INGENIERIA DE PROCESOS

INDUSTRIALES

Balance de masa :

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, calcule la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida.

Balance de masa

El jugo de naranja fresco contiene 12.0 % en peso de sólidos y el resto de agua; mientras el jugo de naranja concentrado contiene 42 % de sólidos. Se utilizó inicialmente un solo proceso de evaporación para concentrar el jugo, pero los componentes volátiles escaparon con el agua dejando al concentrado sin sabor. El siguiente proceso resuelve este problema: se realiza una desviación del evaporador con una fracción de jugo fresco; el jugo que entra al evaporador se concentra hasta que tiene 58 % de sólidos, y el producto se mezcla con el jugo fresco desviado para alcanzar la concentración final de sólidos deseada (42 %). Calcula la cantidad de jugo concentrado producido por cada 100 kg del jugo fresco que alimenta el proceso y la fracción de la alimentación que se desvía del evaporador

Procesos químicos Un proceso químico es un conjunto de

operaciones químicas y/o físicas que

permiten la transformación de materias

iniciales en productos ó

subproductos finales diferentes.

““Podemos decir que cualquier Podemos decir que cualquier

proceso químico que se pueda proceso químico que se pueda

diseñar consta de una diseñar consta de una

serie de operaciones físicas y serie de operaciones físicas y

químicas. Cada una de estas químicas. Cada una de estas

operaciones es una operación operaciones es una operación

unitaria dentro del proceso global”unitaria dentro del proceso global”

DEFINICIONES

Operaciones Unitarias

Cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o tranformación de las materias primas implicadas en un proceso químico.        En general un proceso químico se puede descomponer mediante una secuencia de diagramas de bloques, estableciendo relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su correspondiente bloque. 

       

               

Industrias de Procesos Químicos

(Chemical Process Industries: CPI)

Alimentos (bebidas, azúcar, jugos, congelados, lácteos, vinos, cerveza, etc.)

Combustibles (petróleo, carbón, gas natural, gasolina) lubricantes y derivados petroquímicos

Compuestos químicos– Orgánicos (petroquímicos, solventes, cauchos, etc)– Inorgánicos ( sales, fertilizantes, etc.)– Explosivos ( TNT, anfo, etc.) Detergentes y jabones. Pinturas y

pigmentos.

Psicrometría y Procesos de Acondicionamiento del Aire

PSICROMETRIA

Propiedades Termodinámicas del sistema Aire-Vapor de Agua

La psicrometría resulta entonces útil en el diseño y análisis de sistemas de almacenamiento y procesado de alimentos, diseño de equipos de refrigeración, estudio del secado de alimentos, estudios de aire acondicionado y climatización, torres de enfriamiento, y en todos los procesos industriales que exijan un fuerte control del contenido de vapor de agua en el aire.

Las acciones importantes involucradas en la operación de un sistema de aire acondicionado son:• Control de la temperatura.• Control de la humedad.• Filtración, limpieza y purificación del aire.• Circulación y movimiento del aire

18

HUMEDAD ATMOSFÉRICA

La humedad es un término utilizado para

describir la presencia de vapor de agua en el aire,

ya sea a la intemperie, o dentro de un espacio, aire

y vapor de agua, existen juntos en un espacio dado

al mismo tiempo.

19

AIRE SATURADO

El término de aire saturado se emplea para indicar que

el vapor de agua está saturado en la mezcla de aire seco y

vapor de agua.

La presión parcial en la mezcla es igual a la presión de

saturación correspondiente a la que se encuentra la

mezcla; en este caso dispondremos de aire seco mezclado

con vapor de agua saturado.20

A una temperatura determinada, si el aire está saturado y se aumenta la proporción de vapor se llegará a la condensación o formación de niebla.

Si el vapor presente en el aire está sobrecalentado, se le podrá añadir más vapor hasta que se llegue a la saturación.

21

AIRE SATURADO

Presión Parcial (Pi)

- Ley de Dalton

La presión de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones parciales que cada componente ejercería si éste ocupara el volumen de la mezcla

a la temperatura de la mezcla. T,v T,v T,v

)osecaire(i)OH de i(vapor

i

PP

c,.....b,a,i PP

2

Aire Vapor de H2O Aire Húmedo

Pa

Pb

Pa+Pb

CARTA PSICROMÉTRICA

Una carta psicrométrica es una gráfica de las

propiedades del aire, tales como temperatura,

hr, volumen, presión, etc. Las cartas

psicrométricas se utilizan para determinar

cómo varían estas propiedades al cambiar la

humedad en el aire

24

26

Uso de la carta psicrométrica

El Clima

Aire Saturado:Cuando el vapor en la mezcla está saturado, entonces Ö es igual a 1 o 100%.

Punto de Rocío:Temperatura a la cual el vapor se empieza a condensar cuando la mezcla se enfría isobáricamente.En el punto de rocío Ö = 1 ó 100%.Escarcha, granizo, nieve: aire húmedo saturado a T<0.01 C.Niebla: justo vapor saturado.Lluvia: justo vapor saturado más condensación.

Unidad digital de Mediciones del clima. Data Logger.- Presión Po- Temperatura To- Humedad Relativa HR- Pluviómetro- Velocidad y Dirección del viento- Radiación Solar

PsicrometríaPropiedades del Aire Húmedo

Psicrómetro

El aire está saturado: TBS= TBH= TPR

Humedad Relativa ()CONCEPTOS PREVIOS Humedad Relativa: (Φ) Es el cociente entre la masa de vapor en una unidad de volumen (mv) y la masa de vapor que dicho volumen podría contener si el vapor estuviera saturado a la temperatura de la mezcla (Pv), entre la presión de saturación del vapor a la temperatura de la mezcla (Pg), es decir a la misma temperatura.

g

v

g

v

g

v

g

v

v

v

vv

mezcla

rocío

g

v

g

v

V

V

m

m

P

P

v

RTm

V

RTP

:Entonces

T a sat. de Presión

T a sat. Presión

ó m

m

)T(P

)T(P

NOTA: El subíndice "g" corresponde a la curva de vapor saturado.

Ejemplo: Para una temperatura de 20º C, la presión del vapor de agua es muy pequeña: Pg=2.339 kPa y a menores presiones es sobrecalentado. (gas ideal) Las presiones parciales en el aire siempre tienen que ser menores que la presión P g. Por ejemplo puede ser P v = 1.75 kPa, entonces la humedad relativa sería:

748.0339.2

75.1

P

P

g

v %8.74

Unidad Compacta de medición de HR, temperatura, Tbs, punto de rocío. US$ 129 Catalogo Cole Parmer

• Temperatura de Roció: Es la temperatura a ala cual se condensa el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.

• Temperatura de burbuja : Es la temperatura a la cual un líquido esta listo para vaporizarse se le conoce como punto de burbuja o temperatura de burbuja.

TEMPERATURA DE BULBO SECO

En el acondicionamiento de aire, la temperatura del

aire indicada es normalmente la temperatura de

«bulbo seco» (bs), tomada con el elemento sensor del

termómetro en una condición seca. Es la

temperatura medida por termómetros ordinarios.

39

Temperatura de Bulbo Húmedo (Tbh)TEMPERATURA DEL BULBO HUMEDO: (Tbh)

Si rodeamos el bulbo de un termómetro con una gasa húmeda y hacemos pasar una corriente de aire, la lectura que obtenemos se denomina “Temperatura de Bulbo Húmedo” Tbh y será menor que la de un “termómetro de bulbo seco” Tbs (un termómetro cualquiera). La diferencia entre ambas temperaturas será mayor cuando el aire esté menos saturado.

Psicrómetro tipo vaivén. HR de 10 a 100 %. Temperaturas de - 5 ºC a 50 ºC.

PROPIEDADES DEL AIRE: Humedad absoluta:

w= 0.622 pv/p- pv

: Kg de agua/kg de aire seco Humedad relativa (Ø)

Ø = pv/pg x 100 Calor específico: (Cs)

1.005 + 1.88 w Kj/KgºK

0.24 + 0.45w Btu/lbºF Volumen húmedo (VH o Vg)

m3/kg a.s , pie3/lb a.seco

(2.83 x 10-03 + 4.56 x 10-03w) TBS

(0.0252 + 0.0405w) TBS

Entalpia total de la mezcla: aire seco mas vapor de agua(Hy )

Hy = (1.005 + 1.88 w) (T – To ) +

w גHy = (0.24 + 0.45 w) (T – To ) + ג wTo = Temperatura de referencia a 0ºC o 32ºF

Calor latente a la temperatura de 0ºC o =ג32ºF

= 1075.8 Btu/lb = 2501.61 KJ/Kg

ECUACION PSICROMETRICA: Pw – pv = 0.5 (TBS – TBh) Pw = Presión a la temperatura de bulbo

húmedo Pv = presión parcial de vapor de agua 0.5 = constante para el aire

mm Hg/ºC

Temperatura de saturación adiabática: Es la temperatura alcanzada por una masa de aire cuando se pone en contacto con un líquido en condiciones adiabáticas y lo llega a la saturación, mediante evaporación de agua líquida

(Ws – w )= Cs ( t – Ts)/ גs

Ws = Humeda de saturación a la Ts

Ts = Temperatura de saturación adiabática

s = Calor latente de evaporacion del líquido a la Tsג

Ejercicios

1. Cuál es la humedad absoluta del aire saturado a 45ºC?

Respuesta: 0,066 Kg de vapor de agua/Kg de aire seco

Presión a 45ºC se ve en las tablas de vapor , a 113ºF = 1.39 psicomo está saturado es la presión parcial de vapor de agua y se aplica la fórmula de

humedadW= 0.622 Pv/p – pv

W= 0.622* 1.39/14.696-1.39W= 0.065 Kg de agua/ kg de aire seco

AIRE ACONDICIONADO

El Acondicionamiento de Aire, consiste en el enfriamiento o calentamiento del aire atmosférico en un ambiente interior con el fin de establecer y mantener los estados requeridos de temperatura, humedad, limpieza y movimiento. Este tratamiento comprende también la ventilación de ambientes.

· Temperatura: Calentamiento y/o enfriamiento.· Humedad: humedecer y/o secar· Limpieza.· Movimiento.

Las aplicaciones del Aire Acondicionado son muy diversas, aquí algunas de las principales:

- Industria Textil, industria fotográfica, imprenta.- Salas de cómputo, auditorios, instalaciones médicas,

instalaciones bancarias.- Conservación de productos, secado de productos.

CALENTAMIENTO CON DESHUMIDIFICACIÓN

Es el calentamiento del aire y la eliminación de la humedad de éste. El proceso de calentamiento con deshumidificación se caracteriza por un aumento de la entalpía y una disminución de la humedad relativa.

49

ENFRIAMIENTO CON DESHUMIDIFICACIÓN

Es la eliminación simultánea del calor y la humedad del

aire.

La cantidad del vapor de agua, presente dentro de una zona

ocupada, variará dependiendo del número de personas

presentes y de su actividad, la condición del aire exterior,

la estructura del edificio y la cantidad de infiltración.

50

MEZCLA DE DOS CANTIDADES DE AIRE HÚMEDO

En el acondicionamiento de aire, con mucha frecuencia se requiere mezclar aire a diferentes temperaturas, para lograr una determinada condición final de aire.

La mayoría de las aplicaciones de aire acondicionado comercial requieren de un cierto volumen de aire exterior que sea introducido al espacio ocupado.

51

Un gran maestro es aquel cuyo espíritu entra en las almas de sus alumnos.

John Milton