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

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