Post on 07-Dec-2015
description
Profesor Principal: Dr. Luis E. Arteaga-Pérez (l.arteaga@udt.cl)*Ayudantes: Ing. Oscar Gómez, Ing. Yainé Beltrán
*Universidad de Concepción. Unidad de Desarrollo Tecnológico (http://www.udt.cl/bioenergia/)
Curso: Procesos Químicos y Térmicos
Tema I: Introducción a las operaciones unitarias. Generalidades
Sumario1. Introducción
1.1 Review de la Conferencia 1
2. Operaciones unitarias. Conceptos
2.1 Sistema, propiedad, estado y proceso
2.2 Clasificación de las operaciones unitarias
2.3 Caso de estudio: Destilación de crudo
3. Conceptos básicos para el diseño de operaciones
3.1 Magnitudes, Unidades y Dimensiones
3.2 Consistencia dimensional
4. Balances de masa y energía en unidades de proceso
4.1 Ley de conservación de la masa y la energía
4.2 Metodología para la solución de balances
4.3 Ejemplos
5. Literatura
6. Trabajo independiente (Guía 1)
Introducción
UTILIDADES
RECUP.TERMICA
SEPARACION
REACTOR
Conceptos Fundamentales
Sistema: “Conjunto íntegro de elementos ligados estrechamente que aparece como un todoúnico respecto a otro sistema. No existen en el universo objetos aislados unos de otros, todosestán interconectados. Esto es lo que se llama sistemas y subsistemas: un conjunto de elementosdiversos que poseen una estructura y cumplen determinada función”. Para su estudio, lossistemas se clasifican en:
Cerrado: no intercambia masa con el entorno Abierto: intercambia masa Aislado: no intercambia energía
Sistema Cerrado Sistema Abierto Sistema Aislado
Conceptos Fundamentales
Propiedad: Cualquier característica del sistema mensurable (presión, volumen, temperatura, etc.) ocalculable (densidad, contenido energético, etc.). La clasificación más común es en:
- Extensivas: su valor es aditivo. Dependen de la magnitud del sistema (masa, volumen, cantidad desustancia, entalpía específica, entropía específica, etc.)- Intensivas: su valor no es aditivo y no varía con la porción tomada para el análisis. Son generalmentemagnitudes relativas (temperatura, presión, densidad, volumen específico, etc.). Una propiedadextensiva puede ser convertida en intensiva, dividiéndola entre otra. Ej.: densidad = masa/volumen
Pueden utilizarse para caracterizar los estados en los sistemas.
Conceptos Fundamentales
Proceso: Cambio que opera un sistema entre dos o más estados. Se dice que el proceso es reversible si serealiza a través de estados de equilibrio termodinámico. Los procesos se clasifican además, de acuerdo a lavariación de las propiedades que los rigen: Isotérmico (T = cte), Isobárico (P = cte), Isocórico (V = cte),Adiabático (sin intercambio de calor) y Politrópico (ninguna propiedad se mantiene constante).
Estado 1
Estado 2
Ejemplos?
Producción de celulosa. Cuántos procesos y etapas?
Cosecha
Transporte
ChipeadoPulpa
Residuos
Industria
Conceptos Fundamentales
Aplicación al análisis de procesos: Ejemplo
1 2 3A B
C
D
E
F
Limite tres sistemas que permitan obtener información de la corriente D
Conceptos Fundamentales
Aplicación al análisis de procesos: Ejemplo
1 2 3A B
C
D
E
F
Limite tres sistemas que permitan obtener información de la corriente DCuántas entradas y salidas?
- Más adelante retomaremos estos conceptos y veremos su pertinencia para la cuantificación de parámetros de diseño en procesos
Clasificación de las operaciones UnitariasEn las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos,existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación semodifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posibleconsiderar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en unaserie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias soncomunes a todos los tipos de industrias de proceso.
Transporte de sólidos:
La misma función
Clasificación de las operaciones Unitarias
Concentración de soluciones: Evaporación
Clasificación de las operaciones Unitarias
Flujo de fluidos Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluidode un punto a otro.
Compresor Bomba
VentiladorBomba
Clasificación de las operaciones Unitarias
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.
Clasificación de las operaciones Unitarias
Evaporación
Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la
evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no
volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.
Clasificación de las operaciones Unitarias
Secado Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.
Secador spray (Biotecnología)
Secador de Bandejas(Alimentos/Madera)
Secador rotatorio(Biomasa)
Clasificación de las operaciones Unitarias
Destilación Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebulliciónbasada en las diferencias de presión de vapor (volatilidades relativas).
Destilación de crudo
Destilación de Etanol
EmpacadasPlatos
AzeotrópicaReactiva
Etc.
Clasificación de las operaciones Unitarias
Absorción En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido.
Deshidrodesulfurización de gass en refinerías
Absorbedor de Amoniaco
• Diferentes absorbentes (Aminas,Agua, Aceites)
• Ocurrencia de reacciones químicas
Clasificación de las operaciones Unitarias
Operaciones
Extracción L-L En este caso, el soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto conotro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución.
Adsorción En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado yadsorbido por un adsorbente sólido.
Lixiviación líquido-sólido Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelvey extrae un soluto contenido en el sólido.
Cristalización Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por precipitaciónde dicho soluto
Separaciones físico-mecánicas
Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales comofiltración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasificancomo operaciones unitarias individuales.
Buscar ejemplos…
Clasificación de las operaciones Unitarias
Operaciones fundamentales:
Transferencia de momento lineal (Mecánica de fluidos): Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.
Transferencia de calor: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor quepasa de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado,evaporación, destilación y otras.
Transferencia de masa: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, vaporación, destilación y otras.
Transferencia de calor
Mecánica o flujo de fluidos
Transferencia de masa
Clasificación de las operaciones Unitarias
Magnitudes, Unidades y Dimensiones
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
Las dimensiones son nuestros conceptos básicos de medición, como longitud, tiempo, masa,temperatura, etc. Las unidades son la forma de expresar las dimensiones, como metros o piespara la longitud, u horas o segundos para el tiempo.
Las reglas para manejar unidades son muy sencillas:
Manzanas Naranjas
Magnitudes, Unidades y Dimensiones
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
Magnitudes, Unidades y Dimensiones
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
Sistemas de Unidades
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
1. Sistema Internacional
2. Sistema Inglés (pls)
3. Sistema cgs
4. Personalizados
Para convertir de un sistema a otro se utilizan factores de conversión. El conceptoconsiste en multiplicar cualquier número y sus unidades por razones adimensionalesdenominadas factores con el fin de obtener la respuesta deseada y sus unidadescorrespondientes. Los factores se encuentran usualmente en libros de ingeniería.
Sistemas de Unidades
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
1. Sistema Internacional
2. Sistema Inglés (pls)
3. Sistema cgs
4. Personalizados
Para convertir de un sistema a otro se utilizan factores de conversión. El conceptoconsiste en multiplicar cualquier número y sus unidades por razones adimensionalesdenominadas factores con el fin de obtener la respuesta deseada y sus unidadescorrespondientes. Los factores se encuentran usualmente en libros de ingeniería.
Magnitudes y Análisis Dimensional
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
Sistemas de Magnitudes: Un Sistema de Magnitudes Físicas está definido por un grupo mínimo depropiedades fundamentales que lo caracterizan. Todas las demás propiedades serán derivadas de lasdesignadas como fundamentales. A continuación se listan una serie de sistemas con sus MF fundamentales,par que sirvan de base a la discusión.
Nota: Lo importante no es aprender de memoria los sistemas, sino entender la filosofía de creación de losmismos.
Sistema Magnitudes Físicas fundamentales
Absoluto L, T, M,
Gravitacional L, T, F,
Ingeniería L, T, F, M,
Energía 1 L, T, M, E,
Energía 2 L, T, F, E,
Energía 3 L, T, M, F, E,
L: Longitud F: FuerzaT: Tiempo E: EnergíaM: Masa : Temperatura
Magnitudes y Análisis Dimensional
Conceptos básicos para el diseño de Operaciones
Ejemplo: Demuestre la consistencia dimensional de la ecuación para determinar el período de un péndulo simple:
Siendo: T (Período), g (aceleración), l (longitud), 2π (adimensional)
Aplicando las dimensiones y sustituyendo: T = [T]g = LT-2
L = L
Guía de estudioTI: Consultar en texto básico las magnitudes de uso frecuente en ingeniería (Temperatura, concentración, Cantidad).
Diferencia entre peso y masa?
Leyes de conservación
Balances de masa en Unidades de proceso
ACUMULACION = ENTRADA - SALIDA + GENERACION – CONSUMO
La aplicación de este principio a un proceso permite conocer las características del mismo. Los términos ENTRADA y SALIDA se refieren a la interrelación entre el Sistema y sus Alrededores. En un sistema
representativo de una operación industrial constituyen las corrientes que atraviesan las frontera o límites delmismo.
La GENERACION y el CONSUMO se refieren a procesos donde ocurren reacciones químicas. La existencia de ACUMULACION implica un comportamiento en ESTADO NO ESTACIONARIO, donde las
propiedades que rigen el sistema varía con el tiempo, un sistema sin acumulación se encuentra en ESTADOESTACIONARIO.
Leyes de conservación
Balances de masa en Unidades de proceso
Masa (Acum.) = Masa (Ent.) – Masa (Sal) + Masa (Gener) – Masa (Cons)
BALANCE TOTAL: Analiza los elementos del principio general sin atender a la composición de losmismos. Para procesos con reacción química el planteamiento en unidades de cantidad desustancia no es recomendable, pues la misma no siempre aparece en igual proporción a amboslados de la reacción
BALANCE PARCIAL: Analiza uno sólo de los compuestos participantes o una especie química(elemento). El balance puede indistintamente plantearse en masa o cantidad de sustancia. Lostérminos que se toman como parcial pueden ser un compuesto o una especie química de acuerdoa los datos disponibles. Este compuesto se conoce como sustancia de unión o enlace y su balancetiene dos términos solamente.
Fracción molar = moles de un componente/moles de la mezclaFracción masa (peso) = masa (peso) de un componente/masa (peso) de la mezcla
Leyes de conservación
Balances de masa en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de masa en Unidades de procesoPrograma de análisis
La solución de un problema empleando Balances de Masa se puede facilitar siguiendo una metodología propia de lasolución de cualquier problema, pero particularizando algunos aspectos individuales de esta técnica:1. Realizar un estudio pormenorizado de los datos con que se cuenta concluyendo con el establecimiento de un
sistema para el análisis donde se incluyen diagramas de flujo, datos, incógnitas, etc.2. Establecer el sistema de ecuaciones formado por todas las ecuaciones posibles, teniendo presente los siguientes
aspectos: Nunca se pueden plantear como sistema todos los balances, es decir, el total y los parciales, pues la suma de estos
últimos coincide con el total y se anula el sistema. Se plantea entonces uno menos de los posibles. Es posible que al concluir el planteamiento de los balances quede un sistema con más incógnitas que ecuaciones,
esta situación puede tener diversas soluciones, entre ellas: Suponer una base de cálculo para tomarla como referencia de los cálculos, siempre que no se conozca ninguna de
las corrientes. Buscar otras correlaciones que no constituyen balances de masa. Utilizar sistemas complementarios que permitan el completamiento del modelo con ecuaciones no existentes en
el sistema primario.1. Resolver el sistema de ecuaciones. Existe la posibilidad de que el sistema no tenga solución de acuerdo a los datos
disponibles
Aplicación de Balances de masa en sistemas complejos
En esquemas tecnológicos complejos existen corrientes de DESVIOS, RECICLOS y PURGAS que complican losanálisis y entonces se hace necesario la elección de varios sistemas de trabajo simultáneamente, cuando sepresenta esta situación cada sistema se trata individualmente y después se integran para una solución final.Aquí los puntos de mezcla y separación se utilizan como sistemas al igual que el resto del equipamiento.
Leyes de conservación
Balances de masa en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de masa en Unidades de proceso
Trabajo independiente: En un proceso se produce KNO3, el evaporador se alimenta con 1000 kg/h de unasolución que contiene 20% de KNO3 de solidos en peso y se concentra a 422 K para obtener una solución deKNO3 al 50% de solidos en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311 K, donde se obtienencristales de KNO3 al 96% de solidos en peso. La solución saturada que contiene 37.5% de KNO3 de solidos enpeso se recircula al evaporador. Calcule la cantidad de corriente de recirculación R en kg/h y la corriente desalida de cristales P en lb/min.
Evaporador422 K
Cristalizador311 K
Alim. 1000 kg/h
20% KNO3
Recic. R kg/h
37.5% KNO3
Salida. S kg/h
50% KNO3
Agua. W kg/h
Cristales. P kg/h
4% H2O
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Energía (Acum.) = Energía (Ent.) – Energía (Sal) + Energía (Gener) – Energía(Cons)
Similar al principio de conservación de la masa:
ENERGIA
Acumulable1. Cinética (½m v2, ½ I w2, etc.). 2. Potencial (mgh, ½ k x2, etc.).3. Interna (u = cv dt)4. Entalpía (h = cp dt)
Transferible1. Trabajo W = P dV ó -V dP en sistemas cerrados o abiertos)2. Calor Q (depende del proceso)
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Primera Ley de la Termodinámica:
Es la manifestación del Principio de Conservación de la Energía y su aplicación a un sistema concreto se conoce como Balance de Energía
E = -(H + Ec + Ep + ...) +Q –W -Hr
Tips• La entalpía se utiliza cuando se trabaja con sistemas
abiertos, la energía interna en sistemas cerrados.• El calor se toma con signo positivo cuando es ganado por
el sistema.• El trabajo se toma positivo cuando lo realiza el sistema.• El calor de reacción se define para reacciones
exotérmicas, es desprendido por el sistema y por tanto, aparece negativo en la expresión.
• La letra “E” se utiliza para la energía acumulable en función del tiempo. Para procesos en estado estacionario su valor es nulo.
• El operador representa salida - entrada, por eso en la expresión aparece con signo negativo para las formas de energía acumulable.
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Primera Ley de la Termodinámica
Es la manifestación del Principio de Conservación de la Energía y su aplicación a un sistema concreto se conoce como Balance de Energía
E = -(H + Ec + Ep + ...) +Q –W -Hr
Aplicaciones del Balance de Energía
PROCESO EN ESTADO ESTACIONARIO: E = 0, Q – W = H +.....CALENTADOR, EVAPORADOR, CALDERA: Q = HTURBINA, COMPRESOR: W = -HREACTORES, HORNOS: Q = Hr
Evaluar formas de energía acumulable (Principalmente entalpía)
Propiedades Importantes (Bases de Datos)• Capacidad calorífica• Calores de cambio de fase• Calores de reacción
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Análisis de sistemas que intercambian calor
Qg + Qc = 0
Análisis del intercambio: Qg + Qc = 0Aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica:Qg = H(Sistema 1) Qc = H (2)
Sistema Frío (1)
Sistema Caliente (2)
Sistema Frío (2)
Sistema Caliente (1)
Leyes de conservación
Balances de energía en Unidades de proceso
Ejemplo 1: Resolver en Pizarra
2000 L/h de leche para fabricación de queso (V1) se ha de calentar desde 4ºC hasta 34ºC utilizando agua caliente (V2)
a 50ºC. Considere las siguientes propiedades:
Datos
La densidad (ρ) y el Cp de la leche se de 1020 kg/m3 y 3.95 KJ/kg.K y para el agua 990 kg/m3 (a 50ºC) y 4.18 KJ/kg.K.
Asuma que el agua sale a 25 Cº.
Considerando que el Cp del agua se mantiene constante, calcule el caudal necesario:
Leyes de conservación
Balances de masa y energía en Unidades de proceso
Ejemplo 2: Resolver en Pizarra
Un evaporador concentra una solución salina de NaOH en agua desde 17,5 hasta 37,5 % peso. La alimentación tiene
una temperatura de 38 0C y se introduce a razón de 500 kg/h. El calor para el proceso proviene de vapor saturado a p
= 1 atm y el agua condensada sale saturada. Determine el flujo de vapor (kg/h) si se desprecia la elevación del punto
de ebullición y existen 10 % de pérdidas caloríficas.
Búsqueda de datos en fuentes especializadas-E m = 9 717 cal/mol, cp(solución) = 0,82 cal/g.K, T(ebullición) = 100 0C, M = 18
CONCLUSIONESConsultar: Guía de Estudio 1
Básica
1. Kirk & Othmer, “Enciclopedia de Tecnología Química”, 3º Ed.
2. Austin, G., “Manual de procesos químicos en la industria”, 5ª Ed., Mc Graw- Hill, 1997.
3. Mc Cabe W., Smith J., Harriot P., “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”, Mc Graw- Hill, 1995.
4. Incropera F.P., De Witt. 1999. Fundamentos de Transferencia de Calor. New York: John Wiley and Sons.
5. Kern D. 1990. Procesos de Transferencia de Calor. México: Editorial Continental.
6. Levenspiel, O. 1998. Flujo de fluidos e intercambio de calor. Editorial Reverté.
Complementaria
1. Zaror, Claudio, “ Introducción a la ingeniería ambiental para la industria de procesos”, Editorial Universidad deConcepción, 2002.
2. Perry, R.H., “Manual del Ingeniero Químico”, 6ª Ed., Mc Graw- Hill, 1992.
3. Costa J., Cervere, S., Cunill P., “Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos detransporte”, Editorial Reverté S.A, 1994.
4. Hougen O., Watson, K., Ragatz, R., “Principio de los procesos químicos”, Parte I, Editorial Reverté S.A, 1964.
5. Himmelblau D., Principios y cálculos básicos de la Ingeniería Química, Prentice Hall, 1974.
6. Felder, R., Rousseau, R., “Elementary principles of chemical process”., John Wiley and Sons, 1978.
Literatura