FUNDAMENTOS DE PROCESOS INDUSTRIALESWILLIAM ANDRS OCAMPO DUQUEINGENIERO QUMICO, MSc.SANTIAGO DE CALIPONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANAFACULTAD DE INGENIERA2002IntroduccinEstedocumentopretendecentralizarlosconceptosbsicosplanteadosenelcursodeProcesosyEquipos dictado a los Estudiantes de la carrera de Ingeniera Industrial, materia que es abordada luego del curso de Termodinmica. Procesos y Equipos est dividida de acuerdo a tres grandes reas de la ingeniera, a saber la mecnica de fluidos, los balances de materia y energa y la transferencia de calor. Cada una de estas reas es por s misma almenos una materia semestralen los planesdeestudiode ingeniera mecnicaoqumica; portalrazn tienen una amplsima bibliografa y un nivel de profundizacin considerable. Como el propsito de la materia para el plan de estudios de Ingeniera Industrial es impartir los conceptos fundamentales sobre la ingeniera de los procesos industriales, se hace necesario condensar la informacin encontradaenlaliteratura, conlaideademanejarunnicotextoparael curso, puesdeotramanerasu objetivo puede dispersarse en los textos dedicados exclusivamente a cada rea. As, siguiendo esta carta de navegacin, el estudiante puede revisar otros textos y aprovecharlos mejor. El captulo1presenta los conceptos bsicos de la industria de procesos, suclasificacin, suentorno econmico y su impacto ambiental. Se hace especial nfasis en el papel de la ingeniera en el control de la contaminacin del ambiente. Tambin se muestran las principales operaciones unitarias de los procesos y la forma de representar procesos esquemticamente.El captulo2exploralasvariablesdeproceso, haciendohincapienel usodel sistemainternacional de unidadesyenlaimportanciadel anlisisdimensional. El captulo3exponelosconceptosbsicosdela mecnica de fluidos: la ecuacin hidrosttica, la ecuacin de Bernoulli, la ecuacin de energa aplicada en fluidos y los mtodos de calcular prdidas en tuberas y accesorios.El captulo 4 es una descripcin de los balances de materia en procesos industriales. Se hace nfasis slo en las transformaciones fsicas. En el captulo 5 se presenta la forma general de los balances de energa y sus aplicaciones en equipos de transformaciones fsicas; tambin se presenta brevemente un punto de vista global de la problemtica mundial actual de la energa y los efectos ambientales involucrados. En el captulo 6se realiza un estudio detallado de operaciones de humidificacin y secado, que involucra los conceptos delosdoscaptulosanteriores. Seestudianestosfenmenos, enfatizandoenlosprocesos de acondicionamiento de aire, ya que son de uso comn en la industria y en la vida cotidiana.El captulo7exponelosaspectosbsicosdelatransferenciadecalor, mostrandoel usodelasleyesde conduccin, conveccin y radiacin aplicada a equipos de proceso. Finalmente, enel captulo8seexponenalgunos conceptos tericos acerca del comportamientodelos materiales slidos en la industria, pues a lo largo del curso se encuentran ejemplos que manejan las fases fluidas (lquida ygaseosa) principalmente; conestose logra abarcar unconocimientogeneral de los principales estados macroscpicos de la materia.Deseo que encuentren agradable la lectura de este documento y que sirva de eficaz ayuda en el estudio de estasemocionantes reas delatecnologa, lascualeshansidoysiguensiendodemuchautilidadenel mejoramiento de la calidad de vida de todos. Bienvenidos.1 Conceptos Generales1.1 Lo que hacen los ingenieros de procesos.Alguien dijo una vez: Los cientficos hacen que se conozcan las cosas; los ingenieros hacen que las cosas funcionen. Este axioma est bienilustradopor el afortunadodescubrimientoaccidental yel tortuoso desarrollodel tefln. Enlosprimerosmeses de1928, AnthonyBenning, jefedegrupo, RoyPlunckett, qumico y Jack Rebok, tcnico de laboratorio, llevaban a cabo una investigacin sobre refrigerantes a base de fren en el laboratorio duPont Jackson, en New Jersey. Al Dr. Plunckett se le haba asignado producir una nueva composicin basada en el tetrafluoroetileno (TFE). De acuerdo con la historia, el Dr. Plunckett haba preparado varios cilindros llenos de gas y los haba almacenado en hielo seco. En la maana del 6 de Abril de 1938, Reboknotquenohabapresinenunodeloscilindros, locual indicabaqueestabavaco. Sin embargo, pesaba lo mismo que cuando estaba casi lleno. Plunckett y Rebok quitaron la vlvula del cilindro y lo inclinaron. Sali de l algo de polvo blanco. Decidieron cortar el cilindro, pero primero consultaron con Benning, a quien le desagradaba que se malgastaran los activos de la corporacin. Encontraron ms material slido dentro del cilindro. Plunckett se dio cuenta de que se haba efectuado una polimerizacin espontnea del gas, crendose un nuevo material. Benningsugiri tratar dedisolverlo, pero ninguno delos disolventes conocidoslo afect, a estaspruebas siguieron otras que revelaron propiedades ms extraas de este nuevo material.El desarrollo comercial del politetrafluoroetileno (PTFE), tan espectacularmente hecho por accidente en el laboratorio, estuvo lleno de obstculos de ingeniera. El proceso de produccin del monmero TFE en s se desarroll en forma deficiente, dando como resultado una mezcla compleja de compuestos txicos y potencialmente explosivos. La uniformidad y la calidad del producto polimerizado fueron difciles de lograr. La dificultad para fundirlo y su alta temperatura de descomposicin an cuando eran las ventajas superiores del producto, crearon graves problemas de produccin que necesitaron tcnicas de fabricacin metalrgica ajenas a la tecnologa de los plsticos.Segn lo registr el Dr. Plunckett: los costos de manufactura eran terribles. Sin embargo, con el comienzo de la segunda guerra mundial, la singular resistencia qumica y la fuerza dielctrica del PTFE, junto con otras propiedades superiores, crearon demandas urgentes del mismo para el proyecto Manhattan y la industria de la defensa. La produccin de la planta piloto comenz en 1943. La produccin a escala comercial no ocurri sino hasta 1948, o sea 10 aos despus de su descubrimiento en el laboratorio. Cuando se le pregunt acerca del papel de los ingenieros en este drama,el Dr.Plunckett escribi: Estaban ntima y extensamente involucrados en el desarrollo de la planta piloto en cada fase del diseo del proceso desarrollando tcnicas para separar, purificar, almacenar y manejar el TFE desarrollando procedimientos de seguridad para prevenir accidentes al personal y al equipo...Segnlomuestraestaancdota, latransformacindeprocedimientosexploratoriosodeinvestigacina pequea escala en procesos comerciales a gran escala es una responsabilidad importante y de reto para el ingeniero. La definicin del material y los balances de energa, el clculo de las cadas de presin, los gastos enlossistemasdetubera, ladeterminacindel tamaodelasbombas, laidentificacindelasreasde transferencia de calor, el clculo del tamao de los equipos, la determinacin del tamao y tipo de reactores, son pasos en la definicin de un proceso comercial.Si considera el futuro, un estudiante podra preguntarse por qu debo tomar un curso de procesos? yo deseo estar en ventas en finanzas... en mercadeo en la gerencia quienes tienen ms experiencia contestaran que an el personal de ventas, para que sea eficiente, debe entender los procesos que generan sus productos. Deben conocer el costo y las limitaciones de capacidad ms las variaciones que puedan anticipar la calidad del producto. El ingeniero de operacin debe saber hacia dnde estn enfocados los costos importantes del 1proceso, qupartesdel equiposonlasmsimportantesparalograrcapacidadycalidad, yqureasde problemas justifican mayor atencin. Los supervisores, en especial, deben tener un conocimiento bsico de la planta si desean manejarla con eficiencia.El investigador eficiente, en particular se encamina conscientemente o de alguna manera hacia los caminos que prometen una recompensa prctica o comercial. Un ingeniero que trabaje en investigacin frecuentemente debe disear sus propios equipos y generalmente mostrar resultados en un ao para justificar la continuacin del proyecto de investigacin. Se puede desperdiciar una cantidad considerable de tiempovaliosode investigacindebidoaerrores enel diseodelos aparatos. Haymuchos factores impredecibles enun proyectodeinvestigacinquenopuedenquedarsedetenidosdebidoaerrores dediseo. Probablemente algunos de los desengaos en la productividad de la investigacin puedan ser provocados por un mal diseo delosequipos. Decualquier modo, la nica manera enqueun ingenieroinvestigador puedeaumentar su productividad es convirtindose en un diseador hbil de equipo. Generalmente se descuida la importancia del diseo de procesos y equipos en la investigacin y desarrollo. 1.2 Procesos qumicos.Los procesos qumicos transforman materias primas enproductos tiles que generan beneficios a los colaboradoresydueosdelasempresasyalacomunidadengeneral. Estosproductosseempleancomo bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones qumicas y fsicas en la elaboracin de productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la produccin total de sustancias qumicas se utiliza en la manufactura de otras, de modo que la industria qumica es la mejor cliente de s misma. Un proceso industrial, tcnicamente hablando, es el trmino en que se agrupan una serie de transformaciones fsicas, qumicas ybiolgicas, econmicamente rentables, realizadas a una materias primas dadas para convertirlas en productos requeridos, con la posibilidad de que se obtengan subproductos.Figura 1.1 Diagrama generalizado de un proceso.Las profesiones relacionadas con la elaboracin de productos qumicos encontrarn que esta visin global de lasindustriasprocesadorasestil paraentendersusituacinactual. Losingenierosdebenocuparse, con sentidocrtico, delasutilidades, yaquesinestasunnegocionopuedeoperar. Laindustriaqumicase caracteriza por cambios rpidos en los mtodos, que responden en la actualidad a grandes alteraciones en los costos de energa; sin embargo, siempre que el costo de una sustancia qumica aumenta, aunque slo sea un 10%, en muchos casos esa sustancia se expone a ser reemplazada por una nueva sustancia.2PROCESO INDUSTRIALMaterias primasEnerga bsicaEnerga desperdiciada Producto principalSubproductosDesechos:slidos, lquidos, gaseosos.Materiales recirculados Energa recuperadaLa ingeniera de procesos tal como se percibe actualmente, naci en 1910 en el Massachussets Institute of Technology, cuando los profesores encontraron que existen varias transformaciones fsicas que son necesarias y que se repiten a travs de las plantas de manufactura de diversos productos qumicos. Estas transformaciones fsicas se llamaron operaciones unitarias y ahora pueden utilizarse junto con procedimientos matemticos computacionales rigurosos para hacer modelaciones para el diseo y control de las plantas. Las transformacionesqumicasocurren enlosreactoresqumicos,loscualesmuchas veces,seconsideran errneamente como operaciones unitarias.Las bibliotecas son la mejor fuente de informacin para el estudio de los procesos qumicos. ElChemicalAbstractsyelEngineeringIndexsonndicesdecasi todaslaspublicacionescorrientesyahorranmucho tiempo de bsqueda; se puede acceder a estos ndices por internet. Las publicaciones ms consultadas son: de laAmericanChemicalSociety(ACS):IndustrialandEngineeringChemistry, IndustrialandEngineering Chemistry Process Design and Development, Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, Industrialand Engineering Chemistry Product Research and Development, Journal of Chemical and Engineering Data,Chemical and Engineering News. CHEMTECH, Chemical Week.Del American Institute of Chemical Engineers (AIChE):Chemical Engineering Progress, AIChE Journal, International Chemical Engineering,Hydrocarbon Processing, Chemical Engineering.En los procesos rara vez hay una conversin completa (uno a uno) de materias primas en productos finales deseados; se forman tanto productos intermedios (o secundarios) como materiales de desecho, simultneamente. El objetivo principal al disear todo proceso es el de minimizar los productos secundarios de bajo valor, y reducir los productos de desecho a un mnimo. Las industrias qumicas deben ser econmicas; en este sentido, el factor ms importante es generalmente el rendimiento, que es la fraccin de materia prima recuperada como producto principal (o deseado). Tambin se utiliza la conversin que es la fraccin de materia prima convertida por paso en productos y subproductos; por ejemplo, en la sntesis de amoniaco, el rendimiento es del 98%, mientras que la conversin est limitada al 14% por paso por el equilibrio qumico, es decir, que el 14% de materia prima se convierte en productos cada vez que pasa por el reactor, lo que significa que el 86% de materia prima debe ser recirculada. La meta es que la conversin iguale al rendimiento. Debido a las bajas conversiones muchas plantas son 4 o 5 vecesmsgrandesdeloquepodraesperarsesi laconversinigualaraal rendimiento. Laconversinse incrementa mejorando las condiciones de operacin e introduciendo nuevas y mejores materias primas.1.3 Clases de procesos.Los primeros procesos qumicos se hacan de manera intermitente,y muchos continan hacindose de ese modo. Los lotes pueden medirse de manera ms fcil, pero el control de temperatura puede ser difcil. Casi sin excepcin, losprocesoscontinuosrequierenequipomuchomspequeoymenoscostoso, tienenmucho menos material en proceso (y por tanto, tienen menos oportunidad de perderse grandes cantidades) y tienen condiciones de operacin ms uniformes, as como procesos ms uniformes que los procesos intermitentes. Los procesos continuos requieren controles ms rpidos de flujos y de condiciones, los que seran imposibles sin una instrumentacin de buena calidad. El control automtico es ahora de gran valor.Es comn fabricar pequeas cantidades de productos qumicos por medio de operaciones intermitentes, pero cuando el mercado aumenta, deben cambiarse a un proceso continuo. La reduccin en el costo de la planta por unidaddeproduccines, por logeneral lamejor raznparael cambio. Amedidaqueel volumende produccin aumenta, el ingeniero debe calcular el punto en el que los gastos de mano de obra, investigacin,instrumentacin y equipo, justifican un proceso continuo, con inversin y costos de operacin ms bajos, y 3calidad ms uniforme. Cada vez hay ms plantas pequeas automticas en continuo, como un primer paso, cuando el proceso intermitente (o batch) resulta indeseable.Los procesos tambin se clasifican segn el tipo de material que procesan en: sistemas de procesamiento de fluidos, enloscualessemanejandemaneraglobalgases, lquidosyenocasionesslidosfluidizados;y, sistemas de manufactura de piezas discretas, en los cuales son manejadas, casi separadamente, cada pieza de material individual, identificable, dematerialesslidos, ycadaunadeellaspuedecortarse, arreglarseo manipularse para un posterior ensamble simple o complejo de todo el conjunto.La mejor clasificacin de los procesos se hace segn el rea industrial de cubrimiento; a su vez cada rea se subdivide por tipos de productos. Se pueden considerar las siguientes industrias: Industria de productos qumicos del carbn Industria de gases combustibles Gases industriales Carbn industrial Industria de la cermica Cemento Portland, compuestos de calcio y magnesio Industria de la construccin Industria del vidrio Sal y otros compuestos del sodio Industria del clor-lcali, carbonato de sodio, soda custica, cloro Industria electroltica Industria electrotrmica Industria del fsforo Industria del potasio Industria del nitrgeno Azufre y cido sulfrico Industria del cido clorhdrico Productos qumicos inorgnicos diversos Industria nuclear Explosivos, propulsores y agentes qumicos txicos Industria de productos fotogrficos Industria de los recubrimientos de superficies Industria alimenticia Industria agroqumica Fragancias, sabores y aditivos de los alimentos Aceites, grasas y ceras Jabones y detergentes Industria del azcar y del almidn Fermentacin industrial Productos qumicos derivados de la madera Industria de la pulpa y el papel Industria del plstico Industria de fibras y pelculas sintticas Industria del hule Refinacin del petrleo Productos petroqumicos Productos intermedios cclicos y colorantes Industria farmacutica4 Fibras y textiles Minera y beneficio de materiales Productos del caucho Productos metlicos y metalrgicosLas plantas piloto son unidades a escala reducida, diseadas para realizar experimentos de los que se obtienen datosdediseoparaplantasgrandesy, aveces, paraproducir cantidades significativasdealgnnuevo producto que permitan que el usuario lo evale. La planta piloto debe construirse con equipo cuyo material sea idnticoal que se emplear enlaplanta comerciala findecerciorarsedecometer erroresmnimos y obtener ganancias grandes. El desarrollo de experimentos en plantas piloto resulta costoso pero con frecuencia es necesario. Generalmente, es posible calcular y se modelar computacionalmente un proceso para usar menos experimentacin para el desarrollo de nuevos productos. En caso de requerirse experimentacin, conviene el usodel diseodeexperimentosjuntoconanlisisestadsticos, paraminimizarloscostos. Tambindebe reconocerse que es extremadamente costoso experimentar directamente sobre la lnea de produccin.Losprocesosqumicosautomticossoncadavezmscomunes. Losinstrumentosparaprocesamientode datosydecomputacinenrealidadseencargandelmanejodeloscomplejossistemasdeprocesamiento qumico actuales. Algunos instrumentos pueden incluso optimizar las condiciones de la planta para cumplir conlasvariables condicionesdelaalimentacin. Losinstrumentos nodebenelegirsesimplementepara registrar las variables de proceso; sufuncin consiste endetectar, controlar, registrar ymantener las condiciones de operacin deseadas, para asegurar una calidad consistente. Enlasoperacionescontinuasagranescala, lafuncindelpersonal esmantenerlaplantaencondiciones adecuadas de funcionamiento, entonces los instrumentos son una herramienta esencial para el procesamiento moderno. Lassecuencias intermitentes requierenpocosinstrumentosy, por tantodemayor supervisin, debido a que las condiciones varan de principio a fin. Estos problemas incluso pueden resolverse por medio de instrumentos programados, siempre que el gasto pueda justificarse.La instrumentacin que alguna vez fue una parte trivial dentro de la inversin de la planta, se ha elevado hasta un 25%en algunos casos; no obstante, el vertiginoso desarrollo del computador ha reducido considerablemente los costos. La instrumentacin se ha colocado en esta posicin debido al aumento de los procesoscontinuos, porel incrementodecostosdemanodeobraydesupervisin, porlarelativamente limitadaconfiabilidaddelacapacidadhumanay por ladisponibilidadde muchos tiposdeinstrumentosy monitores a precios decrecientes y de confiabilidad creciente.Normalmente se usan dos tipos de instrumentos: los analgicos y los digitales. Los instrumentos analgicos, comolostermmetrosylosmedidores depresindeBourdon, producenresultados por el movimiento mecnico de algn tipo de dispositivo proporcionales a la cantidad a medir. Los dispositivos digitales utilizan generalmente, un transductor, que es un dispositivo para convertir la cantidad que se mide en algn tipo de seal (generalmenteelctricaoneumtica), ycircuitoselectrnicosparaconvertirestaseal ennmeros legibles que son exhibidos o registrados. Parece existir una tendencia hacia los instrumentos digitales, pero muchos dispositivos analgicos continan siendo muy deseables. La computadora puede monitorear y regular las salidas de cualquier tipo de dispositivo, de acuerdo con un programa preestablecido,pero en general se prefiere que las entradas sean digitales.El control analtico qumico se aplica actualmente para el anlisis de las materias primas que llegan, para los materiales en proceso y para el producto que sale. Generalmente, los anlisis convencionales son costosos, lentos y dependen de mtodos de muestreo con alta incertidumbre. La llegada de mtodos cuantitativos de anlisis rpidos, confiables, sensibles, automatizados y econmicos ha vuelto factible el control basado en 5anlisis realizados dentro del proceso mismo; as, la produccin de bienes de ptima calidad se hace en forma mucho ms confiable actualmente. Los cromatogrfos, los sensores de pH, los anlisis por conductividad y an la espectroscopa de masas se han automatizado para su empleo en la industria.1.4 Entorno econmico de los procesos qumicos.Losingenierosdifierendeloscientficosporsupreocupacinrespectodeloscostosybeneficios. Cada decisin de ingeniera implica consideraciones de costos. Los ingenieros deben estar siempre al tanto de los cambios econmicos que puedan afectar sus productos. El objetivo principal de todos los esfuerzos de un ingeniero debera ser la entrega segura a su jefe y al pblico consumidor de los mejores productos o servicios ms eficientes al ms bajo costo.Desde que el cambio es una caracterstica notable de los procedimientos qumicos, la alteracin potencial de cualquier proceso es importante, no slo en el momento cuando se disea la planta, sino en forma permanente. Una de las funciones de la divisin de investigacin y desarrollo (I&D), es mantener informada a ladireccindelacompaasobrelosavancesyactualizacionesenprocesosdeproduccindecualquier producto en el que la organizacin est interesada. Esta divisin I&D debe mantener informacin relativa a losdesarrollosenotrascompaasyestarenposicindeasesoraralaadministracinsobrelasituacin relativamente competitiva de los procesos o productos, actuales o futuros. As, elegir un proceso para fabricar un determinado producto, es una decisin econmica.Los ingenieros se preocupan por el control y ahorro de la energa. Esta puede gastarse en el transporte de la materiasprimasporbarco, camionesoductos;puedeserempleadaenformadecalordel vaporocomo electricidad;obien,puedeserlaenerga desprendida enlasreaccionesexotrmicas o la absorbida enlas reacciones endotrmicas. Los costos de la energa del petrleo, gas, carbn, solar, nuclear, elctrica, elica o hidrulica estn en cambio constante, por lo cual es difcil planificar a largo plazo. La energa es uno de los gastos ms importantes en las plantas qumicas, pero a menudo es posible reducir su uso por la alteracin de los mtodos de procesamiento, en particular por el uso de nuevas tecnologas de separacin.Losobreroscapacitadoscontribuyendefinitivamenteal xitodeunaplanta. Laindustriadelosprocesos qumicos ha cambiado rpidamente a las tcnicas de ahorro de mano de obra gracias a la apresurada extensin delosprocesos continuos, el usodeloscontroladores automticosdeprocesoylosprocedimientosde optimizacin de recursos. Los requerimientos de mano de obra en la industria qumica son comparativamente pequeos, pero en muchos trabajos se requieren habilidades excepcionales y se pagan salarios por encima del promedio. Los procesos manuales demostraron hace muchos aos ser lentos y costosos, adjetivos que no estn en el vocabulario moderno de la ingeniera. La condicin fsica del producto tiene gran influencia sobre su mercado. El empacado y el almacenamiento son costosos y deberan evitarse cuando fuese posible. Los recipientes ms econmicos son los de transporte a granel, como los tanques, los buques cisterna, las tuberas, los carros tanque, etc. El carbn y otros slidos se han transportado por medio detuberas ensuspensinen agua. Losferrocarrilesque transportan una sola mercanca hacia unsolodestino, seusanenmuchos lugares para reducir los gastos detransporte. La apariencia del recipiente es importantesolamente para los productos quesonvendidos directamente al consumidor.El personal de ventas constituye los ojos, odos y nariz de la compaa, al traer informacin que ayuda en las predicciones econmicas. En muchas compaas se han logrado posicionar muchos productos gracias a las sugerencias de los vendedores. Debido a que la experiencia tcnica y la habilidad para las ventas difcilmente se encuentran en la misma persona, se utiliza el departamento de servicio al cliente, como complemento para constituir un buen contacto entre consumidores y empresa.La primera responsabilidad de un gerente de planta es hacer que se trabaje de modo que se produzcan, con seguridadybuenambientelaboral, bienesaceptadosenel mercadoyconutilidades. Nohaydesempeo 6excelente sin una moral alta. Cuando una organizacin pierde su capacidad de evocar el desempeo individual elevado, seacabansus grandes das. Lamoral es comolalibertad, serequiere trabajoconstantepara preservarla y merecerla. As, el xito de un proceso est en lograr la eficiencia tanto en el proceso productivo como en la parte externa a la produccin.Paraaumentar lasganancias enel futuro, es necesariorealizar unainvestigacinadecuadayhbil con generacin de patentes. En la industria de procesos qumicos, una de las caractersticas ms relevantes est en el cambiorpidodelos procedimientos, enlas nuevas materias primas yenlos nuevos mercados. La investigacin crea o utiliza estos cambios. Sin una investigacin cuidadosa, la compaa se queda atrs en el progreso competitivo. El desarrollo es la adaptacin de las ideas de la investigacin a las realidades de la produccin y la industria. El progreso de la industria abre nuevos mercados an para productos fundamentales ya posicionados. Los resultados y beneficios de la investigacin son: procesos nuevos y mejorados, costos y precios bajos de los productos, servicios y productos antes desconocidos, transformacin de materias raras en abastos comerciales de utilidad prctica, abastecimiento adecuado de materiales que anteriormente se obtenan slo comosubproductos, liberacinde ladominacincomercial ejercida por otros pases, estabilizacindel negocio, empleo en la industria y productos de calidad mejorada. Cada vez ms los ingenieros se dan cuenta de que ya no pueden pensar en una planta de proceso como si esta fuera una coleccin de operaciones y procesos diseados en forma individual. Cada vez es ms evidente que cada unidad separada de una planta tiene influencia sobre las otras, en forma sutil y directa. Tambin es cierto que la planta es una parte de un sistema ecolgico que se extiende mucho ms all de sus fronteras.Actualmente, se puede estudiar el comportamiento dinmico y esttico de las plantas mediante modelacin computacional. Estos estudios han mostrado nuevas posibilidades que no se haban concebido antes para la operacindeunaplanta. Enlugar demedir eintentar mantener controlada unatemperatura, presiny condiciones generales en forma rgida (control de retroalimentacin), los ingenieros estn tratando de ajustar las variables del sistema de modo que la produccin sea satisfactoria, an cuando las condiciones de entrada seanmuyvariables ynoestnfijas (control conalimentacinhacia adelante). Nuestra generacinde ingenieros debe estudiar y mejorar las plantas entendindola como sistemas complejos interactuantes, dejando atrs laideade los sistemas simples estticos que secomponensolamente deoperaciones yprocesos unitarios.1.5 Proteccin ambiental.Cada ao, laproteccindel ambiente requiere ms atencinpor parte de los ingenieros. Los factores ambientales afectan a toda la industria qumica y a los negocios en general. Los gastos comunes e importantes para el controldela contaminacinenel mundo reflejan la intervencin de los gobiernos mediante leyes estrictas. Estas son aplicadas por las agencias de proteccin ambiental. La ms reconocida es la Environmental Protection Agency, EPA de los Estados Unidos. Lasleyespara el controldela contaminacininiciaron en la dcada de los 50,y cada aosehacenms rigurosas con el fin de minimizar el impacto de las industrias sobre el medio ambiente. La contaminacin se dividesegnel estadodelamateriadeestaen: contaminacindeaguas, contaminacinatmosfricay contaminacin por manejo de residuos slidos.1.5.1 Aguas residuales en la industria.La disposicin eficiente de las aguas residuales es importante para cualquier comunidad. Las aguas residuales se dividen segn la proveniencia en aguas residuales domsticas y aguas residuales industriales.Las aguas residuales domsticas recibenenla actualidadtres tipos de tratamientos: primarioofsico, secundario o biolgico y terciario o especializado, con el objetivo de eliminar la cantidad de residuos slidos 7ylademandabioqumicadeoxgeno(cantidaddeoxgenorequeridaporunapoblacinmicrobianapara estabilizar la materia orgnica biodegradable; en otras palabras, la DBO es una medida de la carga de materia orgnica que tiene una corriente de agua residual).El problema de manejar de manera adecuada las aguas residuales industriales es ms complejo y mucho ms difcil que el de las aguas residuales domsticas. Se requieren estudios econmicos y tcnicos para determinar la manera menos costosa de cumplir con los requerimientos legales y de reducir los gastos, o de lograr una ganancia al recuperar materiales vendibles. Otros factores, como la reduccin de los valores de los terrenos, el peligro para los habitantes, as como la destruccin de la vida silvestre, estn tambin incluidos. La gran variedad de desechos qumicos producidos en las fbricas, hace obligatorio el tratamiento especfico en muchos casos. Algunas prcticas de tipo general se encuentran en operacin en diversos campos. Una de ellas consiste en almacenar los desechos o confinarlos en lagunas. Esto puede servir para varios propsitos diferentes. En las fbricas donde se tengan desechos cidos o bsicos, se reduce el costo de neutralizacin. En las plantas que tienen aguas de desecho que contengan grandes cantidades de materia orgnica (por ejemplo, fbricas de papel) esto resulta en una disminucin de la materia en suspensin y en una reduccin de la DBO (demanda bioqumica de oxgeno). El empleo de agentes floculantes (como el alumbre, Al2SO4) para eliminar slidos suspendidos, y la aireacin para reducir la DBO, son comunes en muchas industrias.Un problema general de todas las industrias es la disposicin de los desechos que se obtienen como resultado del tratamiento de ablandamiento del agua. Los lodos de cal pueden arrojarse en lagunas y sedimentarse, o se pueden desaguar y calcinar para reutilizarlos. Este lodo encuentra una aplicacin en la absorcin de aceites de otrosdesechos. Lasalmueraaplicadaenlaregeneracindelasplantasdeintercambioinicobienpuede almacenarse y despus verterse en los ros, por dilucin controlada, cuando hay crecidas. Cuando la industria utiliza materias primas de complicada naturaleza orgnica, puede aplicarse un proceso de lodos activados para tratar los desechos. Este proceso puede adaptarse a desechos de enlatadoras, plantas empacadoras de carne, plantas de procesamiento de leche, plantas extractoras de grasa, etc.Muchos compuestos orgnicos sontxicos, resistentes aladegradacinnatural yrequierenunmanejo especial antes de que sean descargados con seguridad. Una tcnica para eliminar estos materiales txicos de las aguas residuales consisteenabsorberlos encarbnactivadooenunaresina polimrica porosa. Es frecuentequeel material orgnicopuedaquitarsedelaresinapormediodeunsolventeadecuado, para despus reciclarlo. El proceso ha dado buenos resultados en tratamiento de aguas residuales que contienen plaguicidas clorados.Los residuos de las curtiembres pueden tratarse por floculacin y sedimentacin o filtracin. Los desechos de las plantas cerveceras son tratados por medio de filtros percoladores para reducir la DBO y retirar la mayor parte de los slidos suspendidos. Las plantas papeleras tienen un serio problema, en especial el referente al tratamiento dedesechosde sulfitos.El procesamiento delosdesechosde las grandes plantas qumicas es extremadamente complejo debido a la gran divisin de productos qumicos fabricados. Por ejemplo, la Dow Chemical Co., enMichigan, manufacturamsde400productosqumicosen500plantasdeprocesoy laboratorios, lo que arrojaba en 1988 un total de 757 000 m3/da de aguas residuales. En muchos casos se neutralizan desechos cidos con desechos bsicos. Muchos de los desechos conviene que sean tratados en la fuente, con la idea de recuperar materiales valiosos y subproductos. La Kodak elimina la contaminacin de ros mediante el empleo de tanques de clarofiltracin, de la filtracin de lodos y de la disposicin de tortas,tambin emplea el intercambio inicopara regenerar el cido fosfrico usadocomoelectrolito en el anodizado de hojas de aluminio. El tratamiento anaerbico es til para un amplio cmulo de desechos orgnicos y, como ganancia, produce gas combustible rico en metano, que puede quemarse en plantas de energa. En el tratamiento de los residuos industriales se ha hecho hincapi en la recuperacin de materiales tiles. Los desechos de la fermentacin, despus de ser evaporados y secados se venden como alimento para animales. El empleo de intercambiadores inicos promete la recuperacin de cromo y de otros metales de los procedimientos de galvanizado. El sulfato 8ferrososeobtieneengranproporcinenoperaciones debaoqumico. El costodelaenerga es una consideracin muy importante en cualquier mtodo de disposicin de desechos.En el pasado, las corrientes de desecho o los lodos que tenan productos qumicos peligrosos se vertan en pozos profundos, se arrojaban al ocano o se almacenaban en rellenos. Todos estos mtodos son objetables por una u otra razn, y en los nuevos reglamentos se exigen mtodos alternativos de disposicin.Laoxidacinconairehmedoesunodeestosmtodos, yofrecelaoportunidadderecuperarproductos qumicos inorgnicos. La oxidacin se lleva a cabo en medio acuoso a temperaturas entre 200 y 300 C. El agua residual reacciona con aire comprimido. Se aprovecha el calor desprendido de la reaccin para elevar la temperatura del reactor. El tiempo y temperatura dependen del desecho.1.5.2 Desechos slidos industriales.La mayor parte de los desechos slidos se separan como lodos de los procesos o de las aguas residuales y deben ser tratados para hacerlos relativamente inocuos antes de disponer de ellos. Lo materiales peligrosos incluyen desde sales inorgnicas, compuestos orgnicos hasta materiales radiactivos. Cada tipo de material puede requerir un tratamiento diferente. Por lo comn, el lodo se desagua centrifugndolo, por filtracin o por tratamiento trmico. La digestin aerbica o anaerbica puede eliminar algunos compuestos orgnicos de los procesos orgnicos, petroqumicos ypapeleros,para asreducir la DBOdel lodoresultante.Sinembargo, muchos compuestos inorgnicos y algunos materiales orgnicos deben fijarse qumicamente. La neutralizacin de los cidos o de las bases es un mtodo comn. La oxidacin de muchos compuestos los puede convertir en productos inocuos, pero la toxicidad de otros compuestos nose destruye contanta rapidez. Otromtodopara inactivar los materiales peligrosos es enlazarlos a una matriz qumica que sea impermeable a la penetracin del agua. La incineracin en seco o en hmedo es un camino muy utilizado. La pirlisis (desintegracin sin oxidacin) es prometedora, pero no ha sido exitosa ni tcnica ni econmicamente, cuando se usa en disposicin de basuras y llantas.Los desechos radiactivos han causado problemas difciles para su disposicin. La vitrificacin y la granulacin se emplean hoy para eliminar la necesidad de almacenar materiales radiactivos lquidos y, por tanto, la posibilidadde que el desechose filtre atravs de unrecipiente deteriorado. Los rellenos y almacenamiento en formaciones geolgicas profundas, han sido los mtodos ms comunes de disposicin. Sin embargo, lasdudasdecarcter ecolgicoaparecenyserealizaunaintensainvestigacinparaencontrar mtodos adecuados y seguros para disponer este tipo de desecho.Las bolsas de desechos desempean una funcin til para encontrar clientes para los mismos. Por medio de estasbolsassepublicanlistasdedesechosdisponiblesparareutilizarlos, as comodelascompaasque buscan materiales de desechos en particular; la bolsa procede como intermediaria entre las dos partes. Las compaas de disposicin de desechos se vuelven cada da ms activas en el negocio de la disposicin de desechos qumicos. Resultan especialmente tiles para las compaas pequeas. Que no tienen instalaciones para almacenar sus propios desechos.1.5.3 Contaminacin del aire.La contaminacin atmosfrica es un problema global. Entre las muchas causas de la contaminacin del aire se encuentran las operaciones industriales, la generacin de potencia y electricidad, los vehculos de transporte y la incineracin de desperdicios y desechos realizada por los ciudadanos. Actualmente hay siete contaminantes del aire, ellosson: ozono, monxidodecarbono, hidrocarburos, dixidodeazufre, xidosdenitrgeno, plomo y material particulado fino.Muchos materiales contaminantes pueden ser eliminados en el sitio de su produccin, por ejemplo, en el tubo deescapedeunautomvil, antesdequeseformeel humo. Paraestosehanproducidopostquemadores 9catalticos. Los sistemas catalticos de escape se instalaron en los autos modelo 1975 en Estados Unidos para cumplir con los lineamientos de emisin de la EPA para hidrocarburos y monxido de carbono. El empleo de los sistemas catalticos deescaperequieregasolinalibredeplomo, demodoqueel catalizador nosea envenenado.Los contaminantes del aire que emanan de los procesos qumicos y de otras instalaciones industriales pueden ser gases, neblinas(partculas lquidasmenores de10 mdedimetro), partculasderoco(partculas lquidas mayores de 10 m), material particulado, vahos o combinaciones de los anteriores. Los precipitadores electrostticos se empleanmuchopara recolectar polvo, juntoconcolectores de bolsas, ciclones y lavadores.De los contaminantes gaseosos que se desprenden de los procesos qumicos, el dixido de azufre es el que ha recibido mayor atencin. El SO2 ha sido descargado en la atmsfera en grandes cantidades por las plantas de energa que consumen carbn y petrleo que contienen azufre. Entre otras fuentes, se encuentran los procesos de tostacin de minerales para la produccin de plomo, cobre y zinc, as como las plantas de cido sulfrico. La industria de la energa produce la mayor contaminacin. Para resolver el problema, un enfoque posible consiste en la desulfuracin del combustible, antes de emplearlo en una caldera. Esto se ha empleado durante aos en la industria petrolera para producir aceite con bajo contenido de azufre; sin embargo, la desulfuracin del carbn sigue en proceso de investigacin. SehandiseadovariosprocesosdeeliminacindeSO2contenidoengasesdelaschimeneasdeplantas grandes. Se han empleado el lavado con lechada de piedra caliza, la conversin cataltica de SO2a SO3, el lavadodetiposecador deroco, el lavadosecoconnahcolitaoconotrosagentesalcalinossimilares, la reaccin de SO2con sulfito de sodio para formar bisulfito de sodio a temperaturas relativamente bajas y la absorcin de SO2 por una solucin de citrato de sodio.La eliminacin de SO2 y de los NOx de los gases efluentes de la combustin del carbn y del petrleo se ha convertido en una cuestin ecolgica muy importante. Se han construido chimeneas cada vez ms altas para descargar los contaminantes muy arriba de la atmsfera, de modo que no contaminen el aire circundante. Sin embargo, los gases nocivos son atrapados por los vientos dominantes y se convierten cidos ntrico y sulfrico por contacto con la humedad del aire, para luego depositarse como lluvia cida, alejados de su fuente. Esta lluvia tiene un pH que oscila entre 1.5 y 4.0; su efecto en la vida vegetal y marina es desastroso y ciertamente noesdeseableparaloshumanos. Losbosquessedeterioran, enprimerlugar, porladisminucindelos microorganismosdelsueloquefijanelnitrgeno. Lospecesquehabitanloslagosdondecaeestalluvia enferman y mueren.1.6 Diagramas de flujo.Para la mayora de los estudiantes, el diagrama de flujo es una hoja impresa de un libro que contiene una serie de smbolos, cada uno de los cuales describe en forma simple una parte del equipo industrial. Los smbolos estninterconectados por segmentos de lnea recta, dispuestos entrayectorias oblicuas ytortuosas. El mencionadodiagramadeflujocualitativo, descritodeestamaneraseempleafrecuenteytilmentepara ilustrar la organizacin general de un proceso fisicoqumico, pero en la industria tiene poco valor.Para el ingeniero del tipo estudiante en prctica, un diagrama de flujo es muy diferente. An cuando pueda ser de diferentes tipos (de procesos, mecnico, de instrumentacin, etc.), el diagrama de flujo del proceso es un instrumento clave para definir, refinar y documentar un proceso fisicoqumico.El diagrama de flujo del proceso es el esquema autorizado del proceso, el armazn para estimar el costo y la fuente de especificaciones utilizada en el diseo y designacin del equipo. Adquiere el status de escritura cuando est ya canonizada en su forma final a travs de un exhaustivo clculo y vigorosa discusin; es el nico documento autorizado que se emplea para definir, construir y operar el proceso qumico.10Imitandoaunperidicofamoso, unfolletomuysencilloimprimiellemaensuencabezado: Todaslas noticias importantes estn impresas.Esto, en muchos aspectos describe la disposicin de un diagrama de flujo industrial. A diferencia de los documentos cualitativos, que a menudo estn distorsionados por necesidad para que se ajusten a las limitaciones de una pgina impresa, el tamao en s del diagrama se ampla para acomodar los detalles necesarios. En la prctica convencional, los diagramas de flujo de tamao muy grande se doblan y se guardan en bolsas especiales junto con el reporte de diseo. En reportes o procesos menos elaborados ocuandolailustracines ms importantequelaprecisinyel detalle, seempleancopias reducidas y hojas dobles. Los diagramas de plantas muy grandes o muy complejas, exceden la capacidad de una simple y maniobrable hoja de papel, y se representan con segmentos o mdulos de los procesos (cada uno en una hoja separada) relacionados el uno con el otro por medio de un cdigo de eslabonamiento adecuado. Algunas compaas hacen ajustar el diagrama en una simple hoja lineal an cuando esta deba tener 6 m de longitud. Losdiagramasdeflujoactualessemantienenenformatoelectrnico, puesseconstruyenconprogramas modernos decomputacin(comoAutoCad, ChemCad, Aspen, etc.). Los sistemas deinstrumentaciny control modernos utilizan diagramas de flujo en las pantallas de computador de las cabinas de control como medio ilustrativo para monitorear el proceso.En realidad, hay muchos diagramas de flujo que se utilizan para diferentes propsitos; la nomenclatura no es estndar y la mayor parte de las compaas y libros tienen sus propias ideas sobre la materia. Para hacer los diagramas de flujo se usan smbolos, los cuales se escogen desde el punto de vista de la claridad y simplicidad y generalmente guardan cierto parecido con el equipo representado. Adems de smbolos y lneas, el diagrama de flujo debe incluir nmeros y nombres de identificacin del equipo, presiones, temperaturas, identificaciones y servicios, flujo molar msico o volumtrico de las corrientes seleccionadas y una tabla de balance de materia ligada por medio de una clave a las lneas del proceso. Puede contener adems otra clase de informacin, como la rapidez de intercambio de energa y la instrumentacin.Un diagrama de flujo es indispensable para efectuar balances de materia y energa de un proceso o de un equipo, as como para comenzar el estudio sobre el mejoramiento y utilizacin de los equipos. Los diagramas de flujo son la herramienta fundamental de los ingenieros de proceso. Hay varias clases de diagramas:Diagramas de bloques:En ellos se representa el proceso o las diferentes partes de un proceso por medio de cajas o rectngulos que tienen entradas y salidas. Sobre el rectngulo se suele poner la indicacin de lo que representa l mientras quesobrelas lneas querepresentancorrientes deentrada osalidaseindicala naturaleza de estas corrientes (sustancia, flujo, temperatura, presin, concentracin, etc,)Figura 1.2 Diagrama de bloque general.Diagramascon equipos:Enestos se muestran lasinterrelaciones entre losequipos mayorespor mediode lneas deunin. Pararepresentar los equipos seusansmbolos querecuerdanel equipoolos equipos utilizados. Laspropiedades fsicas, lascantidades, temperatura y laspresiones delos materiales son parte importante de estos diagramas. Estos valores se indican en tres formas: poniendo sobre cada lnea los datos, identificando cada lnea con un nmero que se refiere a una lista sobre el diagrama o mostrando todo en una hoja de tabulacin. Estos dibujos se usan para:11Planta decido sulfricoCBCADA AzufreB AireC AguaD cido sulfrico Ayudar en el diseo y acomodamiento de la planta. Dar una idea clara del proceso o de una planta. Ayudar en el dimensionamiento del equipo. Servir como medio deenseanza e instruccin del personal relacionado con el proceso o con el equipo. Ayudar a la resolucin de los balances de materia y energa.EnlaFigura1.3semuestraunaoperacindeevaporacindeunadisolucindeNaOHconobjetode concentrar el soluto. La evaporacin se llevaa cabo en tres evaporadores conectados en serie. Para efectuar esto se debe evaporar agua que sale de los equipos con las corrientes E, F y G.Figura 1.3 Diagrama de flujo con equipos.A continuacin se muestran los esquemas que hacen parte de la simbologa utilizada para la construccin de diagramas con equipos.121314151617181920INSTRUMENTACIN21Diagramas de instrumentacin: Muestran los requerimientos para el control e instrumentacin de la planta. En laFigura1.4semuestraunprocesodedestilacinflash, queconsisteenvolatilizarpartedeunamezcla lquida agregndole calor. La mezcla se debe mandar a un tanque separados, el cual presenta un rea de flujo losuficientementegrandecomoparaqueseparelamezcladelquidoyvapor. Losproductos, vapor y lquidos, queseextraendel tanqueestnenequilibrio, es decir alamismatemperaturaypresin. La temperatura del tambor se mantiene constante por una vlvula que controla el flujo de vapores salientes del tanque; el flujo del lquido se controla con una vlvula controladora de nivel.Figura 1.4 Diagrama de instrumentacin.1.7 Combinacin de equipos para formar procesos.Los smbolos anteriores se combinan para representar procesos qumicos y fsicos. A partir de un diagrama de flujo con el esquema de los equipos es posible explicar qu sucede a los materiales durante dicho proceso, tal y como se muestra en el ejemplo siguiente.Ejemplo: Describir a partir del diagrama de flujo que se muestra en la Figura 1.5 el proceso de fabricacin de nitrotolueno.Solucin:En la manufactura de nitrotolueno se emplean como materias primas cido ntrico, cido sulfrico y tolueno. Los cidos se bombean hasta un mezclador en donde se introduce tambin una corriente de reciclo de cido proveniente del decantador.La mezcla de cidos se introduce al nitrador en donde se alimenta tolueno. El nitrador es un tanque cerrado, con agitador y enfriado con un serpentn. El agua es el fluido de enfriamiento que pasa por el serpentn. La mezcla fluye por gravedad hasta un segundo nitrador y luego al decantador.Parte del cido obtenido en el decantador se recircula y el resto se manda a una planta de concentracin que no se muestra en el diagrama. Los nitrotoluenos estn contaminados con cido, por lo que se lavan en tres etapas: conagua, con solucinde carbonatode sodioycon agua.Los lavadossedecantan pormediode tanques decantadores, aprovechando la diferencia de densidades entre el nitrotolueno y el agua.Los nitrotoluenos se almacenan en un tanque y de all se llevan a una columna de platos que opera en rgimen transitorio. Laprimeraporcindedestiladosocabezassequitanpuesallseencuentranlasparafinas; la siguiente fraccin, que es una mezcla de orto meta y para nitrotolueno, se recolecta en tanques. La operacin 22intermitente de la columna de platos se muestra por medio de dos tanques y dos vlvulas colocadas despus del condensador.Los tres ismeros se mandan desde el tanque almacenador a una columna de destilacin continua del tipo empacada. Del fondo de esta columna se extrae una mezcla de meta y para nitrotolueno y por el domo se extrae orto tolueno. La mezcla de meta y para tolueno se enfra, se manda a un cristalizador y se separa con una centrfuga.23Figura 1.5 Diagrama con equipos para el ejemplo 1.241.8 Principales Operaciones Unitarias.Todos los procesosindustriales estn compuestos de diversas etapasllamadasoperacionesunitarias.Estas operaciones unitarias son las mismas sea cual fuere la naturaleza especfica del material que se procesa; as, muchasdeestas etapas son similares entre un proceso y otro.Unaoperacin unitariaes una etapa deun proceso en la cual se logra una transformacin fsica especfica. La transicin desde el laboratorio hasta la fbricaeslabasedelaindustriadeprocesos, quereneenunsoloprocesocontinuollamadolneade produccin las operaciones unitarias que en el laboratorio se efectan de forma independiente. La forma de articular los procesos mediante operaciones unitarias permite concluir que un equipo de un proceso puede utilizarse para otras aplicaciones diferentes a aquellas para las cuales fue diseado. Las operaciones unitarias principales son:Absorcin.En la absorcin se separa uno de los componentes a partir de una mezcla gaseosa mediante contacto con un lquido selectivo en contracorriente que lo solubiliza, y por tanto lo arrastra. El lquido selectivo se llama absorbente. La sulfitacin con SO2 del azcar es un ejemplo de absorcin.Figura 1.6 Esquema de la absorcin.Adsorcin.Aprovecha la tendencia que tiene una sustancia slida deretener sobre susuperficie una capa de un componente indeseable en una mezcla fluida. La sustancia slida se llama adsorbente. La remocin de la humedad del aire usando slica gel es un ejemplo de esta operacin.Figura 1.7 Esquema de la adsorcin.25Torre de AbsorcinLquido + ALquido AbsorbenteMezcla gaseosaMezcla gaseosalibre de AMezcla lquida libre de AMezclalquidaSlido adsorbenteMezcla gaseosaMezclaGaseosa libre de ASlido adsorbenteAgitacin y mezclado.Se refiere a forzar un fluido por medios mecnicos para que adquiera un movimiento circulatorio (o aleatorio) enel interiordeunrecipiente. Seutilizaparadisolverunsoluto(slidoolquido)enunsolvente, para homogenizar una mezcla, para dispersar un gas en un lquido o viceversa, para aumentar la velocidad durante una transferencia de calor, para acelerar una reaccin qumica, etc. El mezclado se logra de diversas maneras, por ejemplo: mediante una hlice, un tornillo helicoidal, un tornillo sinfn, un sistema de rodillos, un sistema de balines internos con movimiento del tanque, burbujeo de gas, etc. Aglomeracin.Serefiereal incrementodetamaomedianteel agrupamientodepartculas finas. Enestaseincluyela compactacin, la extrusin y la formacin de cristales a partir de una semilla. Esta operacin se utiliza por ejemplo en la fabricacin de hojuelas de maz y de caldo de gallina en cubos.Figura 1.8 Esquema del mezclado.Figura 1.9 Esquema de la aglomeracin.Centrifugacin.Se utiliza para separar materiales de densidades diferentes por la accin de fuerzas centrfugas que actan sobre ellos. Se usa cuando la decantacin se demora mucho, es decir, cuando la partculas son muy finas; tambincuandoladiferencia dedensidades noes significativa. Tambinseefecta centrifugacincon filtracin para separar una fase slida de una lquida. La centrifugacin se utiliza en la limpieza de cristales de azcar antes del secado, en la fabricacin de aceites vegetales, en el procesamiento de jugos de frutas, etc.26AglomeradorPartculas aglomeradasPartculas finasFase menos densaFase ms densaMezclaProductoSolvente SolutosProductoGasLquidoFigura 1.10 Esquema de la centrifugacin.Cristalizacin.En esta se forman partculas slidas puras a partir de una solucin lquida homognea. Se logra a partir de soluciones saturadas, es decir, aqullas sustancias que tienen la mayor cantidad de solvente disuelto. Se logra de dos maneras: en caliente, por evaporacin del solvente y en fro cuando la concentracin de soluto se hace mayor a la solubilidad a la temperatura determinada. Todos los productos en forma de cristales se fabrican en un cristalizador, por ejemplo, el cido ctrico, el azcar y la sal.Desorcin.Es la operacin inversa a la absorcin, en la cual se transfiere un soluto desde un solvente hacia una mezcla gaseosa. La desorcin se utiliza, por ejemplo, para retirar trazas de tricloroetileno decorrientes de agua con el fin de cumplir normativas de emisin; el gas empleado es aire.Figura 1.11 Esquema de la cristalizacin.Figura 1.12 Esquema de la desorcin.Destilacin.27Solucin saturadaCalentamientoo enfriamientoCristales + Solucin saturadaVaporTorre de DesorcinLquido Lquido +AGasGas + AEs la operacin unitaria que consiste en calentar un lquido hasta que sus componentes ms voltiles pasan a la fase de vapor y, a continuacin, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma lquida por mediodelacondensacin. El objetivodeladestilacines separar unamezcla devarios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar materiales voltiles de aquellos no voltiles. En la evaporacin y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos voltil; el componente ms voltil, casi siempre agua, se desecha. Sin embargo, la finalidad principal de la destilacin es obtener el componente ms voltil en forma pura. Por ejemplo, la eliminacin del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporacin, perola eliminacindel agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilacin, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos.Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullicin) entre los dos componentes es grande, puede realizarse fcilmente la separacin completa en una destilacin individual. El agua del mar, por ejemplo, que contiene un 4% de slidos disueltos (principalmente sal comn), se puede purificar con facilidad evaporando el agua, y condensando despus el vapor para recoger el producto: agua destilada. Si los puntos de ebullicin de los componentes de una mezcla slo difieren ligeramente, no se puede conseguir la separacin total en una destilacin individual. Un ejemplo importante es la separacin de agua, que hierve a 100 C, y alcohol, que hierve a 78,5 C. Si se hierve una mezcla de estos dos lquidos, el vapor que sale es ms rico en alcohol y ms pobre en agua que el lquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar una disolucin quecontengaun10%dealcohol (comolaquepuedeobtenersepor fermentacin) paraconseguir una disolucin que contenga un 50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de volver a destilarse una o dos veces ms, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias destilaciones. Si se consigue que una parte del destilado vuelva del condensador y gotee por una larga columna a una serie de placas, y que al mismo tiempo el vapor que se dirige al condensador burbujee en el lquido de esas placas, el vapor y el lquido interaccionarn de forma que parte del agua del vapor se condensar y parte del alcoholdel lquidose evaporar. As pues, la interaccinencada placa es equivalente a una redestilacin, y construyendo una columna con el suficiente nmero de placas, se puede obtener alcohol de 95% en una nica operacin.Adems, introduciendo gradualmenteladisolucin original de10% de alcoholen un puntoen mitaddelacolumna,se podr extraerprcticamentetodo elalcoholdel aguamientrasdesciende hasta la placa inferior, de forma que no se desperdicie nada de alcohol.Esteproceso, conocidocomodestilacinfraccionada, seutilizamuchoenlaindustria, porejemplo, para mezclas ms complejas como las que se encuentran en el alquitrn de hulla y en el petrleo. La columna fraccionadoraqueseusaconmsfrecuenciaeslallamadatorredeburbujeo, enlaquelasplacasestn dispuestas horizontalmente, separadas unos centmetros, y los vapores ascendentes suben por unas cpsulas de burbujeo a cada placa, donde burbujean a travs del lquido. Las placas estn escalonadas de forma que el lquido fluye de izquierda a derecha en una placa,luego cae a la placa de abajo y all fluye de derecha a izquierda. Un equivalente econmico de la torre de burbujeo es la llamada columna empacada, en la que el lquido fluye hacia abajo sobre una pila de anillos de barro o trocitos de tuberas de vidrio.28SolucinLquido ms voltilLquido menos voltilFigura 1.13 Esquema de una destilacin.La nica desventaja de la destilacin fraccionada es que gran parte del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar ms calor. Porotra parte,el funcionamientocontinuopermite grandes ahorros decalor, ya que eldestiladoque sale puede ser utilizadopara precalentar el material que entra. Cuandola mezcla est formada por varios componentes, stos se extraen en distintos puntos a lo largo de la torre. Las torres de destilacin industrial para petrleo tienen a menudo 100 placas, con al menos diez fracciones diferentes que son extradas en los puntos adecuados.Evaporacin.Tcnicamente la evaporacin es la conversin gradual de un lquido en gas sin que haya ebullicin. Es la remocin del solvente mediante su ebullicin por adicin de calor. Se diferencia de la destilacin porque el soluto es muy poco voltil. La evaporacin generalmente se asocia con la remocin de grandes cantidades de agua. En la industria azucarera se disponen mltiplos evaporadores que trabajan en serie y/o en paralelo para minimizar el consumo energtico. El vapor que sale de un evaporador se emplea como medio de calefaccin para el evaporador de la etapa siguiente, el cual deber operar a una presin menor, para que el agua pueda hervir a una temperatura ms baja.Figura 1.14 Esquema de la evaporacin.Extraccin lquido-lquido.Tambin se conoce como extraccin por solvente, se lleva a cabo al tratar una mezcla de diferentes sustancias con un lquido selectivo (solvente). Al menos uno de los componentes de la mezcla debe ser inmiscible o parcialmente miscible con el solvente utilizado. Al final aparecen dos fases lquidas, una de ellas rica en el solvente yenel productode inters. Luegoseseparanel solvente yel productodeinters mediante evaporacin, el solvente lgicamente se reprocesa. La extraccin con solventes es comn en la fabricacin de aceites vegetales. 29SolucindiludaCalor Solucin concentradaVaporMezcla: A + BSolventeFase lquida 1: A + solventeFase lquida 2: BFigura 1.15 Esquema de la Extraccin lquido-lquido.Filtracin.Proceso de separar un slido (como un precipitado) de un lquido en el que est suspendido al hacerlo pasar a travs de un medio poroso por el cual el lquido puede penetrar fcilmente. La filtracin es un proceso bsico enlaindustriaqumicaquetambinseempleaparafinestandiversoscomolapreparacindecaf, la clarificacin del azcar o el tratamiento de aguas residuales. El lquido a filtrar se denomina suspensin, el lquido que se filtra, el filtrado, y el material slido que se deposita en el filtro se conoce como residuo, torta o lodo.En los procesos de filtracin se emplean cuatro tipos de material filtrante: filtros granulares como arena o carbn triturado, lminas filtrantes de papel o filtros trenzados de tejidos y redes de alambre, filtros rgidos como los formados al quemar ladrillos o arcilla (barro) a baja temperatura, y filtros compuestos de membranassemipermeablesopenetrablescomolasanimales. Esteltimotipodefiltrosseusanparala separacin de slidos dispersos mediante dilisis.Figura 1.16 Esquema bsico de la filtracin.Flotacin.Es unmediopor el cual se logra la separacinde una mezcla de varias clases de partculas slidas aprovechandodiferenciasenpropiedadesdeestas, permitiendoqueungrupodeellasfloteenunmedio lquido que por lo general es agua. La principal aplicacin de esta operacin se da en procesos de beneficio y recuperacin de minerales. Se agrega al equipo de flotacin (en donde est la mezcla de minerales en medio acuoso), unaseriedepromotores(generalmentecidosgrasossaponificados) quecubrenunaspartculas especficas con una cubierta superficial que las hace vidas de aire y repelentes al agua. Al hacer una fuerte agitacin y burbujear aire a travs del medio, estas partculas se adhieren a las burbujas de aire y llegan a una capa de espuma formada en la parte superior del equipo, en donde se recogen y se separan de las dems.30MezclaFase slidaFase lquidaAireFase slida IIFase slida IPromotores de flotacin Mezcla de slidosFigura 1.17 Esquema de la flotacin.Liofilizacin.En esta operacin primero se solidifica el solvente que generalmente es agua y luego se sublima mediante un calentamiento intenso y a condiciones de operacin adecuadas. La liofilizacin es una operacin alterna al secado, principalmente para preservar un nmero cada vez mayor de productos alimenticios y biolgicos que posteriormente pueden reconstituirse y con los cuales los mtodos tradicionales de remocin de agua resultan pococonvenientes. Ademsdelapreparacindeproductosfarmacuticos, el procesodeliofilizacinha tenido aplicaciones comerciales en la preservacin de muchos productos alimenticios (ctricos, camarones, etc). Sin embargo, la principal aplicacin en las industrias alimenticias la constituye el caf instantneo.Figura 1.18 Esquema de la liofilizacin.Lixiviacin.Tambin se puede llamar extraccin lquido-slido, porque se utiliza para extraer un soluto que se encuentra en una mezcla slida. Se utiliza por ejemplo, en la produccin de muchos productos farmacuticos provenientes de races, tallos y hojas de plantas, tambin en la fabricacin de aceites vegetales.Figura 1.19 Esquema de la lixiviacinTrituracin y Molienda.Eslaoperacindereduccindetamaodeunmaterial slido, conelfindeadecuarloparaoperaciones siguientes. Hay diferentes tipos de molinos, que se utilizan dependiendo del tipo de material y de su tamao, losmscomunessonmolinosdebolas, dediscos, demartillosylostrituradoresdequijada. Sepueden observar operaciones unitarias de molienda enlafabricacinde cemento. La molienda enlaindustria azucarera se usa para extraer el jugo a partir del material celulsico del tallo de la mata de caa.31Material hmedoCongelacin Sublimacin Material secoVaporProducto gruesoProducto finoSlido+ ASolventeSolvente + AFigura 1.20 Esquema de la molienda.Secado.Es la remocin intensa de la fase lquida de una disolucin mediante la adicin de calor. Dependiendo del tipo de material a secar hay diversos equipos de secado, entre los que se destacan, los secadores de bandejas, los secadores rotatorios, los secadores por aspersin, los secadores de tnel, etc. Es generalmente la operacin unitaria final de todo proceso.Figura 1.21 Esquema de secado, donde el medio de calentamiento es vapor.Sedimentacin.Separacin de partculas de un fluido mediante la accin de la gravedad actuando sobre ellas. Para aumentar la velocidad de sedimentacin se utilizan compuestos qumicos, llamados floculantes, los cuales incrementan el peso de las partculas originales al pegarse a ellas. Los sedimentadores son equipos muy grandes porque el tiempoderetencindebesersuficienteparapermitirel asentamientodelaspartculas. Losciclonesson diseos especiales de sedimentacin. La sedimentacin es comnen plantas de tratamiento de aguas residuales donde el floculante ms utilizado es el alumbre.Figura 1.22 Esquema de la sedimentacin.32Solucin con partculas suspendidasFloculanteLquido claroLodosSlido hmedo Slido secoVaporVapor CondensadoMezcla slidaPartculas GruesasPartculas finasPartculas de tamao intermedio Figura 1.23 Esquema del tamizado.Tamizado.Es una operacin similar a la filtracin. Se usa para clasificar materiales slidos segn su tamao, al pasar por una malla de tamaodefinido. Se utiliza por ejemplo, para clasificar agregados enla industria de la construccin.1.9 Ejercicios 1. Para la fabricacin de aceite de soya se parte del frjol de soya, el cual despus de molido en un molino de engranajes, se pasa a un extractor en donde se trata con tricloroetileno. Los productos del extractor sepasan aunasentador;en esteellquido sobrenadantese pasaa un evaporador y los slidos a un secador de bandejas. El slido resultante se vende como alimento para ganado. En el evaporador se concentra la solucin de aceite de soya, luego de concentrarse, la solucin se manda a una columna de destilacin de platos. Por el fondo de la columna entra vapor vivo que sirve como medio de calentamiento y de separacin del aceite de soya del solvente. Por el domo de la columna (parte superior) sale el vapor de agua ms el tricloroetileno, mientras que por el fondo se obtiene el aceite de soya lquido. Los vapores salientes de la columna de destilacin se unen a los salientes del evaporador y del secador, se enfran con agua en un condensador y se mandan a un decantador, en donde por diferencia de densidades se separa el agua del tricloroetileno; este ltimo se mezcla con solvente fresco y se manda al tanque extractor para cerrar el ciclo. Dibuje el diagrama de flujo con equipos para el proceso.2. Para licuar metano se utiliza el mtodo Linde. De acuerdo con este mtodo, el metano gaseoso que est a 55 bar y 15 C se introduce en el proceso, en donde se mezcla con metano recirculado. La corriente gaseosa se pasa a un cambiador de calor, de donde sale a 73 C. Posteriormente, el gas se expandeadiabticamentehasta1bar, conlocual partedel gasselica, separndosedelafase gaseosa en un recipiente de separacin y sale a 160 C. El gas licuado se empaca en cilindros para la venta. El gas fro que sale del recipiente separador en equilibrio con el lquido fro a 160 C sirve para enfriar el gas entrante al proceso. El gas saliente del intercambiador (a 10 C y 1 bar) ingresa a un compresor, de donde sale a 55 bar y 314 C. Este gas se enfra con agua y se mezcla con el gas nuevo y se repite el proceso. Dibuje el diagrama de flujo con equipos.3. Para la manufactura de cierto producto se parte de las materias primas A y B. Las materias primas se disuelven por separado en agua; luego se mezclan y se hacen reaccionar en un reactor de tanque agitado. Se forman cristales en suspensin que se separan del lquido en una centrfuga,luego se lavan con cido sulfrico y finalmente se secan. Dibuje el diagrama de flujo con equipos.4. Dibuje un diagrama de flujo con equipos para la produccin de azcar de caa. Describa con sus propias palabras el proceso ayudndose del diagrama.5. Dibuje undiagramade flujoconequipos paralaproduccin deetanolal 96%.Describa con sus propias palabras el proceso usando el diagrama.6. Dibuje un diagrama de flujo con equipos para la produccin de cemento clinker. Describa con sus propias palabras el proceso usando el diagrama.332 Variables De Proceso2.1 Estado de los materiales en procesoLas industrias manejan materiales en diferentes estados, que por consiguiente presentan diferentes propiedades y formas de comportamiento. Los estados de la materia son: slido, lquido y gaseoso; los dos ltimos se conocen como fluidos y su comportamiento se estudiar en el prximo captulo. Las operaciones conslidos seestudiarnenel captulo7. Adicionalmente, es importante recalcar que existenestados intermedios, como los coloides, los aerosoles ylos geles. La Figura 2.1 muestra el diagrama de fases presin-temperatura para una sustancia pura, en la cual se pueden identificar los tres estados de la materia. Segn estos diagramas de fases, una sustancia puede ser slida a unas condiciones de presin y temperatura, y puede cambiar su estado con slo modificar dichas variables. Esta es la razn por la cual el hidrgeno en Jpiter es slido, mientras que en nuestro ambiente es gaseoso. Los lmites entre un estado y otro se llaman lneas de equilibrio de fases. El punto donde colindan los tres estados se llama punto triple. El punto donde termina la lnea de equilibrio lquido-gas se llama punto crtico. La lnea de equilibrio entre el estado gas y el estado lquido se llama lnea de ebullicin-condensacin. La lnea de equilibrio entre el estado gas y el estado slido se llama lnea de sublimacin. La lnea de equilibrio entre el lquido y el slido se llama lnea de fusin-solidificacin. El estado natural de una sustancia depende del lugar en el diagrama en el cual se encuentren las condiciones atmosfricas (100 kPa, 25C). Para el agua, esta coordenada se encuentra en el rea de estado lquido. Para el gas carbnico, esta coordenada se encuentra en el rea de estado gaseoso. Para el hierro, se encuentra en el rea de estado slido.Figura 2.24 Diagrama de fases presin-temperatura para una sustancia pura.2.1.1 GasesEs el estado de la materia en el cual las partculas presentan el comportamiento ms catico y desordenado posible, quereaccionademanerams bruscayampliaacambios enlas condiciones delas diferentes variables (presin, volumen y temperatura). Aparentemente los gases son la representacin ms misteriosa de lamateria, yaquenolospercibimos, nolospalpamos, peroestnpresentesennuestracotidianidad; por Estado slidoEstado lquidoEstado gaseosoPresinTemperaturaPunto crticoPunto triple34ejemplo, el aire que respiramos, el interior de las llantas de los vehculos, el refrigerante que circula continuamente en el serpentn posterior de la nevera, etc. En las industrias de procesos los gases constituyen fluidosdegranimportanciaenaplicacionesdiversas: el airecalienteutilizadoenlossecadores, el vapor proveniente de las calderas, y el cual es producido por calentamiento del agua con los gases de la combustin, el vapor producido en la concentracin de jugos de frutas, etc.Las caractersticas ms importantes del estado gaseoso son: Notienenvolumendefinidoypor ende ocupantodoel espaciodisponibleenel lugar enque se encuentren, los avisos de nen son una aplicacin evidente de esta propiedad. Son de naturaleza elstica, por lo cual el ms pequeo impacto ocasiona un elevado nmero de choques intermoleculares; esto explica por ejemplo el salto de la tapa de una bebida espumosa con una buena proporcin de gas en su interior cuando se agita fuertemente. Se mezclan entre s y difunden unos en otros con suma facilidad. Esto se hace evidente cuando se deja destapado un frasco de cido concentrado (o un recipiente con gasolina) en una habitacin cualquiera. Son altamente sensibles en su comportamiento a cambios en condiciones como presin y temperatura. Estopermitequeseancompresiblesoexpandibles, yquepuedanutilizarseenreactoresamuyaltas presiones o en equipos a vaco (presiones por debajo de la presin atmosfrica) como por ejemplo, en la concentracin de jugo de caa en evaporadores. Son de una fluidez muy superior a la de los lquidos, lo que les permite transportarse ms fcilmente en cortas y largas distancias. Esta propiedad los hace ms recomendables, como medios de combustin e intercambio de calor en equipos de combustin, secado y refrigeracin.Todos los gases siguen cualitativamentela ecuacin de los gases ideales:RT Pv Ec. 2-1donde P es la presin, v es el volumen molar, T es la temperatura y R es la constante de los gases ideales igual a 8.31451 kPam3kmol-1K-1. As, si se aumenta la presin a una masa de aire en un recipiente manteniendo la temperaturaconstante, elvolumendisminuye;laconclusinanteriorconstituyelaleydeBoyle. Deigual manera si un gas en un recipiente que se mantiene a presin constante se calienta, es decir, se incrementa su energa interna (y por ende su temperatura aumenta), entonces se observar una expansin en la masa del gas; la anterior conclusin es la ley de Charles.A la temperatura y presin del ambiente podemos suponer que muchos gases actan como gases ideales. Sin embargo, en el caso de algunos gases en condiciones normales, y en el de casi todos los gases en condiciones de alta presin, o baja temperatura, los valores predichos para las propiedades de los gases que se obtienen empleando la ley de los gases ideales se apartan considerablemente del comportamiento real de los gases.En un intento por descubrir una ley de los gases verdaderamente universal que hiciera predicciones satisfactorias a altas presiones, se desarroll la idea de los estados correspondientes. Los primeros experimentos observaronqueenel puntocrticotodas lassustanciasestnaproximadamenteenel mismo estadodedispersinmolecular. Enconsecuencia, sepensquesuspropiedadestermodinmicasyfsicas deberan ser similares. El principio de los estados correspondientes expresa la idea de que en el estado crtico todas las sustancias se comportan de manera similar. El punto crtico para la transicin gas lquido es el conjunto de condiciones fsicas en las que la densidad y otraspropiedadesdel lquidoydel vaporsehacenidnticas. Parauncomponentepuro, estepuntoesla temperatura ms alta en la que el lquido y el vapor pueden existir en equilibrio. El punto crtico se puede ubicar en el diagrama de fases presin-temperatura de la Figura2.1. Un fluido supercrtico es un compuesto, a temperatura y presin superiores a las crticas, que combina las propiedades de los gases y los lquidos. Los fluidos supercrticos sirven para reemplazar el vaco que han dejado los disolventes como el tricloroetileno y el cloruro de metileno ahora que se han limitado severamente las emisiones permitidas y el contacto con estas sustancias. La descafeinizacin del caf y la eliminacin del colesterol de la yema de huevo se puede hacer actualmente con CO2 en estado supercrtico; la destruccin de 35compuestos orgnicos indeseables en procesos se puede realizar empleando agua supercrtica. La Tabla 2.1 muestra el punto crtico de algunas sustancias.Laecuacinmsgeneral querepresentael comportamientoreal introduceunfactor decorreccinenla ecuacindelosgasesideales. Estefactordecorreccinsellamael factordecompresibilidadZ. As, la ecuacin de los gases reales ser:ZRT Pv Ec. 2-2Tabla 2-1Propiedades crticas de algunas sustancias.Compuesto Frmula Tc (K) Pc (kPa) Vc (cm3/mol)cido actico CH3CHO2 594.8 5785,7 171Acetona C3H6O 508.0 4762,3 213Benceno C6H6 562.6 4924,4 260Dixido de carbono CO2 304.2 7386,6 94Nitrgeno N2 126.2 3394,4 90Oxgeno O2 154.4 5035,9 74Cloro Cl2 417.0 7710,8 124Etano C2H6 305.4 4883,9 148Etanol C2H6O 516.3 6383,5 167Agua H2O 647.4 22119,2 56Tolueno C7H8 593.9 4083,4 318Observe que cuando Z=1, se trata de un gas ideal. El factor de compresibilidad, Z, depende principalmente de la presin, la temperatura y a veces de un tercer parmetro.El conocimiento completo de metodologas para el clculo del factor Z, como de los criterios necesarios para laseleccinymanejodediferentesecuacionesdeestadoparadiversassituaciones(valoresdeP, ToZ, polaridad de los compuestos, mezclas, etc.), representa una amplia rea de conceptualizacin terica que no corresponde a los objetivos del curso de Procesos y Equipos.No obstante, hacemos a continuacin una sencilla representacin alrededor de la determinacin de Z, la cual permitelarealizacingeneral declculosrelacionadoscongases, conunaceptablemargendeprecisin, suficiente para la mayora de los casos prcticos. Las propiedades crticas discutidas arriba, permiten definir los parmetros reducidos:CrTTT ,CrPPP,Crvvv donde el subndice r indica una propiedad reducida, y el subndice C indica la propiedad crtica. El principio de los estados correspondientes, indica que todas las sustancias, no importa qu tan diferentes sean entre s, se comportandeidnticamanera ysealejansimilarmente del comportamientoideal aiguales valores de condiciones reducidas Pr, Try vr. En otras palabras, existe una funcin generalizada (que se cumple para la mayora de las sustancias) del tipo) , , (r r rv P T f Z Ec. 2-3As, las variables reducidas permiten calcular el factor de compresibilidad, Z. Este enunciado, no alcanza a ser cierto en todas las sustancias, sin embargo, constituye una buena herramienta para predecir el comportamiento real de los gases. La funcin para el clculo de Zse encuentra disponible en forma grfica (para facilitar su manejo) en la Figura 2.2 y se llama cartas de compresibilidad generalizada. Estas cartas se basan en 26 gases (30 en unos casos), y pueden tener desviaciones hasta del 5%. En el caso de H2 y He, se usan correcciones de 36las constantes crticas reales para obtener constantes pseudocrticas y utilizar las cartas con un error mnimo; para ellosK 8+ C CT TEc. 2-4atm 8+ C CP P Ec. 2-5Laltima figura es una carta en la que se grafican simultneamente varios parmetros, que ayudan a evitar soluciones de ensayo y error. Uno de estos parmetros es el volumen reducido ideal, definido comocirivvv Ec. 2-6vci es el volumen crtico ideal (no el valor experimental del volumen crtico), o bienccciPRTv Ec. 2-7Tanto vricomo vcison fciles de calcular,pues se conocen Tcy Pc. El desarrollo de la carta del factor de compresibilidadgeneralizadotieneunvalorprcticoypedaggicoconsiderable, yaquepermiteefectuar clculos de ingeniera con bastante facilidad. Lo nico que se requiere para usar las cartas de compresibilidad es la temperatura crtica y la presin crtica de una sustancia pura (o los valores ponderados molarmente para una mezcla).373839Figura 2.25 Factor de compresibilidad generalizado para diversas presiones.Si agregamos otro parmetro fsico del gas (el llamado factor acntrico de Pitzer) adems de Tr y Pr con el fin de ayudar a correlacionar los datos de Z, podemos mejorar la exactitud, pero tendramos que usar un mtodo ms riguroso, su estudio se deja al inters del lector, que puede consultar el mtodo de tres parmetros.40Ejemplo 1: Se desean almacenar 1500 kg de dixido de carbono (CO2) y 1090 kg de oxgeno (O2) en tanques separados, y ambos a las mismas condiciones de presin y temperatura 10 MPa y 30 C, respectivamente. Determine el volumen de los tanques en cada caso usando la ley de los gases ideales y la carta generalizada del factor compresibilidad.Solucin:Suponiendo que la ley de los gases ideales es aplicable tenemos:Para CO2:33m 59 . 8kPa 10000K 15 . 303 *kmolKkPa m34151 . 8 *kmolkg44kg 15002 PnRTVCOPara O2:33m 59 . 8kPa 10000K 15 . 303 *kmolKkPa m31451 . 8 *kmolkg32kg 10902 PnRTVOSi la ley de los gases ideales se puede aplicar, se puede asegurar que los tanques deben tener igual volumen. Pero, al tratarse de gases confinados a alta presin, es de esperarse una desviacin significativa del comportamiento como gases ideales, como veremos al calcular el factor Z. El clculodelasvariablesreducidasylalecturadel factordecompresibilidadsepresentanenlaTabla siguiente.Tabla 2-2Parmetros reducidos y determinacin de Z:Gas Tc (K) Pc (MPa) Tr Pr ZCO2 304.2 7.39 0.996 1.35 0.23O2 154.4 5.036 1.96 1.99 0.97As, se obtiene que los volmenes reales son:33m 33 . 8 59 . 8 * 97 . 0m 98 . 1 59 . 8 * 23 . 022 OCOVVObserve que la ecuacin de los gases ideales no slo no es aplicable en un buen nmero de situaciones, sino que presenta una gran desventaja en su generalizacin al no tener en cuenta el tipo de compuesto al que podra aplicarse en un caso determinado. Mientras que para el oxgeno la condicin de presin de 10 MPa resulta suficientemente baja y la temperatura de 30 C razonablemente alta para suponer que es un gas ideal (observe queZescercanoa1), parael casodel CO2lascondicionesdepresinytemperaturaevidentementeno permiten suponer que es ideal. Sera un error gigantesco disear un tanque para CO2 con la ecuacin del gas ideal a las condicionesde esteproblema.412.1.2 LquidosEs el estado de la materia cuyas propiedades pueden considerarse intermedias desde un punto de vista general, ya que se encuentran entre las correspondientes a un gas y aqullas mismas para un slido. Algunos de los lquidos conocidos constituyen la presentacin natural de algunos compuestos de nuestro universo, tales como el agua, el petrleo, la sangre, etc. La mayora, sin embargo, son el resultado de procesos de fabricacin, de los cuales se puede mencionar la gasolina, el alcohol, el vinagre, los aceites vegetales, las bebidas gaseosas, los jugos concentrados, el cido actico, las cervezas, los vinos, las salsas, los jarabes, las mieles, etc.Los lquidos son sustancias de fundamental importancia en las industrias de procesos. Entre las caractersticas ms importantes de ellos, se debenmencionar las siguientes: Aunque no tienenformadefinida (comolos slidos),sitienen un volumen precisoypor lotantono ocupan todo el espacio disponible en el sitio en que se encuentran (como s ocurre con los gases). Esta situacinpermiteunalmacenamientoenrecipientes deformas diversas pero, decapacidaddefinida previamente. La causa de esta situacin radica en la magnitud de las fuerzas intermoleculares, menores queenelcasodelosslidosymayoresqueenlosgases, locualhacequelasmolculassibienno permanecen fijas s estn relativamente cercanas. Sonaltamente incompresibles. Estoenotras palabras indica que presentan prcticamente cambios imperceptibles en volumen con incrementos grandes en la presin. En esto se diferencian notablemente de los gases, y es el principio de la hidrulica aplicada en la industria para manipular compuertas usando aceite comprimido como fluido de trabajo. Se difundenymezclan entre s conmenor rapidez que los gases. Esta caracterstica es tambin consecuencia de su ordenamiento molecular, y un ejemplo evidente lo constituyela disolucin acuosa de un colorante en agua; esta es mucho ms lenta que la difusin del aroma de una preparacin en la cocina.Los lquidos presentan dos caractersticas muy propias de su estado, como son tensin superficial y presin de vapor. Latensinsuperficial eslatendenciaquetienenloslquidosadisminuirsureasuperficial. Este fenmeno producido por las atracciones ejercidas por las molculas internas sobre aquellas que estn en la superficie, explica el porqu por ejemplo las gotas que caen de un grifo tienen forma prcticamente esfrica, o porqu una aguja o una cuchilla de afeitar flotan al caer en un recipiente con lquido.La presin de vapor, Po, de una sustancia es un parmetro numrico indicativo de la tendencia que tienen sus respectivas molculas a escapar a la fase gaseosa o fase de vapor. Es una propiedad cuyo valor cuantitativo es diferente para cada compuesto y es funcin directa de la temperatura.Imaginemosunrecipientehermticoconunaporcindeaguaal cual sehaevacuadotodoel aire. Si el recipiente se coloca en un bao termosttico para asegurar que la temperatura es constante y se coloca un medidor de presin se observar que esencialmente las molculas que estando en la superficie posean mayor energa cintica, por virtud de su movimiento y choques con las dems, logran escapar al espacio antes vaco indicando una velocidad de evaporacin. Enseguida todas esas molculas que salen, chocan entre s o con las paredes del recipiente invirtiendo su direccin, de tal manera que algunas regresan a la superficie del lquido siendoatrapadasporsta. Segeneraasunavelocidaddecondensacin. Sipermitimosqueelsistemase mantenga as durante algn tiempo, se alcanza una situacin de equilibrio dinmico en la cual las velocidades deevaporacinycondensacinseigualan, teniendounvalor promediodemolculas aproximadamente constante en el espacio por encima de la superficie lquida en todo momento. Supongamos ahora que tenemos un lquido en un recipiente, pero esta vez abierto a la atmsfera, y a una temperatura T. A esas condiciones el compuesto ejerce su presin de vapor correspondiente. Si iniciamos un proceso de calentamiento, la temperatura se incrementa y por ende la presin de vapor.La temperatura de ebullicin es la temperatura en la cual la presin de vapor se iguala con la presin del ambiente. El hecho, por ejemplo, de que la comida tarde menos en cocinarse en una olla a presin es una aplicacin de esta propiedad. Como la temperatura de ebullicin es una funcin de la presin ambiental (que 42no necesariamente es una atmsfera) se puede utilizar un ambiente de baja presin, es decir, un tanque con presin de vaco, para lograr evaporaciones a temperaturas bajas y as proteger los componentes sensibles a la temperatura que tienen por ejemplo los jugos de frutas.Comolapresinde vapor es funcinde latemperatura, existenmuchas ecuaciones para evaluar esta propiedad. La ms conocida se llama ecuacin de Antoine:C T BA Po+ lnEc. 2-8donde Po es la presin de vapor (en mm Hg), T es la temperatura (en K) y, A, B y C son constantes para cada sustancia. La Tabla 2.3 proporciona los datos de las constantes de Antoine para algunas sustancias. La Figura 2.3 muestra la variacin de la presin de vapor con la temperatura.Figura 2.26Comparacin de curvas de presin de vapor para tres sustancias. Ejemplo 2: Estimar la temperatura de ebullicin del alcohol metlico puro en la ciudad de Cali.Solucin:La ecuacin de Antoine para el alcohol metlico ser29 . 3455 . 36265875 . 18 ln0 TPdonde P0 est en mm Hg y T est en K. La temperatura de ebullicin para una presin de vapor de 680 mmHg serC 61.71 K86 . 334680 ln 5875 . 1855 . 362629 . 34 + TTabla 2-3Constantes de la ecuacin de Antoine para algunas sustancias. Nombre Intervalo (K) A B Ccido actico 290-430 16.8080 3405.57 -56.34Acetona 241-350 16.6513 2940.46 -35.93Amoniaco 179-261 16.9481 2132.50 -32.98Benceno 280-377 15.9008 2788.51 -52.36Agua Alcohol Eter10075T(C)P(mmHg)3576043Disulfuro de carbono 288-342 15.9844 2690.85 -31.62Tetracloruro de carbono 253-374 15.8742 2808.19 -45.99Cloroformo 260-370 15.9732 2696.79 -46.16Ciclohexano 280-380 15.7527 2766.63 -50.50Acetato de etilo 260-385 16.1516 2790.50 -57.15Alcohol etlico 270-369 18.5242 3578.91 -50.50Bromuro de etilo 226-333 15.9338 2511.68 -41.44n-Heptano 270-400 15.8737 2911.32 -56.51n-Hexano 245-370 15.8366 2697.55 -48.78Alcohol metlico 257-364 18.5875 3626.55 -34.29n-Pentano 220-330 15.8333 2477.07 -39.94Dixido de azufre 195-280 16.7680 2302.35 -35.97Tolueno 280-410 16.0137 3096.52 -53.67Agua 284-441 18.3036 3816.44 -46.132.1.3 SlidosEs el estado de la materia, que a diferencia de los gases y los lquidos mantiene fijos la forma y el volumen. Aunquepodramos pensar quesetratadel estadomsfcil deestudiar, laestructuradelosslidosha resultado ser la ms reciente de descubrir. Un slido es una sustancia que tiene sus partculas constituyentes en un arreglo interno regularmente ordenado. Los slidos se presentan permanentemente en las industrias, por ejemplo el cemento, los polvos cermicos, el carbn, el bagazo, el azcar, la sal, las botellas, etc. Generalmente los fluidos al ser empacados se convierten en un problema de manejo de slidos.Algunas caractersticas del estado slido:Losslidossonprcticamenteincompresibles, loqueimplicaqueensuinteriorhaymuypocosespacios vacos, o lo que es lo mismo, que las partculas estn muy cercanas entre s. Para destacar esta propiedad podemos mencionar por ejemplo que para comprimir una pequea cantidad de plata metlica a la mitas de su volumen se requerira una presin de 5*105 bar. Los slidos son generalmente materiales rgidos y duros. Los slidos poseen una densidad prcticamente constante. Presentan volmenes y formas perfectamente fijas. Los slidos se expanden levemente con incrementos en la temperatura. Pero esta expansin generalmente se puede notar a altas temperaturas.Al igual que los lquidos, los slidos poseen presin de vapor, y por ende, pasan directamente al estado de gas (se subliman) sin pasos intermedios a travs de la fase lquida. Las magnitudes de la presin de vapor de slidos sonmuybajas comparadas conlas de los lquidos a temperaturas ambientales. Sloencasos especiales se tienen presiones de vapor altas a temperatura ambiente, por ejemplo, para la naftalina y el hielo seco (CO2 en estado slido).2.1.4 Soluciones, mezclas heterogneas y coloides.Una solucin es una mezcla homognea, es decir, aquella en que las partculas dispersas en un medio lquido son invisibles y no se sedimentan debido al movimiento trmico molecular. Por ejemplo: las disoluciones de slidos como el azcar y la sal en agua, o las disoluciones de lquidos en lquidos como una disolucin de benceno en tolueno. El componente que se encuentra en mayor proporcin se llama solvente. Los solutos son los que se encuentran en menor proporcin. Las soluciones pueden ser insaturadas, saturadas o sobresaturadas con relacin a un soluto. Hay una concentracin mxima para una determinada temperatura hasta la cual se puede disolver un soluto. Cualquier cantidad adicional de soluto por encima de la concentracin de saturacin, no se disolver, entonces se tiene en esta caso una mezcla heterognea.44Una mezcla heterognea es aquella que an despus de formada, las fases componentes pueden distinguirse individualmente, yenconsecuenciapuedensepararsefcilmenteconayudadeunafuerza(gravitacional, centrfuga, etc.) Por ejemplo, las mezclas de hidrocarburos en agua y las mezclas de slidos suspendidos en agua.Entre las soluciones y mezclas heterogneas existe una etapa intermedia que se llama una dispersin coloidal. Los coloides no se sedimentan y tampoco se pueden separar de la fase acuosa por filtracin ordinaria.El medio dispersante puede ser un gas, un lquido o un slido.Cuandolafasedispersaesunslidoyel mediodedispersinesunlquidooungassehabladeuna suspensin. Tambin se conocen como soles, siendo la salsa de tomate un ejemplo tpico.La dispersin de dos o ms lquidos, inmiscibles entre s, se llama emulsin, y se mantiene estable gracias a unas sustancias llamadas emulsionantes. En la mayora de las emulsiones los dos lquidos utilizados son agua y aceites. Las emulsiones pueden ser de dos tipos: coloides protectores, que actan revistiendo las superficies delaspartculasdegrasaoaceitedispersadas, evitandoas lacoalescencia; ylosquepuedenreducir la tensin superficial de la superficie de separacin de las partculas suspendidas a causa de las propiedades de solubilidad de sus molculas, que se conocen como tensoactivos o detergentes. Las reacciones de polimerizacin se llevan a cabo a menudo en forma de emulsiones. La leche es una emulsin de grasa en agua. La mantequilla es una emulsin de agua en grasa. Los helados, la mayonesa, el yogur, el almidn son ejemplos deemulsiones.Las dispersiones coloidales en las que la fase dispersa est combinada con el medio de dispersin formando una masa gelatinosa se llaman geles. Por ejemplo, se precisa de un 2% de gelatina en agua para formar un gel firme. Los geles se obtienen en general enfriando un solucin en donde ciertos tipos de solutos forman grupos departculascristalinasmicroscpicasqueretienenyatrapangranpartedelafasedispersanteentrelos intersticios de la estructura semirgida. Son geles: las mermeladas, el engrudo de almidn de yuca y las jaleas.2.2 Unidades y dimensionesLas dimensiones son nuestros conceptos bsicos de medicin, como longitud, masa, tiempo, temperatura, etc.; lasunidadessonlaformadeexpresar lasdimensiones, comocentmetrosparalongitudosegundospara tiempo. Al anexar unidades a todos los nmeros que no son fundamentalmente adimensionales, se obtienen los siguientes beneficios prcticos:1. Menor probabilidad de invertir, sin darse cuenta, una parte del clculo2. Reduccin en el nmero de clculos