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OPERACIONES UNITARIAS
CLASE 1
Profa. Dra. Evelyn Gutirrez Oppe
2015-2
FUNDAMENTACION DEL CURSO
Las empresas de hoy en da necesitan ingenieros que mejoren y optimicen losprocesos, buscando principalmente aumentar la eficiencia y reducir los costos.En la industria, esta mejora se realiza basada en un completo entendimiento delos fenmenos que la rigen. Las operaciones unitarias conforman los procesosindustriales y se clasifican segn el rea de desarrollo. Sin embargo, algunasoperaciones unitarias son comunes y se repiten con mucha frecuencia, como lasque envuelven fenmenos de transporte (transporte de Calor y Flujo de Fluido).Las nuevas tecnologas y las fuentes renovables de energa tambin se incluyenen este mbito y para su correcta aplicacin se requiere un profundoconocimiento de los conceptos que se estudia en el presente curso.
CONTRIBUCIN A LA FORMACIN
PROFESIONAL Y LA FORMACIN GENERAL.
Una vez que se culmina el curso, el alumno comprende el uso pertinente de
las Operaciones Unitarias en plantas industriales, para disear y poner en
operacin procesos industriales. Posee conocimientos cientficos y
tecnolgicos orientados a disear, organizar, ejecutar, administrar,
supervisar y evaluar la direccin del proceso. As mismo, cualquier actividad
propuesta debe estar orientada a mejorar la calidad de vida de las
personas, principalmente aquellas que padecen de la falta de recursos.
OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Estudiar los conceptos en fenmenos de transporte
aplicado a las diferentes operaciones unitarias
industriales.
CONTENIDO DEL CURSO1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
2. TRANSPORTE DE CALOR
Conduccin
Conveccin
Radiacin
Intercambiadores de calor
3. TRANSPORTE DE MOVIMIENTO
Esttica de fluidos
Dinmica de fluidos
4. TRANSPORTE DE MASA Difusin de masa Conveccin de masa Transporte simultaneo de calor y masa: Evaporacin, Destilacin, Secado Otras operaciones de separacin
5. ENERGAS RENOVABLES Y OPERACIONES UNITARIAS Solar y Biocombustibles
BIBLIOGRAFA
BSICA:
1. 536.2 I47 (UCSP), Fundamentos de transferencia de calor /
Incropera, Frank P., Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1999.
2. Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias / Christie J.
Geankoplis, Mexico: Compaa Editorial Continental S.A. 3 Ed.
1998
3. 532 C46 (UCSP), Mecnica de fluidos / engel , Yunus A., Mxico:
McGraw-Hill, 2006.
4. 333.72 J54 (UCSP), Desarrollo sostenible / Jimnez Herrero, Luis
M., Madrid: Pirmide, 2000.
5. 621.042 C24 (UCSP), Los biocombustibles / Camps
Michelena, Manuel Madrid: Mundi-Prensa, 2008.
COMPLEMENTARIA:
1. 536.2 C43 (UCSP), Transferencia de calor / Cengel, Yunus A.,
Mxico: McGrawHill, 2005.
2. 532 G45 (UCSP), Teora y problemas de mecnica de los fluidos e
hidrulica / Giles, Ranald V., Colombia: Mc Graw-Hill, 1969.
3. 621.042 G45 (UCSP), Energas del siglo XXI / Gil Garca, Gregorio
Madrid: Mundi-Prensa, 2008.
METODOLOGA
Disertacin de los conceptos tericos, aqu el alumno obtendr losconocimientos fundamentales del tema. A cada tema desarrollado
sern realizados ejemplos y ejercicios de aplicacin.
Lectura y discusin de artculos relacionados al tema de clase.
Trabajo grupal de experimentos para complementar la parte terica.
EVALUACIN
Estructura de notas:
Evaluacin permanente 40%
Examen parcial 30% (ver cronograma: fecha en recuadro rojo)
Examen final 30% (ver cronograma: fecha en recuadro rojo)
Evaluacin Permanente
Participaciones
Controles (ver cronograma: fecha en recuadros verdes)
Trabajos grupales y personales
CLASE 1
CONCEPTOS BSICOS
Objetivos
1. Definir el concepto de operaciones unitarias, tipos de operaciones y
mtodo de solucin de problemas.
2. Recordar los conceptos bsicos de sistema de unidades, estado y
propiedades, leyes de los gases, conservacin de masa y de
energa.
3. Recordar los diagramas de flujo, y las operaciones unitarias con su
conformacin de procesos.
4. Establecer la clasificacin de las operaciones unitarias segn el
mecanismo de transporte.
DEFINICION DE OPERACIONES
UNITARIAS
Punto de vista fsico:
Las operaciones unitarias estudian
principalmente la transferencia y los
cambios de energa, la transferencia y
los cambios de masa que se llevan a cabo
por medios fsicos, pero tambin por medios
fisicoqumicos.
Punto de vista de proceso:
Secuencia de pasos (etapas) que conforma unbloque y cumplen determinadas funciones. As
un conjunto de operaciones unitarias conforman
un proceso industrial.
Estas operaciones unitarias son las mismas sea
cual fuere la naturaleza especfica del material que
se procesa.
SOLUCIN DE PROBLEMAS DE OPERACIONES
UNITARIAS
Realizar el balance de materia.
Realizar el balance de energa. Algunas veces es necesario resolver los balances de materia y energa de manera combinada.
Calcular la velocidad de transferencia de masa, de lo cual se ocupan los fenmenos de transporte.
TIPOS DE OPERACIONES UNITARIAS
1. Operaciones Continuas largo perodo de tiempo
industrias qumica, petrolera y energtica
2. Operaciones Discontinuas De un producto a otro
Fabricas de papel, alimentos
Operaciones por Lotes Discontinua, secuencia especfica
frmacos, textiles y pieles
Operaciones Discretas Un producto a la vez
Automviles
Sistema de Unidades
FUERZA => (masa)(aceleracin) = 1N = 1kg. m/s2= 32.174 lbm.pie/s2
PESO => W = m x g
g= 9.807 m/s2 o 32,174 pie/s2
TRABAJO => (fuerza) x (distancia) = Joule = N.m
BTU (British Thermal Unit) => 1 BTU = 1.0551 kJ
1 cal = 4.1868 J
POTENCIA = Watt (SI), 1 hp = 746 W
ENERGA ELECTRICA = kWh = 3600 kJ
ESTADO Y PROPIEDADES DE UNA
SUSTANCIA
El estado de una sustancia es identificado
por ciertas propiedades:
Temperatura
Presin
Masa especfica
Concentracin
Fraccin msica o molar
Componente g Fraccin en
peso
Peso
molecular
Gramos Mol Fraccin mol
H2O 50 50/100 = 0.5 18.02 50/18.02 = 2.78 2.78/4.03=0.69
NaOH 50 50/100 = 0.5 40 50/40 =1.25 1.25/4.03=0.31
Total 100 1 4.03 1
TEMPERATURA
Farenheit Kelvin Rankine Celsius
Agua en ebullicin 212 F 373.15 K 671.7 R 100 C
Fusin del hielo 32 F 273.15 K 491.7 R 0 C
Cero Absoluto -459.7 F 0 K 0 R -273.15 C
Leyes de los Gases y Presin de Vapor
PRESION: se puede expresar en atm, 1 atm igual a 760 mmHg a0C, 29.921 pulg de Hg, 0.760 m Hg, 14.69 lb fuerza/pulg2, 101325
Pa. La presin manomtrica es la presin por encima de la presin
absoluta.
LEY DE LOS GASES IDEALES: Un gas ideal se define como aquelque obedece a leyes simples. Adems, las molculas gaseosas de
un gas ideal se consideran como esferas rgidas que no ocupan
volumen por s mismas y que no se afectan mutuamente.
Ley de Boyle: pV = nRT (donde p es la presin absoluta)
MEZCLA DE GASES IDEALES: Ley de Dalton, la cual enuncia quela presin total de una mezcla de gases es igual a la suma depresiones parciales individuales: P = pA + pB +pC. La fraccin moles: xA = pA/P
PRESIN DE VAPOR Y PUNTO DE EBULLICIN DE LOSLIQUIDOS: La presin de vapor es la presin que ejerce un vaporsobre un lquido, esto sucede cuando el lquido se evapora y elespacio libre del recipiente se llena de vapor.
El punto de ebullicin de un lquido se define como la temperatura ala cual la presin de vapor del lquido es igual a la presin total. Unagrfica de la presin de vapor PA de un lquido en funcin de latemperatura no produce una lnea recta sino una curva. Sinembargo, para intervalos de temperaturas moderados, una grficade log PA en funcin de 1/T es casi una lnea recta, cuya expresincorresponde a: log PA = m(1/T) +b
DIAGRAMA DE FLUJO
Es la representacin grfica de operaciones y etapas que tienen lugar en un proceso
CLASIFICACIN.
1. Diagrama de flujo elemental.
Diagrama de bloques y flechas, con los nombres de los ttulos o pasos particulares delproceso escritos dentro de los bloques.
2. Diagrama de flujo cualitativo.
Operaciones unitarias combinadas con campos independientes como flujos de materiales,
equipo necesario o variables que intervienen en el proceso.
3. Diagrama de flujo cuantitativo.
Operaciones o etapas con las cantidades de materiales necesarios, materiales en proceso,productos finales y subproductos. Tambin se pueden incluir las variables en sus rangos deoperacin.
4. Diagrama de flujo combinado.
Incluyen la localizacin de aparatos de medida, as como registradores y controladores depresin y temperatura, ubicacin de vlvulas de control e instrumentos especiales. Seadicionan tablas con informacin sobre los equipos.
AGUA FUENTE
ALMACENAMIENTO
TRATATAMIENTO
QUIMICO
ALMACENAMIENTO
FILTRACION
PURIFICACION CON
CARBON ACTIVADO
FILTRACION
PULIDORA
PASTEURIZADO
JUGOS - ENERG.
TERMINADOS
FILTRACION
JARABE SIMPLE
AZUCAR
SUAVISADO
INGREDIENTES
PALETIZADO
ENCAJONADO
INSPECCION DE BOTELLAS
LLENAS
CODIFICADO
SELLADO
LLENADO
INSPECCION DE
BOTELLAS VACIAS
LAVADO
PRE-INSPECCION
BOTELLAS VACIAS
DIAGRAMAS DE FLUJO
DIAGRAMAS DE FLUJO
Smbolos usados para representar
equipos
Diagrama del proceso de obtencin de
hidrosulfito de sodio
CONSERVACIN DE LA MASA Y
BALANCE DE MATERIA
La masa no puede crearse ni destruirse
ENTRADAS = SALIDAS + ACUMULACIN
RGIMEN ESTACIONARIO (PERMANENTE) Y
TRANSITORIO (NO PERMANENTE)
95
95,5
96
96,5
97
97,5
98
98,5
99
99,5
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Tem
pe
ratu
ra d
el
vap
or,
C
Tiempo, min
BALANCE SIMPLE DE MATERIA
Se traza un diagrama simple del proceso
Se escriben las ecuaciones qumicas involucradas (si las hay).
Se selecciona una base de clculo.
Se procede al balance de materia
Ejemplo 1
Zumo de naranja con 7.08% de slidos en
peso se alimenta a un evaporador al vaco.
Se extrae agua y el contenido de slidos
aumenta al 58% en peso. Para una entrada
de 1000 kg/h, calcule la cantidad de las
corrientes de jugo concentrado y agua de
salida. L = 122.1 kg/h, V = 877.9 kg/h.
BALANCE DE MATERIA Y
RECIRCULACIN
Cuando hay recirculacin o retroalimentacin de parte del producto a la corrientede alimentacin. Por ejemplo:
en una planta de tratamiento de aguas, parte de los lodos activados de untanque de sedimentacin se recirculan al tanque de aireacin donde se trata ellquido.
en algunas operaciones de secado de alimentos, la humedad del aire deentrada se controla recirculando parte del aire hmedo y caliente que sale delsecador.
La Figura muestra un proceso de separacin de tres
etapas. La razn P3/D3 es de 3, la razn de P2/D2 es de 1
y la razn de A a B en el flujo P2 es de 4 a 1. Calcule la
composicin del flujo E y el porcentaje de cada uno de los
componentes de ese flujo.
En un proceso que produce KNO3 , el evaporador se alimenta con 1000 kg/h
de una solucin que contiene 20% de KNO3 de slidos en peso y se concentra
a 422 K para obtener una solucin de KNO3 al 50% de slidos en peso. Esta
solucin se alimenta a un cristalizador a 311K, donde se obtienen cristales de
KNO3 al 96% de slidos en peso. La solucin saturada que contiene 37.5% de
KNO3 de slidos en peso se recircula al evaporador. Calcule la cantidad de
corriente de recirculacin R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en
kg/h.
R = 766.6 kg/h y P= 208.3 kg cristales/h.
Una alimentacin de 10000 kg de frijol de soya se procesa en una secuencia de tres etapas. La alimentacin contiene
35% en peso de protena, 27,1% en peso de carbohidratos, 9,4% en peso de fibras y cenizas, 10,5% en peso de
humedad y 18% de aceite. En la primera etapa, los frijoles se maceran y se prensan para extraer el aceite,
obtenindose corrientes de aceite y de pasta prensada que todava contiene 6% de aceite. (Suponga que no hay
perdidas de otros constituyentes en la corriente de aceite.) En la segunda etapa, la pasta prensada que todava
contiene 0,5% en peso de aceite y una corriente de aceite-hexano. Suponga que no sale hexano en el extracto de
soya. Finalmente, en la ultima etapa se seca el extracto para obtener un producto con 8% en peso de humedad.
Calcule:
a) Kg de pasta de soya que salen en la primera etapa
b) Kg de pasta extrada obtenidos en la segunda etapa
c) Kg de pasta seca final y % peso de la protena en el producto seco.
Conservacin de Energa y Balance de
Energa
CALOR LATENTE Y TABLAS DE VAPOR
El calor latente se da cuando una sustancia cambia de
fase y se producen cambios de calor relativamente
considerables a temperatura constante. Es de FUSIN,
cuando el calor se absorbe para pasar de slido a lquido,
es de VAPORIZACIN, cuando se agrega cierta cantidad
de calor para pasar de lquido a vapor. Para el agua,
sustancia que no es comn, sus propiedades
termodinmicas se han recopilado en tablas de vapor.
Ejemplo
Un intercambiador de calor de doble tubo de pared delgada que trabaja en
contracorriente enfra aceite (cp=2.20 kJ/kg.C) de 150 a 40 C a una tasa de 2 kg/s con
agua (cp = 4.18 kJ/kg.C) que entra a 22C a una tasa de 1.5 kg/s. Determine la tasa de
transferencia de calor en el intercambiador y la temperatura de salida del agua
CLASIFICACION DE LAS
OPERACIONES UNITARIAS
CLASIFICACIN DE LAS OPERACIONES
UNITARIAS
modificando su masa o composicin (separacin omezcla de fases, reaccin qumica, etc)
modificando el nivel o calidad de energa que posee(enfriamiento, vaporizacin, etc)
modificando sus condiciones de movimiento(aumentando o disminuyendo su velocidad o su
direccin).
TRANSPORTE DE MOVIMIENTO: Ley de Newton
TRANSPORTE DE CALOR: Ley de Fourier
TRANSPORTE DE MASA:Ley de Fick
Transporte de masa:
EXTRACCIN LQUIDO-LQUIDO de acetona,
separamos una fraccin de acetona.
http://www.youtube.com/watch?v=dLFUW3Vo1P4
Transporte de calor:
EVAPORACIN de agua de un alimento
http://www.youtube.com/watch?v=eQPbox-FFBw
Transporte de cantidad de movimiento:
SEDIMENTACIN de slidos de un alimento
http://www.youtube.com/watch?v=1nYL9oOLm6E
Transporte simultaneo de calor y masaHUMIDIFICACION de airehttp://www.youtube.com/watch?v=H8-nAL9XAtY
OPERACIONES CONTROLADAS POR LA
TRANSFERENCIA DE CALOR
Desempea un papel fundamental y controlante en las siguientes
operaciones:
Aislamiento trmico
Calentamiento o refrigeracin de fluidos sin cambio de fase
Intercambio de calor con cambio de fase: evaporacin y condensacin.
El calor se transmite por tres mecanismos: conduccin, conveccin y
radiacin. Los principales aparatos diseados para suministrar o
eliminar calor son: intercambiadores de calor, hornos, evaporadores,
acumuladores de calor, placas solares, etc.
OPERACIONES CONTROLADAS POR EL
TRANSPORTE DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Se realiza cuando se ponen en contacto dos fases, o dos zonas de un fluido,
con distinta velocidad. La interaccin entre las molculas (viscosidad) tiende a
hacer que las velocidades se igualen. Suelen dividirse en tres grupos:
Circulacin interna de fluidos: se realiza por conducciones con la ayuda dedispositivos que suministran energa mecnica al fluido y con accesorios
que permiten regular y medir el caudal que circula.
Circulacin de fluidos a travs de un lecho de slidos: habitual en procesoscatalticos heterogneos, transporte neumtico de slidos, filtracin, etc.
Movimiento de slidos en el seno de fluidos: destacan operaciones como lasedimentacin, flotacin y centrifugacin.
OPERACIONES CONTROLADAS POR LA
TRANSFERENCIA DE MASA
El objeto de una operacin de transferencia de materia es separar los
componentes de una mezcla. Cuando se ponen en contacto dos fases que
tienen diferente composicin, es posible que ocurra la transferencia fsica de
algunos componentes presentes en una de las fases hacia la otra, y viceversa.
En funcin de las superficies interfaciales:
a) Fluido-Fluido:
a.1) Gas-liquido: Absorcin, Desorcin, Humidificacin, Deshumidificacin,Enfriamiento, Destilacin, Rectificacin.
a.2) Lquido-liquido: extraccin lquido-lquido
b) Fluido-Slido:
b.1) Gas-slido: secado, adsorcin, desorcin
b.2) Lquido-slido: extraccin slido-lquido, adsorcin, desorcin,cristalizacin.
OPERACIONES UNITARIAS CONTROLADAS POR LA
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA
SIMULTANEAMENTE
Siempre hay dos fases en ntimo contacto. Hay transporte de masa y
calor que van en el mismo sentido o en sentidos opuestos.
Ejemplos:
acondicionamiento de gases,
destilacin,
enfriamiento de lquidos,
cristalizacin,
secado
liofilizacin.
OPERACIONES COMPLEMENTARIAS
Usados generalmente en el acondicionamiento de materias primas y
productos slidos, para que tengan el tamao y la presentacin
adecuados para posteriores tratamientos.
Las principales son:
trituracin,
molienda,
tamizado
mezcla de slidos y pastas.
tambin se puede considerar el almacenaje de slidos, lquidos ygases.
OPERACIONES UNITARIAS Y
CONFORMACIN DE PROCESOS
Evaporacin: evaporacin de un disolvente voltil.
Destilacin: separacin de los componentes de una mezcla lquida por medio de ebullicin basada en la diferencia de presin de vapor.
Secado: separacin de lquidos voltiles casi siempre agua de los materiales slidos.
Absorcin: En este proceso se separa un componente gaseoso de una mezcla gaseosa de una corriente por tratamiento con un lquido.
Separacin de membrana: este proceso implica separar un solutode un fluido mediante la difusin de este soluto de un lquido o gas,
atravs de la barrera de una membrana semipermeable a otro
fluido.
Extraccin lquido-lquido: en este caso, el soluto de una solucinlquida se separa ponindolo en contacto con otro disolvente lquido
que es relativamente inmiscible en la solucin.
Adsorcin: En este proceso, un componente de una corrientelquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente slido.
Lixiviacin lquido-slido, tratamiento de un slidofinamente molido con un lquido que disuelve y extrae un
soluto contenido en el slido.
Cristalizacin: se refiere a la extraccin de un soluto,como la sal, de una solucin por precipitacin de dicho
soluto.
Separaciones fsico-mecnicas, implica la separacin deslidos, lquidos o gases por medios mecnicos, tales
como filtracin, sedimentacin o reduccin de tamao
SIMULADOR ASPEN PLUS
https://www.youtube.com/watch?v=P8vDs6rZDnA
OBTENCION DE COBRE
TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
BIOETANOL