oxidación catalítica del etanol se utiliza para la obtención del ácido acético en dos pasos: primero, se realiza una oxidación del alcohol etílico hacia acetaldehído y posteriormente, este producto se oxida para obtener ácido acético; Ambas etapas se llevan a cabo en fase de vapor. La oxidación se realizará con aire.

Precalentamiento y Evaporación: El etanol estando a temperatura ambiente y presión atmosférica es precalentado y evaporado hasta llevarlo a 170°C y 2 bares, con ayuda de un compresor.

Mezclado: El etanol precalentado y presurizado en estado gaseoso se mezcla con aire a unas condiciones similares, de tal forma que la corriente resultante presenta una temperatura de 172°C y 2 bares, esta mezcla se precalienta hasta 250°C que es la temperatura de reacción.

Reacción: La mezcla ingresa al reactor y como resultado de la reacción se obtiene como corriente de salida compuesta por ácido acético, agua, nitrógeno, acetaldehído y etanol que no ha reaccionado.

Absorción: La mezcla anterior, ingresa a la torre de absorción, donde entra en contacto con agua que gracias a su afinidad con el ácido acético, lo retiene y salen ambos por el fondo a 1 bar y 78°C, de allí pasan a una evaporación para retirar algunas trazas de nitrógeno y preparar la mezcla para la separación en la torre de destilación.

Separación: La torre de destilación recibe como alimentación la corriente líquida obtenida anteriormente y rica en ácido acético y agua, y la pone en contacto con


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una corriente de acetato de etilo, para retirar el agua y obtener ácido acético de mayor concentración.

Recuperación de Solvente: El agua con el acetato de etilo resultantes de la destilación, pasan a un condensador y una torre de destilación en serie, donde son separados, de tal forma que el acetato de etilo se recircula.

Principales aplicaciones: El ácido acético se utiliza como un conservante previniendo el crecimiento de las bacterias y los hongos. Así mismo, este ácido está presente en la mayonesa para incrementar el efecto de inactivación contra la Salmonella. Muestra su mayor actividad a niveles bajos de pH.

Adicionalmente, puede ser utilizado como sustancia amortiguadora o „buffer' en los alimentos ácidos, o como un componente aromático en algunos productos; En apicultura es utilizado para el control de las larvas y huevos de las polillas de la cera, enfermedad denominada Galleriosis, que destruyen los panales de cera que las abejas melíferas obran para criar o acumular la miel. Sus aplicaciones en la industria química van muy ligadas a sus sales aniónicas, como son el acetato de vinilo o el acetato de celulosa (base para la fabricación de rayón, celofán...).

CAPITULO 7. Petroquímica

fuente:galeria.blogs.sapo.pt/arquivo/PlataformaPetro

En este capítulo se estudiará las bases para conocer la industria del petróleo desde su composición, extracción, productos, formas de proceso.

También los productos petroquímicos que tanto conocemos en la vida diaria y por último se estudiará el gas natural como nuestro combustible alternativo y de uso masivo en la actualidad.

Para el conocimiento de un profesional en ingeniería es esencial conocer los productos derivados del petróleo porque en toda nuestra vida diaria necesitamos de él, ya que es conocido como el motor industrial del último siglo, con este combustible fósil se logro los avances de las sociedades en general, tanto como, ser la forma en que se controla al mundo por medio de la economía, ya sea con la escasez o la sobre producción, además ser en estos momentos por su estabilidad química uno de los causantes de mayor contaminación del planeta por emisión de gases y generación de residuos sólidos.


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Lección 28. El petróleo y sus derivados

DEFINICIÓN: El petróleo es un compuesto químico complejo en el que coexisten partes sólidas, líquidas y gaseosas; Lo forman, por una parte, unos compuestos denominados hidrocarburos, formados por átomos de carbono e hidrógeno y, por otra, pequeñas proporciones de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Se presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria y solo en lugares en los que hubo mar. Su color es variable, entre el ámbar y el negro y el significado etimológico de la palabra petróleo es aceite de piedra, por tener la textura de un aceite y encontrarse en yacimientos de roca sedimentaria.

ORIGEN: Por su característica de origen natural, para que se pueda producir debe cumplir con los siguientes factores: - Ausencia de aire - Restos de plantas y animales (sobre todo, plancton marino) - Gran presión de las capas de tierra - Altas temperaturas - Acción de bacterias

LOCALIZACION: Al ser un compuesto líquido, su presencia no se localiza habitualmente en el lugar en el que se generan, sino que ha sufrido previamente un movimiento vertical o lateral, filtrándose a través de rocas porosas, a veces una distancia considerable, hasta encontrar una salida al exterior en cuyo caso parte se evapora y parte se oxida al contactar con el aire, con lo cual el petróleo en si desaparece o hasta encontrar una roca no porosa que le impide la salida, entonces se habla de un yacimiento. Por lo tanto, el petróleo no forma lagos subterráneos; siempre aparece impregnado en rocas porosas; debido a este motivo se pueden tener los siguientes tipos de yacimientos:

Estratigráficos: En forma de cuya alargada que se inserta entre dos estratos.

Anticlinal: En un repliegue del subsuelo, que almacena el petróleo en el arqueamiento del terreno.

Falla: Cuando el terreno se fractura, los estratos que antes coincidan se separan. Si el estrato que contenga petróleo encuentra entonces una roca no porosa, se forma la bolsa o yacimiento.


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En las últimas décadas se ha desarrollado enormemente la búsqueda de yacimientos bajo el mar, los cuales, si bien tienen similares características que los terrestres en cuanto a estructura de las bolsas, presentan muchas mayores dificultades a la hora de su localización y, por añadidura, de su explotación.

GEOLOGIA DEL PETROLEO: Por ser una especie de mineral al estar impregnado en las rocas porosas es que se debe analizar su geología, debido a que el petróleo no se encuentra distribuido de manera uniforme en el subsuelo hay que tener presencia de al menos cuatro condiciones básicas para que este se acumule: Debe existir una roca permeable de forma tal que bajo presión el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la roca; La presencia de una roca impermeable, que evite la fuga del aceite y gas hacia la superficie. El yacimiento debe comportarse como una trampa, ya que las rocas impermeables deben encontrarse dispuestas de tal forma que no existan movimientos laterales de fuga de hidrocarburos; Debe existir material orgánico suficiente y necesario para convertirse en petróleo por el efecto de la presión y temperatura que predomine en el yacimiento.

La búsqueda de petróleo o gas se enfrenta con el hecho de que la superficie de la tierra tiene una historia complicada, los geocientificos saben que parte de la corteza terrestre que abarca los continentes y océanos, se han trasladado con relación a otras; Cuando los continentes se separaron, zonas que eran tierra quedaron sumergidas por el mar: esas zonas se convirtieron en lugares de deposición de rocas sedimentarias. Al producirse colisiones las enormes fuerzas originadas levantaron cadenas de montañas, estrujaron las rocas en plegamientos y las echaron unas sobre otras, para formar estructuras complejas. Algunas de estas son favorables para la acumulación de petróleo.

Una de las estructuras más comunes es el anticlinal, cuyas capas forman un arco hacia arriba o en forma convexa, con las capas antiguas cubiertas por las más recientes y se estrechan con la profundidad; Debajo del anticlinal, puede encontrarse un yacimiento de hidrocarburos, sellado por una capa impermeable. Si se perfora un pozo a través de esta cubierta, hasta llegar al yacimiento, se puede sacar petróleo a la superficie.

El petróleo no suele encontrarse en el lugar en el que se genera; La generación de petróleo se produce a partir de la materia orgánica que se encuentra en sedimentos de grano fino, como arcillas; a estos sedimentos se les llama rocas madre. Posteriormente el petróleo se traslada a sedimentos de grano más grueso, como areniscas, por medio de un proceso llamado migración; A veces el petróleo no encuentra obstáculos en su migración, por lo que sale o brota, a la superficie como un manantial (así el Hombre conoció la existencia de petróleo) o bien queda entrampado; Las trampas son sitios del subsuelo donde existen condiciones adecuadas para que se acumulen los hidrocarburos, estas se caracterizan por la presencia de rocas porosas y permeables conocidas como


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rocas almacén o reservorios, donde se acumulan o almacenan los hidrocarburos bordeados de capas de rocas impermeables o rocas sello que impiden su migración.

TIPOS DE PETRÓLEO: Son miles los compuestos químicos que constituyen el petróleo, y, entre muchas otras propiedades, estos compuestos se diferencian por su volatilidad (dependiendo de la temperatura de ebullición). Al calentarse el petróleo, se evaporan preferentemente los compuestos ligeros (de estructura química sencilla y bajo peso molecular), de tal manera que conforme aumenta la temperatura, los componentes más pesados van incorporándose al vapor.

Las curvas de destilación TBP (del inglés true boiling point, temperatura de ebullición real) distinguen a los diferentes tipos de petróleo y definen los rendimientos que se pueden obtener de los productos por separación directa; La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo de acuerdo a su densidad API (parámetro internacional del Instituto Americano del Petróleo, que diferencia las calidades del crudo).

Densidad ( g/ cm3)

Densidad grados API

Extrapesado >1.0 10.0

Pesado 1.0 - 0.92 10.0 - 22.3

Mediano 0.92 - 0.87 22.3 - 31.1

Ligero 0.87 - 0.83 31.1 - 39

Superligero < 0.83 > 39

EXPLORACIÓN: Para descubrir los lugares donde existen yacimientos de petróleo no existe un método científico exacto, sino que es preciso realizar multitud de tareas previas de estudio del terreno. Los métodos empleados, dependiendo del tipo de terreno, serán geológicos o geofísicos llamados en este tipo de industria prospección; Debido a las condiciones geológicas vistas anteriormente uno de los primeros pasos en la búsqueda del petróleo es la obtención de fotografías aéreas, imágenes satelitales o imágenes de radar de un área de interés; Esto permite elaborar diversos tipos de mapas que identifican características de un área determinada, tales como vegetación, topografía, corrientes de agua, tipo de roca, fallas geológicas, anomalías térmicas. Esta información permite identificar áreas de mayor potencial, en los que se pueden encontrar las formaciones sedimentarias y estructuras que contengan hidrocarburos.

También se utilizan sistemas magnéticos y gravimétricos desde aviones previstos de magnetómetros y gravímetros o en la superficie, con lo cual se recoge información (densidad) que permite diferenciar los tipos de roca del subsuelo; Así mismo los geólogos emprenden arduos trabajos de campo en los que describe la geología de superficie y toman muestras de roca y suelo para diversos análisis de


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laboratorio; Por último la prospección sísmica que consiste en hacer análisis por explotación con explosivos y por estudio de las ondas que se generan se detectan los lugares donde se encuentra el hidrocarburo. Con estos estudios se tiene una primera aproximación de la capacidad de generación de hidrocarburos y de la calidad de rocas almacenadoras que pueda haber en un lugar.

PERFORACIÓN PETROLERA: Si el sitio escogido para el pozo exploratorio está en una área remota, son muchas las labores que deben realizar para poder empezar la perforación; La compañía petrolera tendrá que adelantar la construcción de carreteras y proveer todos los medios de transporte necesarios; Deberá edificar viviendas y talleres y planear el suministro de agua, electricidad y otros servicios indispensable.

Una vez que se haya terminado todo este preparativo, podrá iniciarse el levantamiento de la torre, la instalación de la maquinaria y, la perforación del pozo exploratorio; La torre de perforación es una armazón muy recia, generalmente de unos 50 metros de alto, formada con barras de acero, su oficio primordial es el de subir y bajar el equipo de perforación; Esta torre tiene varias plataformas, una es su parte más alta, la otra es su parte media y una tercera reforzada cerca de su base, la cual se denomina piso de la torre.

La herramienta de perforación es semejante al berbiquí y la broca del carpintero, por la forma como trabajan; La broca de perforación, compuestas de uñas metálicas, se fija a una tubería, la cual a su vez se tornilla una barra cuadrada llamada Kelly, esta barra atraviesa el orificio cuadrado de un disco de acero (la mesa rotatoria) ubicado en el piso de la torre. Un motor hace girar la mesa rotatoria de tal manera que la barra también gira, y al hacerlo la broca perfora las capas terrestres. Cuando la broca ha alcanzado una profundidad de 8 a 10 metros se devuelve a la superficie con el objeto de agregar un tubo adicional entre la broca y el kelly.

Luego se introduce en el pozo y se continúa la perforación. La barra, el tubo y la broca constituyen la sarta de perforación, mientras la perforación esta en progreso se bombea por la sarta un lodo especial preparado con arcilla, agua y varios productos químicos; El lodo regresa a la superficie por el espacio anular entre la tubería de perforación y la pared del orificio perforado, arrastrando consigo los pedazos de rocas cortados por el taladro. Ya en la superficie, la corriente del lodo pasa a través de una criba con el objeto de retener los pedazos de rocas, y continúa hacia la bomba para ser utilizada nuevamente; Muestras de los pedazos de rocas se recogen para examinarlas, ya que indican la clase de formación que atraviesa el taladro. El lodo de perforación tiene también otras finalidades, tales como el enfriamiento de la broca y la formación de una especie de argamasa sobre las paredes del pozo la cual impide que éstas se derrumben.

A medida que la broca penetra en el subsuelo, un mayor número de secciones de tubo se agregan a la tubería de perforación; Para ello es necesario levantarla


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dentro de la torre para que el extremo superior de la tubería este sobre el nivel de la mesa rotatoria; Unos soportes especiales la sostienen mientras que se destornilla la barra y se agrega otra sección de tuberías. Se baja la sarta con este nuevo tubo y se sostiene con los soportes; luego se atornilla nuevamente la barra. La tubería de perforación baja por el orificio hasta que la barra pasa de nuevo a través de la mesa rotatoria. Arranca el motor que mueve la mesa y la perforación continua. Después de algún tiempo, la broca se desgasta y debe remplazarse por una nueva.

Para esto, toda la tubería de perforación tiene que sacarse a la superficie, desatornillarse en secciones de unos 30 metros a medida que va saliendo, y colocarse verticalmente en el piso de la torre; Después de cambiar la broca se atornilla la tubería y se baja de nuevo al pozo, sección por sección. Las paredes del pozo perforado tienen la tendencia a derrumbarse, a pesar de la capa protectora de lodo, especialmente en formaciones de arena o arcilla. Por tal razón, se coloca una tubería de revestimiento de acero para fortalecer las paredes; esto se hace al comienzo, cuando el pozo ha alcanzado poca profundidad; de nuevo, cuando el pozo llega a su final, y algunas veces también en su parte media.

La velocidad a la cual se perfora un pozo petrolero varía de acuerdo con la dureza de la roca; Algunas veces la broca puede cortar hasta unos 60 metros por hora; pero si se atraviesa una capa de roca muy dura, el progreso es mucho más lento y puede llegar a ser de solo 35 cm. por hora. La perforación continúa hasta que se encuentre petróleo, o se abandone toda esperanza de encontrarlo. La profundidad de los pozos varía entre 1.000 y 3.500 metros.

PRODUCCIÓN: La producción o explotación del petróleo se hace de acuerdo con las características propias de cada yacimiento; Para poner un pozo a producir se baja una especie de cañón y se perfora la tubería de revestimiento a la profundidad de las formaciones donde se encuentra el yacimiento. El petróleo fluye por esos orificios hacia el pozo y se extrae mediante una tubería llamada “tubing” o “tubería de producción”. Si el yacimiento tiene energía propia, generada por la presión y por los elementos que la acompañan al petróleo (por ejemplo gas y agua), este saldrá por sí solo. En este caso se instala en la cabeza del pozo un equipo llamado “Árbol de Navidad”, que consta con un conjunto de válvulas para regular el paso del petróleo.

Si no existe esta presión, se emplean otros métodos de extracción. El más común ha sido el “Balancín” o “Machín”, el cual, mediante un permanente balanceo, acciona una bomba en el fondo del pozo que succiona el petróleo hacia la superficie; El petróleo extraído generalmente viene acompañado de sedimentos, agua y gas natural, por la que deben construirse previamente las facilidades de producción, separación y almacenamiento. Una vez separado se esos elementos, el petróleo se envía a los tanques de almacenamiento y a los oleoductos que lo trasportan hacia las refinerías o hacia los puertos de explotación.


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EL TRANSPORTE DEL PETRÓLEO: El crudo que fluye debe realizar viajes largos y antes de ser utilizado debe transportares a la refinería para su transformación en productos de petróleo, estos productos deben distribuirse a los consumidores. En los primeros años, el crudo se empacaba en barriles, hoy en día se utilizan medios como los oleoductos para el transporte terrestre y los buques-tanques para el transporte marítimo. Un oleoducto es simplemente una larga tubería de un diámetro hasta de 70 centímetros, y se extiende por kilómetros o cientos de kilómetros sobre la tierra hasta llegar a la refinería, está construido en largas secciones soldadas que se pintan o cubren con materiales protectores para evitar el deterioro. La instalación de tuberías es una tarea ingeniera generalmente en zonas selváticas.

También se presenta el problema de cruce de ríos y paso por montañas o selvas densas, la instalación de los oleoductos es bastante costosa; El petróleo crudo se recolecta en tanques centrales de almacenamiento, y de ahí se bombea a los buques-tanques son barcos de carga especialmente para el transporte del petróleo o sus productos; Los oleoductos y los buques-tanques se utilizan para el transporte en volumen y a largas distancias, pero cuando ellos deben ser enviados a los principales centros distribuidores o estaciones de servicio, se usan envases. Así, por muchas rutas y métodos, los productos del petróleo llegan al consumidor, quien los utiliza para su transporte, su bienestar y su placer en tierras a menudo muy apartadas de los campos petroleros donde el aceite inicio su viaje.

REFINO Y OBTENCIÓN DE PRODUCTOS

fuente:www.bilirrubina.com/.../familia_del_petroleo.jpg

El petróleo, tal como se extrae del yacimiento, no tiene aplicación práctica alguna. Por ello, se hace necesario separarlo en diferentes fracciones que si son de utilidad. Este proceso se realiza en las refinerías. Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo crudo en productos útiles para las personas, el conjunto de operaciones que se realizan en las refinerías para conseguir estos productos son denominados procesos de refino.

La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases


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ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuelóleo y asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil y los aceites lubricantes; El petróleo bruto contiene todos estos productos en potencia porque está compuesto casi exclusivamente de hidrocarburos, cuyos dos elementos son el carbón y el hidrogeno. Ambos elementos al combinarse entre sí pueden formar infinita variedad de moléculas y cadenas de moléculas.

PROCESOS DE REFINO: Los procesos de refino dentro de una refinería se pueden clasificar, por orden de realización y de forma general, en destilación, conversión y tratamiento; Antes de comenzar este proceso se realiza un análisis de laboratorio del petróleo, puesto que no todos los petróleos son iguales, ni de todos se pueden extraer las mismas sustancias; A continuación se realizan una serie de refinados piloto donde se experimentan a pequeña escala todas las operaciones de refino. Una vez comprobados los pasos a realizar, se inicia el proceso. Destilación: Es la operación fundamental para el refino del petróleo, su objetivo es conseguir, mediante calor, separar los diversos componentes del crudo; Cuando el crudo llega a la refinería es sometido a un proceso denominado destilación fraccionada. En este, el petróleo calentado es alimentado a una columna, llamado también torre de fraccionamiento o de destilación.

El petróleo pasa primero por un calentador que alcanza una temperatura de 370ºC y posteriormente es introducido en una torre, donde comienza a circular y a evaporarse; De esta forma se separan los productos ligeros y los residuos, los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes. Las fracciones más ligeras del crudo, como son los gases y la nafta, ascienden hasta la parte superior de la torre. A medida que descendemos, nos encontramos con los productos más pesados: el queroseno, gasoil ligero, gasoil pesado. En último lugar, se encuentra el residuo de fuelóleo atmosférico. La destilación es continua, el crudo calentado entra en la torre y las fracciones separadas salen a los diferentes niveles; Esta operación, no obstante, solo suministra productos en bruto que deberán ser mejorados (convertidos) para su comercialización, dado que los procesos de destilación no rinden productos en la cantidad ni calidad demandas por el mercado; En cuanto a la cantidad, las fracciones obtenidas deben estar distribuidas de forma que puedan hacer frente a las necesidades de las distintas épocas del año, en invierno, las necesidades de gasóleos y fuelóleos para calefacción serán superiores a las del verano, donde prima la producción de gasolinas.

Con respecto a la calidad, las gasolinas que provienen directamente de la destilación, no responden a las exigencias de los motores, particularmente en lo que se refiere a su índice de octanos.


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Conversión: Para hacer más rentable el proceso de refino y adecuar la producción a la demanda, es necesario transformar los productos, utilizando técnicas de conversión. Los principales procedimientos de conversión son el cracking y el reformado; Los procedimientos de cracking o craqueo consisten en un ruptura molecular y se pueden realizar, en general, con dos técnicas: el craqueo térmico, que rompe las moléculas mediante calor, o el craqueo catalítico, que realiza la misma operación mediante un catalizador, que es una sustancia que causa cambios químicos sin que ella misma sufra modificaciones en el proceso.

Tratamiento: En general, los productos obtenidos en los procesos anteriores no se pueden considerar productos finales, antes de su comercialización deben ser sometidos a diferentes tratamientos para eliminar o transformar los compuestos no deseados que llevan consigo; Estos compuestos son, principalmente, derivados del azufre. Con este último proceso, las refinerías obtienen productos que cumplen con las normas y especificaciones del mercado; El proceso de craqueo catalítico, antes mencionado, permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante la alquilación, la isomerización o reformación catalítica para fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados.

La fabricación de estos productos ha dado origen a una gigantesca industria petroquímica que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes, materias primas para fabricar medicinas, nailon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes, así como otros componentes para la producción de abonos. Las plantas de tratamiento más usuales son: MTBE, para mejorar la calidad de la gasolina, alquilación, para reducir los derivados de plomo, e isomerización, para obtener productos de alto índice de octano que son utilizados para las gasolinas.


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PORCENTAJES DE LOS DISTINTOS PRODUCTOS REFINADOS: En 1920, un barril de crudo, que contiene 159 litros, producía 41,5 litros de gasolina, 20 litros de queroseno, 77 litros de gasoil y destilados y 20 litros de destilados más pesados; Hoy un barril de crudo produce 79,5 litros de gasolina, 11,5 de combustible para reactores, 34 litros de gasoil y destilados, 15 litros de lubricantes y 11,5 litros de residuos más pesados.

DISTRIBUCION DE LOS PRODUCTOS DERIVADOS DEL PETROLEO: Los productos derivados del petróleo alimentan no solo a otras industrias, sino, sobre todo, a los consumidores industriales o privados; Al principio resultaba más económico situar las refinerías junto a las explotaciones petrolíferas, mientras que ahora, los progresos realizados en la técnica de los oleoductos han dado lugar a una evolución que conduce a instalar las refinerías cerca de los grandes centros de consumo. Una vez obtenidos los derivados petrolíferos, las empresas deben distribuir sus productos a los clientes; En general, estos productos salen de las refinerías a granel, aunque algunos se envasan en latas o bidones, listos para su uso. Los grandes consumidores, como las eléctricas o las industrias químicas, reciben el suministro directamente de la refinería, por oleoducto o por carretera, los consumidores de menos cantidades son abastecidos, generalmente, desde centros de almacenamiento y distribución.

Aunque los derivados del petróleo forman una gama muy variada, el 90% de ellos se destinan a satisfacer las necesidades energéticas del mundo. Es decir, estamos hablando de los combustibles.

Principales productos derivados del petróleo

Gases del petróleo (butano, propano) Gasolinas para automóviles (sin plomo, de 98 octanos) Combustibles para aviones (alto octanaje, querosenos) Gasóleos (para automóviles, para calefacción) Fuelóleos (combustible para buques, para la industria) Otros derivados Aceites (lubricantes, grasas)


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Asfaltos (para carreteras, pistas deportivas) Aditivos (para mejorar combustibles líquidos y lubricantes)

ALMACENAMIENTO: Para evitar cortes o problemas en el proceso de suministro

de petróleo y con el fin de asegurar un abastecimiento abundante y regular de las

industrias y de los consumidores, son necesarias grandes instalaciones de

almacenamiento o depósito, bien sea en los terminales, en los puertos o en las

mismas refinerías; El almacenamiento debe quedar asegurado en cada etapa del

camino recorrido por el petróleo, desde el pozo de extracción hasta el surtidor de

gasolina o la caldera.

PETROQUÍMICA: TRANSFORMACIÓN DE PRODUCTOS DERIVADOS: Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas cadenas productivas que acaban en una amplia gama de productos denominados petroquímicos, que después se utilizan en las industrias de fertilizantes, plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras. La conversión de hidrocarburos en productos químicos se llama petroquímica y es una de las piedras angulares de la industria y la tecnología actual; Esta industria ha hecho posible muchos de los productos que hoy se consideran normales y necesarios, como las computadoras, tejidos, juguetes irrompibles.

La utilización del petróleo y el gas natural como fuentes de productos petroquímicos ha sido posible gracias al desarrollo de técnicas de transformación de su estructura molecular; El crecimiento de la demanda de los productos petroquímicos se ha debido al desplazamiento de las materias primas tradicionales por las nuevas materias sintéticas: Industria textil: Fibras sintéticas que suplen a la lana y el algodón. Industria del caucho: nuevos productos con iguales propiedades y a veces superiores a las del caucho natural. Industria de envases y embalajes: el polietileno como alternativa al cristal y al celofán, plásticos para la construcción, por su gran resistencia a la corrosión y a las inclemencias del tiempo, por su ligereza y flexibilidad. ETAPAS DEL DESARROLLO PETROQUIMICO:

1.- Fabricación de materias de base o productos de primera generación. Partiendo del petróleo y del gas natural, se obtienen diversos productos básicos que son los pilares de la petroquímica. Los dos grupos más importantes son las olefinas y los aromáticos.

2.- Introducción de átomos de ciertos componentes (oxigeno, nitrógeno y azufre) en los productos básicos, para obtener productos de segunda generación (productos intermedios).


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3.- Elaboración de productos de consumo. Conjugando los productos básicos e intermedios, su diversidad es asombrosa y alcanza una casi infinita variedad de productos habituales de consumo (fibras, cauchos, plásticos, detergentes, pinturas, barnices, abonos, anticongelantes, perfumes, explosivos, aislantes, alimentos, etc.).

Materias de Base: Las principales materias de base o cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno, propileno y butenos) y la de los aromáticos; Para obtener estas materias la industria petroquímica utiliza los procedimientos del cracking o desdoblamiento de moléculas pesadas en moléculas más ligeras, y el reformado o modificación de la estructura molecular del hidrocarburo. - Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de polietileno, cloruro de vinilo, compuestos clorados, óxidos de etileno, monómeros de estireno entre otros que tienen aplicación en plásticos, recubrimientos, moldes, etc. - Del propileno se producen compuestos como alcohol isopropilico, polipropileno y acrilonitrilo, que tienen gran aplicación en la industria de solventes, pinturas y fibras sintéticas. Por deshidrogenación de butenos, o como subproducto del proceso de fabricación de etileno se obtiene el 1.3-butadieno que es una materia prima fundamental en la industria de los elastómeros, para la fabricación de llantas, sellos, etc. - Una cadena fundamental en la industria petroquímica se basa en los aromáticos (benceno, tolueno y xilenos); El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del nylon; así como del cumeno para la producción industrial de acetona y fenol. Los xilenos son el inicio de diversas cadenas petroquímicas, principalmente las de las fibras sintéticas. PRODUCTOS TERMINADOS: La inmensa variedad de productos terminados de la Petroquímica puede clasificarse en cinco grupos: Los plásticos. Las fibras sintéticas. Los cauchos sintéticos o elastómeros. Los detergentes Los abonos nitrogenados

Plásticos: El nombre común de plásticos se debe a la propiedad que tienen de ser deformables por plasticidad (frente a la elasticidad), bajo la influencia del calor, la presión o de ambos a la vez; Este término abarca productos que difieren entre sí por su estructura química, sus propiedades físicas, sus aplicaciones prácticas y sus procesos de fabricación.

Hay tres grandes familias de plásticos: los termoplásticos, los termoendurecibles y los poliuretanos.


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Termoplásticos: son aproximadamente el 50% del consumo de plásticos del mundo como películas fotográficas, bolsas, papel de envasar, tuberías, canalizaciones, construcción en general, embalajes, muebles, juguetes, aislamientos, electrónica, PVCs para revestimientos, tuberías, válvulas, flores artificiales, botas, etc.

Termoendurecibles: Aislamientos eléctricos, paneles decorativos, utensilios domésticos, etc.

Poliuretanos: productos con apariencia de vidrio, espumas extraligeras... Fibras Sintéticas: Las fibras sintéticas se obtienen por hilado de sustancias fundidas, la primera que se comercializo fue el nylon, en 1938. Desde entonces, el aumento de la demanda no ha dejado de crecer; Por su volumen, representan la segunda materia en importancia de la Petroquímica, tras los plásticos. Algunas de estas fibras son:

Poliamidas: usadas en lencería fina, alfombras, cortinas, trajes de bajo, recubrimiento interior de neumáticos, etc. Poliéster: en Trajes, corbatas, impermeables, visillos, alfombras, etc. Acrílicas: estas sustituyen a la lana: ovillos y moquetas, entre otros usos. Caucho sintético y elastómeros: Es el suministrador principal de la industria del automóvil, en un elemento tan fundamental como los neumáticos. También se emplean, en algunas de sus variedades, para los calzados y para la construcción de recubrimientos de terrazas y tejados. Detergentes: Son productos solubles en el agua, cuya propiedad fundamental consiste en poder modificar la tensión superficial de los líquidos en los que se encuentra, disminuyendo o eliminando la suciedad contenida en ellos; Sus usos principales están centrados en el hogar, en forma de polvos, escamas o líquidos que sirven para lavar la ropa y la vajilla. Para suprimir sus efectos contaminantes en las aguas residuales, los detergentes se fabrican ahora a base de productos biodegradables, que son rápidamente destruidos por los microorganismos que viven en los ríos. Abonos: En la agricultura, que hasta hace poco solo utilizaba el estiércol natural, ha sufrido una gran revolución gracias a la química; El acido sulfúrico, los fosfatos y la síntesis del amoniaco, han puesto en circulación una gama muy amplia de abonos químicos que mejoran el rendimiento de la agricultura. La petroquímica, mediante el suministro de hidrogeno a bajo precio para la producción de amoniaco, contribuye a promover el empleo masivo del nitrógeno asimilable en sus tres variantes: nitratos, sulfatos y urea y la infinidad de abonos complejos. Además, la petroquímica proporciona a la agricultura productos fitosanitarios tales como herbicidas, fungicidas e insecticidas.


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Lección 29. EL GAS NATURAL

Gases licuados del petróleo: El proceso del refino del crudo de petróleo proporciona, entre otros muchos productos (gasolinas, gasóleos, aceites, etc.), los denominados gases licuados del petróleo, entre los que destacan el butano y el propano por su importancia en el consumo industrial y, sobre todo, doméstico. También hay gases licuados que se extraen del propio yacimiento en forma de gas y que han de ser tratados en una planta de licuefacción para convertirlos en productos líquidos; Una vez líquido, este gas es transportado, generalmente, en buques que los trasladan a los mercados de consumo, donde se realiza la operación inversa: nueva gasificación, para su consumo en la industria y en los hogares en forma de gas natural.

Los gases licuados son extraídos de los hidrocarburos del crudo que tienen las moléculas más pequeñas y más ligeras; Esto se produce durante el proceso de destilación, la primera de las etapas del refino del petróleo.

El gas natural que se obtiene principalmente en baterías de separaciones está constituido por metano con proporciones variables de otros hidrocarburos (etano, propano, butanos, pentanos y gasolina natural) y de contaminantes diversos.

Su procesamiento consiste principalmente en:

- La eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) mediante el uso de las tecnologías adecuadas. El gas alimentado se denomina amargo, el producto gas dulce y el proceso se conoce generalmente como endulzamiento.

- La recuperación de etano e hidrocarburos licuables, previo proceso de deshidratación para evitar la formación de sólidos.

- Recuperación del azufre de los gases ácidos que se generan durante el proceso de endulzamiento.

- Fraccionamiento de los hidrocarburos líquidos recuperados, obteniendo etano, propano, butanos y gasolina; en ocasiones también resulta conveniente separar el isobutano del n-butano para usos muy específicos.

Gas Natural: Aunque como gases naturales pueden clasificarse todos los que se encuentran de forma natural en la Tierra, desde los constituyentes del aire hasta las emanaciones gaseosas de los volcanes, el término gas natural se aplica hoy en sentido estricto a las mezclas de gases combustibles, hidrocarburados o no, que se encuentran en el subsuelo donde, en ocasiones, se hallen asociados con petróleo líquido.

El principal constituyente del gas natural es siempre el metano, que representa habitualmente entre el 75% y el 95% del volumen total de la mezcla, razón por la


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cual se suele llamar metano al gas natural. Los otros hidrocarburos gaseosos que suelen estar presentes, etano, butano y propano, aparecen siempre en proporciones menores; Constituyentes distintos a los hidrocarburos, los más importantes suelen ser el nitrógeno, el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrogeno, el helio y el argón.

El gas natural puede ser húmedo si contiene hidrocarburos líquidos en suspensión o seco si no los contiene; El uso de combustibles gaseosos, para iluminación y fines domésticos, ha sido muy general desde la mitad del siglo XIX. Sin embargo, apenas se utilizaba en la industria debido a la abundancia de combustibles sólidos y líquidos disponibles y a la dificultad que presentaba el transporte y almacenamiento de los combustibles gaseosos.

Uso del Gas Natural: El desarrollo del empleo del gas natural se ha realizado con posterioridad al uso del petróleo; El gas natural, que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos, se quemaba a la salida del pozo como un residuo más. Únicamente en EE. UU, y siempre en lugares muy próximos a zonas petrolíferas, se utilizaba como combustible doméstico por su gran poder calorífico (9.000-12.000 Kcal/m3).

La necesidad de nuevas fuentes hizo descubrir nuevos yacimientos que poseían enormes reservas de gas natural acompañadas de pequeñas cantidades de petróleo. Pero seguía existiendo el problema de su almacenamiento y transporte. La solución a ambos problemas llega al poner a punto unas técnicas destinadas a la licuefacción de los gases y procedimientos para producir y soldar tuberías capaces de resistir altas presiones; En la licuefacción, el gas natural se somete a unas temperaturas muy bajas, próxima a 160ºC bajo cero, a las cuales el gas se comprime hasta transformarse en líquido. En este estado se introduce en grandes depósitos de forma esférica capaces de soportar la alta presión que se origina cuando el gas vuelve a su temperatura ambiente.

El problema del transporte queda resuelto mediante la creación de la cadena del gas natural licuado (GNL). De forma esquemática, la cadena del GNL consta de las siguientes fases: 1. Transporte del gas desde los yacimientos hasta la costa, por medio del gasoducto. 2. Licuación del gas natural. 3. Transporte marítimo del GNL en buques metaneros. 4. Recepción del GNL en las instalaciones portuarias del país importador y regasificación inmediata, seguida de distribución comercial por tubería. Aprovechamiento del Gas Natural: El gas natural se utiliza como combustible y como materia prima en la industria petroquímica; Como combustible se emplea por su gran poder calorífico, por ser su combustión fácilmente regulable y por ser limpia y producir escasa contaminación. Como materia prima es la más adecuada para la fabricación de amoniaco producto base de toda la industria de


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abonos nitrogenados y también del metanol producto que se utiliza en la fabricación de plásticos y proteínas sintéticas. A partir del gas natural se obtienen materias primas de base en la industria petroquímica (etileno, butadieno y propileno). Comercialización del Gas Natural: Es una de las energías primarias de utilización más reciente, puesto que hasta la segunda década del siglo XX no comenzó su comercialización en los Estados Unidos, país pionero en su producción y consumo, no extendiéndose su empleo a Europa Occidental hasta después de la Segunda Guerra Mundial. La demora en la utilización comercial del gas natural respecto al petróleo se explica básicamente por la existencia de importantes problemas técnicos en su transporte y distribución, que frenaron su empleo hasta bien entrado el siglo actual; Europa, por el contrario, permaneció totalmente al margen del empleo del gas natural hasta la segunda mitad de siglo. Varias causas explican este retraso, en primer lugar, la carencia de producción propia, que se mantiene hasta la segunda posguerra; en segundo lugar, la imposibilidad del transporte intercontinental del gas por medios marítimos; en tercer lugar, porque el papel del gas natural en el consumo doméstico y en otros usos comerciales lo desempeñara durante casi cien años, el gas manufacturado obtenido de la destilación de carbones, en general abundantes en casi todos los países europeos; La importancia que adquiere el petróleo a partir de la Segunda Guerra Mundial propiciara una gran oleada de prospecciones en suelo europeo, con resultados mucho más brillantes en lo que se refiere al descubrimiento de bolsas de gas que en lo relativo a crudos de petróleo.

En Colombia el consumo de gas natural se ha masificado desde la aprobación en 1986 del programa "Gas para el Cambio", se dio inicio al proceso de masificación del gas natural en el interior del país, con énfasis en Bogotá y Soacha, para solucionar los graves problemas que presentaba la ciudadanía con el uso del "cocinol" y al mismo tiempo, ofrecerle una canasta energética más diversificada, menos costosa y ambientalmente favorable.

Con el "Plan de gas" aprobado por el CONPES en 1991 se impulsó nuevamente el programa a nivel nacional, no sólo para culminar el proceso de masificación en la Costa Atlántica sino para hacerlo una realidad en el interior del país. Los descubrimientos de Cusiana y Cupiagua en el Piedemonte Llanero y la construcción del sistema de gasoductos troncales contemplados en el plan, básicamente el de Ballena-Barranca, Mariquita -Cali y Centro Oriente, han despejado el panorama de abastecimiento de gas natural para el interior del país y han afianzado la prestación de este servicio.


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En el caso de Bogotá, el desarrollo del gas natural ha permitido no sólo llegar a más de 1’500.000 viviendas sino también que más de 92 mil personas conviertan sus vehículos a gas natural vehicular logrando obtener un ahorro económico entre el 40 y 50 por ciento en el precio del combustible, y un mejoramiento real en la calidad del aire de la ciudad. Hoy se cuenta con una completa red de talleres de conversión y más de 140 estaciones de servicio.

Así mismo, más de 25.000 comercios entre restaurantes, tintorerías, lavanderías, hoteles y panaderías, utilizan el gas natural como combustible. Lo mismo que cerca de 800 industrias, las más grandes empresas de Colombia, lo utilicen en sus procesos de producción.

TALLER.


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CAPITULO 7. DISTRIBUCION DE PLANTA Y ANALISIS FINANCIERO BASICO.

Este capítulo concluirá el curso de procesos químicos entregando al estudiante desarrollos básicos para distribuir su planta con base en los equipo de operaciones unitarias necesarios y de apoyo, también se tendrá una visión financiera preliminar para determinar, si el producto tiene una viabilidad o no de producción en el área de influencia del mismo y mirar así una proyección emprendedora del profesional en ingeniería.

Lección 30. Proyección financiera de un proceso químico.

Todo proceso productivo o químico requiere instalaciones productivas, por lo tanto al diseñar el proceso o producto se deberá describir el modo en que éstas se obtendrán y cómo será reclutado el personal de producción. Por ejemplo el flujo o diagrama de proceso puede ayudar al diseñador a comprender la forma en que se operará.

Los supuestos que se establecen en esta proyección servirán de base para las proyecciones de egresos en el flujo de fondos (que se incluye en el análisis financiero). Para que la información sea lo más exacta posible, resulta conveniente pedir presupuestos a posibles proveedores; Uno de los factores más decisivos para el éxito de la estrategia de producción es la administración de los tiempos y áreas. Es necesario coordinar los tiempos de producción para adecuarse a la demanda; Para ello se hace imprescindible una programación de atrás para adelante, mediante la cual la proyección de ventas gobierna sobre el proceso de producción y determina las cantidades a producir, los insumos a comprar y los productos terminados a almacenar.

Es importante obtener un análisis de los proveedores de insumos para la producción; Seguramente la calidad de los productos será un factor de éxito del producto y dependerá en gran medida de la calidad de los insumos. En caso de procesos industriales donde la maquinaria es un factor clave de éxito, es recomendable presentar una breve descripción de los equipos y su funcionalidad.

Por lo anterior, se deben proporcionar evidencias de que se ha planificado cuidadosamente, y que se han contemplado los problemas que involucra poner en marcha el proyecto en cuestión y mantenerlo en funcionamiento. La enumeración de los principales aspectos a resolver y una propuesta de solución para cada uno de ellos ayuda a demostrar la factibilidad del proyecto de producción.

Algunos aspectos que deben ser considerados son los siguientes:

Ensayo e investigación: ¿Se probó el producto/servicio? ¿Cuándo? ¿Cómo? ¿Funciona correctamente? ¿Se conocen otras experiencias similares?)


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Ubicación: ¿Cómo se decidió o decidirá? ¿Cómo se hará para estar cerca de los clientes y de los proveedores?

Escalas de producción: ¿Es posible responder a las ventas previstas con la escala seleccionada? ¿Existen posibilidades de ampliación/reducción de la capacidad?

Proyectos complementarios: ¿Es necesario desarrollar proyectos complementarios para poner en marcha el proyecto en cuestión? ¿Es posible hacerlo? ¿Quién lo hará? ¿Cómo lo hará? ¿Cuándo lo hará?

Tecnología: ¿Cómo se obtendrá la tecnología necesaria para el desarrollo? ¿Ya fue probada? ¿Cómo se adecuará el proyecto a los avances tecnológicos?

Personal: ¿Hay en el mercado personal calificado para las funciones que se requieren? Y si no es así, ¿cómo se capacitará al plantel?

Materias primas: ¿Es constante el abastecimiento? ¿Está sujeto a cambios en el mercado? ¿Existen proveedores alternativos a los seleccionados?

Según los interrogantes anteriores es muy necesario mostrar cuáles son los recursos (técnicos, humanos, económicos, etc.) necesarios para poner en marcha el proyecto y dónde y cómo se obtendrán, especificando las necesidades de inversión.

Los rubros que deben describirse dependen de las particularidades de cada proyecto, pero algunos de los que normalmente forman parte de cualquier proyecto son:

Inmuebles Selección y contratación de personal Instalaciones Maquinarias Inscripciones, registros y licencias Capacitación y entrenamiento Mercaderías Investigaciones de mercado Publicidad y promoción Capital de trabajo

Este último punto es fundamental: el capital de trabajo es el que necesitará la empresa para mantenerse en funcionamiento hasta comenzar a generar ingresos y para cubrir las brechas temporales entre los pagos y las cobranzas; A una descripción general de qué es cada rubro y cómo se satisfará (compra, alquiler, contratación de especialistas, etc.) debe agregar cuál será la cantidad total de dinero o monto de la inversión inicial que se necesitará y cuál será el origen del mismo.


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Las alternativas básicas de financiamiento son el capital ajeno, obtenido a través de préstamos o inversión, y el capital propio de las personas o empresas que realizan el proyecto

Factibilidad económica. Como se puede observar con lo anteriormente descrito sin ganancias, las empresas no sobreviven, lo que hace necesario mostrar que el proyecto presentado es factible económicamente y sobrevivirá. Lo que significa que la inversión que debe realizarse está justificada por la ganancia que generará.

En términos sencillos, la rentabilidad de un proyecto estará determinada por la diferencia entre lo que se compra y lo que se vende, después de descontar todos los gastos que demandan los procesos internos de la empresa; Para calcular la ganancia que se estima para el proyecto, es necesario trabajar con un esquema que contemple los grandes números: costos y ventas.

Ventas. En este punto, el precio del producto/servicio juega un papel fundamental, ya que es determinante del volumen de ventas, por lo que debe explicarse brevemente cómo se le ha definido. El plan debe mostrar estimaciones de ventas (en unidades y en dinero) para un período de al menos un año, justificando cómo se han calculado (investigaciones de mercado, negocios similares, opiniones de especialistas, etc.). Es importante explicitar cómo evolucionarán las ventas del producto/servicio a lo largo del tiempo y por qué (venta regular, estacional u ocasional).

Costos. Debe presentarse la estructura de costos para el funcionamiento del proyecto analizando los costos fijos y variables; Los costos variables son aquellos que guardan una relación directamente proporcional con el nivel de producción; como materia prima, mano de obra directa, fuerza motriz, comisiones, impuestos a la facturación, etc. Se consideran costos fijos, también llamados gastos de estructura, todos los que se mantienen invariables o se modifican solo como consecuencia de cambios en la capacidad productiva de la empresa: costos de edificios, seguros, sueldos de supervisión, sueldos indirectos, gastos de mantenimiento, etc.

El objetivo del análisis de costos y ventas es poder armar un balance proyectado para el período que se está planificando, mostrando las ganancias o pérdidas que el negocio generará una vez puesto en marcha; Este balance debe permitir detectar en qué momento el negocio comenzará a dar ganancia.

El punto de equilibrio, es decir, la cantidad de productos/servicios que deben venderse para que la empresa no gane ni pierda dinero, es otro de los datos que vale la pena incluir en el plan, ya que permite visualizar el límite entre el área de pérdidas y el área de ganancias.

Otra información que puede incluirse es la contribución marginal: el precio de venta neto de un producto/servicio menos su costo variable. Si bien es cierto que


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la contribución marginal no indica la rentabilidad de un producto, es un instrumento orientador para la toma de decisiones y la comprensión del negocio.

Factibilidad financiera. La base de esta es el flujo de fondos, que sintetiza numéricamente todos los aspectos desarrollados a lo largo de la estructura económica; Su preparación requiere la elaboración de una lista de todos los ingresos y egresos de fondos que se espera que produzca el proyecto en cuestión, y ordenarlos en forma cronológica. Una premisa a tener en cuenta es que solamente se deben incluir en el flujo de fondos aquellos ingresos y egresos que estén directamente asociados con el proyecto; es decir, aquellos que no existirían si el proyecto no se realizara. Este es un aspecto a considerar en los casos de proyectos que se implementan en empresas en marcha.

En otras palabras, el flujo de fondos de un proyecto está integrado por los ingresos y egresos incrementales que genera el proyecto. Por ejemplo, si se está analizando un proyecto de lanzamiento de un nuevo producto, los costos fijos de la planta manufacturera no se incluirán en el flujo de fondos del proyecto, ya que son costos en los que se incurriría independientemente de que se fabrique o no el nuevo producto. A este tipo de costos (los que existen independientes de la realización del proyecto) se les denomina costos hundidos y no se les incorporará al flujo de fondos.

Otra premisa fundamental en la elaboración del flujo de fondos es que se utiliza el criterio de lo percibido para incluir ingresos o egresos que efectivamente se producirán y no se contemplan los conceptos devengados. Dicho en otras palabras, a diferencia de lo que sucede en el balance proyectado, se tienen en cuenta solo los billetes que ingresen o egresen de la caja, y nada más que eso.

El horizonte de planeamiento es el lapso durante el cual el proyecto tendrá vigencia y para el cual se construye el flujo de fondos. La determinación del horizonte de planeamiento de un proyecto indica su comienzo y finalización. De ahí en más se supone que los flujos de fondos son marginales y carecen de importancia para la evaluación del proyecto.

Debe presentarse además un análisis del flujo de fondos realizado con una serie de herramientas financieras o criterios de evaluación de los proyectos de inversión. Algunos indicadores financieros que no deben dejar de incluirse en el plan de negocios son los siguientes:

Período de recuperación (payback) Valor actual neto (VAN) Tasa interna de retorno (TIR)

Período de recuperación: También denominado payback, paycash, payout o payoff, indica el tiempo que la empresa tardará en recuperar la inversión, con la ganancia que genera el negocio. Es una cantidad de meses o años.


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Puede calcularse en forma simple, sumando los resultados netos al monto de la inversión inicial, hasta llegar a cero. En este caso no se estaría considerando el "valor tiempo del dinero", por lo que, si el plazo analizado es extenso, se produce una distorsión de valores (se comparan valores de pesos de un momento con pesos de 12, 24 o 36 meses después). Por esto, también es útil calcular el período de repago compuesto en el que se incorpora una tasa al flujo de fondos que refleja las diferencias temporales.

Valor Actual Neto (VAN). Es el valor de la inversión en el momento cero, descontados todos sus ingresos y egresos a una determinada tasa, que refleja las expectativas de retorno depositadas en el proyecto. Indica un monto en bolívares que representa la ganancia que se podría tomar por adelantado al comenzar un proyecto, considerando la "tasa de corte" establecida.

Uno de los puntos conflictivos en torno al VAN es la determinación de la tasa seleccionada y por qué. Esencialmente, hay cuatro opciones:

el interés del mercado la tasa de rentabilidad de la empresa una tasa cualquiera elegida por el inversor una tasa que refleje el costo de oportunidad

Tasa Interna de Retorno (TIR). Es la tasa de interés efectiva que da la inversión en el negocio en evaluación. Es la máxima tasa que es posible pagar por el financiamiento de un proyecto, ya que devolviendo un préstamo con esa tasa, con los ingresos generados, el proyecto no daría ganancia ni pérdida. La fórmula para calcular este indicador es algo compleja, pero con una calculadora financiera o una planilla de cálculo resulta muy simple de obtener: solo se necesita cargar los datos del flujo de fondos, y la fórmula financiera que ya está cargada se aplica con solo presionar enter.

Si el Proyecto productivo se está presentando para solicitar un préstamo, además de la información ya descrita, es fundamental incluir:

monto exacto de los fondos que se solicitan período por el que se pide el crédito qué uso específico se dará al préstamo (capital de trabajo, instalaciones,

equipamiento, etc.) un flujo de fondos con el repago del préstamo incluido para que quienes lo

evalúen puedan ver que el proyecto permite devolver el dinero.

Análisis de sensibilidad. En todo proyecto se trabaja con algunos factores sobre los que se tiene poder de decisión (variables controlables), y otros sobre los que solo se pueden realizar estimaciones (variables no controlables).

Algunas de las variables controlables incorporadas al plan son:


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Precio Producto Logística Promoción

Las principales variables no controlables en un proyecto son:

Competencia Consumidores Entorno económico, político, legal, etc.

El flujo de fondos refleja, en consecuencia, una cantidad de supuestos sobre el comportamiento de las variables. El análisis de sensibilidad es una técnica que permite evaluar el impacto de las modificaciones de los valores de las variables más importantes sobre los beneficios y, consecuentemente, sobre la tasa de retorno.

Los resultados de este tipo de análisis suelen incluirse en la proyección, ya que, saber cuáles son las variables más sensibles, es decir, las que más afectan los resultados del proyecto en caso de modificarse, es útil para tomar decisiones.

Preguntas guía: Esta parte de la proyección se puede apoyar en las siguientes preguntas:

¿Qué recursos (físicos, económicos, humanos, tecnológicos, etc.) se necesitan para emprender este proyecto? ¿Dónde y cómo se obtendrán?

¿Cuáles son los desembolsos necesarios para poner en marcha el proyecto? ¿Cómo se financiarán?

¿Cuál es el monto de la inversión inicial?

¿Se ha hecho un estudio que garantice que el proyecto es viable técnicamente?

¿Cuáles son los principales problemas a solucionar durante la puesta en marcha y una vez que el proyecto esté funcionando?

¿Cuáles son y cómo se han establecido los precios de los productos/servicios?

¿Cuáles son los costos fijos que deberán afrontarse?

¿Cuáles son los costos variables del proyecto?

¿Cuál es el punto de equilibrio, o sea, el punto en el que la empresa no ganaría ni perdería?


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¿En qué momento el proyecto comenzará a generar ganancias?

¿Cómo se distribuyen los ingresos y egresos a lo largo del tiempo?

¿Qué señalan los indicadores financieros? ¿Cuál es el período de recuperación de la inversión? ¿Cuál es la tasa interna de retorno (TIR)? ¿Cuál es el valor actual neto (VAN) del proyecto?

¿Cómo se modifican los resultados al variar los principales supuestos sobre los que se basa el flujo de fondos?

AUTOEVALUACION UNIDAD 2.


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