Introducción a las Operaciones Unitarias y Procesos Industriales

Operaciones Unitarias

Un método muy conveniente para organizar la materia de estudio que abarcan los procesos industriales se basa en dos hechos:

1. Aunque el número de procesos individuales es grande, cada uno puede ser fragmentado en una serie de etapas, denominadas Operaciones, que se repiten a lo largo de los diferentes procesos.
2. Las operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos principios científicos. Son aplicables a muchos procesos tanto físicos como químicos.

Estándares

Por acuerdo internacional, se han establecido estándares para las cantidades de masa, longitud, tiempo, temperatura y mol. Éstas son cinco de las unidades:

• El estándar de masa es el kilogramo (kg).
• El estándar de longitud es el metro (m).
• El estándar de tiempo es el segundo (s).
• El estándar de temperatura es el Kelvin (K).
• El mol se define como la cantidad de una sustancia que contiene tantas unidades primarias como átomos hay en 12 g de carbono-12.

Ecuaciones de Estado de los Gases

Un gas puro de n mol, que se mantiene a una temperatura T y presión p, ocupará un volumen V.

Conclusiones de la Ley de los Gases Ideales

• V es directamente proporcional a n
• V es directamente proporcional a T
• V es inversamente proporcional a P

Ley de Dalton

Solo aplicable a mezcla de gases ideales.

Ley de Newton. Ley Fundamental de la Mecánica

La fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo se cuantifica por la velocidad de variación de la cantidad de movimiento del cuerpo en el tiempo t.

Balance de Materia

La ley de conservación de la materia establece que la materia no se crea ni se destruye.

Balance de Energía

Se aplica a un proceso separado de los alrededores por un límite imaginario. Las formas más importantes son la energía cinética, la energía potencial, la entalpía, el calor y el trabajo.

Por convención:

• -Ws es positivo (+) cuando el sistema realiza trabajo sobre el exterior
• -Ws es negativo (-) cuando el exterior realiza trabajo sobre el sistema
• -Q es positivo (+) cuando el sistema recibe calor desde el exterior
• -Q es negativo (-) cuando el sistema aporta calor al exterior

Concepto de Equilibrio

El equilibrio se define como el estado final al que llega un sistema que, perturbado espontáneamente, evoluciona de forma natural sin influencia externa.

Concepto de Cinética de los Procesos

Es el estudio de la velocidad con que el proceso tiende al equilibrio.

Fluido

Un fluido es una sustancia que no resiste en forma permanente la distorsión.

Mecánica de Fluidos

El estudio del comportamiento de los fluidos (líquidos, gases y vapores).

Fluido Estático

A una determinada temperatura y presión, un fluido posee una densidad definida.

Equilibrio Hidrostático

En una masa estacionaria formada por un solo fluido estático, la presión es constante en cualquier plano horizontal.

Flujo de Fluidos

El comportamiento de un fluido en movimiento depende mucho de que el fluido esté o no bajo la influencia de límites sólidos.

Capa Límite

El efecto del límite sólido sobre el flujo se limita a una capa de fluido inmediatamente adyacente a la pared sólida.

Campo de Velocidad

Cuando una corriente de fluido se mueve en bloque sobre una pared sólida, el fluido se adhiere al sólido en la interface real que existe entre el sólido y el fluido.

Flujo Unidimensional

Cuando en el flujo de un fluido todos los vectores de velocidad del campo son paralelos, se dice que el flujo es unidimensional.

Flujo Laminar

Los fluidos tienden a moverse sin mezcla lateral y las capas adyacentes se desplazan unas sobre otras. No existen corrientes transversales ni remolinos.

Turbulencia

Un fluido puede circular a través de una tubería o un conducto de dos formas diferentes. A bajas velocidades de flujo, o a altas velocidades se incrementa mucho más rápido.

Flujos en Capa Límite

Una capa límite se define como la parte de un fluido en movimiento en la cual el flujo del fluido se ve influido por la presencia de un límite sólido.

Ecuación de Bernoulli

Es una forma especial del balance de energía mecánica. Allí intervienen los componentes de energía potencial, energía cinética y energía de presión.

Corrección del término de la energía cinética

Si se conoce α, puede utilizarse la velocidad promedio para calcular la energía cinética.

Tuberías, Accesorios y Válvulas

Tubería y Tubo

Las tuberías y los tubos están hechos de diversos materiales, incluyendo metales y aleaciones, madera, cerámica, vidrio y plásticos variados.

Conexiones y Accesorios

Los métodos utilizados para unir las piezas de tuberías o tubos, dependen en parte de las propiedades del material, pero sobre todo del espesor de la pared.

Válvulas

Todas las válvulas tienen un propósito principal: disminuir o detener el flujo de un fluido.

• Válvulas de compuerta. Estas válvulas no son recomendables para el control del flujo y, en general, se dejan abiertas o cerradas por completo.

• Válvulas de Globo. Las válvulas de globo se utilizan con frecuencia para controlar la velocidad de flujo de un fluido.

• Válvulas de pistón y de bola. Las válvulas de bola encuentran aplicaciones en el control de flujo.

• Válvulas mariposa. Una válvula de mariposa es un dispositivo para interrumpir o regular el flujo de un fluido en un conducto, aumentando o reduciendo la sección de paso mediante una placa.

• Válvulas de retención. Una válvula de retención permite el flujo sólo en una dirección.

Bombas

Las bombas son dispositivos mecánicos que suministran energía al líquido, promueve su flujo a una velocidad específica y condiciones de transporte deseadas.

Las dos clases principales son las bombas de desplazamiento positivo y las bombas centrífugas. Las unidades de desplazamiento positivo aplican presión directamente al líquido por un pistón, Las bombas centrífugas generan altas velocidades de rotación.

Cavitación

El valor requerido de la NPSH es alrededor de 2 a 3 m para bombas centrífugas pequeñas; pero el valor aumenta con la capacidad de la bomba, la velocidad del rotor y la presión de descarga. Valores hasta de 15 m se recomiendan para bombas muy grandes.

Bombas de Desplazamiento Positivo

• Bombas alternativas: la cámara es un cilindro estacionario que contiene un pistón o émbolo; ej. bombas de pistón, bombas de diafragma.
• Bombas rotatorias: la cámara se mueve desde la entrada hasta la descarga y regresa de nuevo a la entrada; ej bombas de engranaje, bombas de paletas, bombas de lóbulos, bombas de tornillo, bombas Moyno.

Bombas Rotatorias

-Las bombas rotatorias no contienen válvulas de retención.

-Las bombas rotatorias operan mejor en fluidos limpios y moderadamente viscosos.

Ventiladores y Sopladores

Éstas son máquinas que mueven y comprimen gases. Son máquinas de baja velocidad que generan presiones muy bajas. Los sopladores son aparatos rotatorios de alta velocidad.

Compresores

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como gases y los vapores.

Métodos de Compresión

Existen tres formas mediante las cuales se puede comprimir aire:

• Isotérmica: aumentar la presión de un gas pero sin provocar cambios en su temperatura.
• Adiabática: generación de calor en la misma medida en la que aumenta la presión del gas.
• Politrópica: que es aquella intermedia entre la isotérmica y la adiabática.

Compresores Dinámicos

El sistema de compresión dinámica convierte energía cinética. Utiliza energía para desplazar a alta velocidad, que luego es bruscamente desacelerado.

Compresores Volumétricos o de Desplazamiento

Poseen un sistema de compresión mediante el cual se obtiene presión alterando el volumen del aire atmosférico. COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO ALTERNATIVOS

Se basa en el principio del desplazamiento del aire en tres tiempos: admisión, compresión, descarga.

Entre los compresores de pistón, se pueden encontrar dos tipos:

• De simple efecto: cuyo proceso de compresión se realiza en el punto superior del pistón, con una presión de aire elevada.
• Los de doble efecto: en los que la acción compresora se efectúa en las dos extremidades del pistón, y poseen válvulas para lograr el trabajo en doble vía.

COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO ROTATORIOS

Ocurre tras un ciclo de funcionamiento que consta de cuatro fases:

1. Admisión de aire y mezcla con aceite durante el proceso de compresión.
2. Separación de los fluidos.
3. Disipación del aceite para reiniciar el ciclo.
4. Disipación del aire para su distribución.