TECNOLOGÍAS Y PROCESOS DE

PRODUCCIÓN

Profesor Titular:

Dr. Ing. Leopoldo De Bernardez

Profesor Adjunto:

Ing. Marcelo Mujica

Trabajos Prácticos:

Mg.Ing. Tamara Lupori

Cuerpo Docente

Requisitos de cursada

El alumno deberá cumplir con las siguientes pautas:

- 75% de asistencia a clases

- Realizar y aprobar los trabajos prácticos

- Aprobar el examen final

La nota final se compondrá de la siguiente manera:

- 50 % trabajos prácticos

- 50 % examen final

TALLER TECNOLOGÍA Y PROCESOS DE PRODUCCIÓN - 1er. Cuat. 2014

Semana TEMA

MARZO

1 Ma 11 Operaciones unitarias en Ingeniería

2 Ma 18 Operaciones unitarias en Ingeniería 2da parte - Procesos con reacción química

3 Ma 25Procesos en Industrias: minería, cemento, petróleo, petroquímica. Trabajo

práctico.

ABRIL

4 Ma 1Procesos en Industrias: leche y derivados, farmoquímica, azúcar, celulosa y

papel, aceites, biodiesel. Trabajo práctico.

5 Ma 8 Entrega de Trabajos prácticos y Examen

Bibliografía

Operaciones básicas de ingeniería química

W. L. Mc Cabe, J.C. Smith, P. Harriott.

Reverte 2003. España

Manual del ingeniero químico

Robert Perry, Don W. Green, James O. Maloney.

Mc. Graw Hill. 2001

Sitios de consulta en Internet

Instituto Argentino del Petróleo y el Gas

http://www.iapg.org.ar/

Cámara Argentina de la Industria Plástica

http://www.caip.org.ar/

Cámara de la Industria Química y Petroquímica

http://www.ciqyp.org.ar/templates/default/index.php

Asociación de Fabricantes de Cemento Portland

http://www.afcp.org.ar/

Centro azucarero argentino

http://www.centroazucarero.com.ar/index.html

Cámara Industrial de Laboratorios Farmacéuticos Argentinos

http://www.cilfa.org.ar/

Centro de la Industria Lechera Argentina

http://www.cil.org.ar/institucional.html

La industria es el conjunto de procesos y actividades que tienencomo finalidad transformar las materias primas enproductos elaborados o semielaborados y requiere para sudesarrollo maquinaria y recursos humanos organizadoshabitualmente en empresas.

Dentro de las actividades industriales debemos incluir las demanufactura (temas vistos en Materiales y Procesos).

Según el diccionario de la RAE, manufactura es la obra hecha amano o con auxilio de máquina. Los procesos de manufacturaconsisten en la transformación de materias primas en productosmanufacturados, productos elaborados o productos terminados(también semiterminados) para su distribución y consumo.

Además debemos considerar otros procesos, que transformanmaterias primas en productos que son a la vez insumos utilizadosen otras industrias. Estos procesos involucran transporte demateriales, separación, mezcla, reacción química y tambiéntransferencia de masa, calor y cantidad de movimiento.

En este curso vamos a estudiar estas operaciones y procesosindustriales básicos.

UNA DE LAS METODOLOGÍAS MÁS UTILIZADAS EN INGENIERÍA PARA EL

ABORDAJE Y RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS CONSISTE EN IDENTIFICAR

POSIBLES ANALOGÍAS ENTRE LOS PROCESOS QUE SE PRETENDE ENTENDER Y

MODELIZAR Y OTROS PREVIAMENTE CONOCIDOS.

MUCHOS FENÓMENOS FÍSICOS APARENTEMENTE DIFERENTES RESPONDEN

BÁSICAMENTE A LOS MISMOS PRINCIPIOS, LOS QUE UNA VEZ CONOCIDOS

FACILITAN EN GRAN MEDIDA LA COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA.

Un repaso a los fenómenos de transporte

Ecuación general de transporte para transferencia de momento, calor y masa

Los procesos de transporte se producen debido a la variación espacial de unapropiedad (momento, calor o masa) y ocurren por

- transferencia de la propiedad por movimiento molecular

- transporte neto de la propiedad

Ecuación general de transporte o transferencia molecular

Γ : flujo de una propiedad en la dirección z

:cantidad de propiedad transferida por unidad de tiempo y unidad de área

aresistenci

impulsorafuerzaciatransferendeprocesodelvelocidad

dz

dz

z

Introducción al transporte molecular1. Transporte de Momento y Ley de Newton

2. Transporte de Calor y Ley de Fourier

3. Transporte de Masa y Ley de Fick

dz

dz

dz

vd xzx

)(

dz

Tcd

A

q pz)(

dz

cdDJ A

ABAz *

Existe una analogía matemática entre estas leyes de transporte

zx

A

qz

*

AzJ

ABD

: flujo en la dirección z de la componente x de momento

= tensión de corte [(kgm/s2)/sm2]

: difusividad de momento = viscosidad cinemática [m2/s]

: flujo de calor en la dirección z [J/sm2]

: difusividad térmica [m2/s]

: flujo de la molécula A en la dirección z [kgmol/sm2]

: difusividad (molecular) de la molécula A en B [m2/s]

En ingeniería química y en otros campos de ingeniería, una operación unitaria

es una etapa básica de un proceso. Un proceso puede requerir varias

operaciones unitarias para obtener el producto deseado.

En ingeniería química las operaciones unitarias pueden dividirse en cinco

diferentes clases:

Flujo de fluidos, incluyendo transporte y agitación

Transferencia de calor, incluyendo evaporación y condensación

Transferencia de masa, incluyendo absorción de gases, destilación, extracción,

adsorción, secado

Procesos termodinámicos, incluyendo liquefacción de gases y refrigeración

Procesos mecánicos, incluyendo transporte de sólidos, molienda y pulverización

y tamizado

Además se pueden definir las siguientes categorías:

Combinación (ej. mezclado)

Separación (ej. destilación)

Reacción (reacción química)

ANÁLISIS DIMENSIONAL

La metodología que puede utilizarse para comprender un fenómeno físico

incluye:

1. Identificar las variables físicas relevantes

2. Relacionar dichas variables utilizando leyes físicas

3. Resolver las ecuaciones resultantes

En algunos casos resulta difícil lograr el objetivo porque la descripción de

muchos procesos físicos incluye sistemas de ecuaciones en derivadas parciales

que sólo pueden resolverse en forma numérica.

Análisis dimensional

El análisis dimensional está basado en que las leyes de la física no dependen de

las unidades de medida.

Se pueden identificar magnitudes fundamentales (como masa, longitud, tiempo,

temperatura) a partir de las cuales se obtienen magnitudes derivadas:

Fuerza F [=] M L t-2

Viscosidad m [=] M L-1 t-1

Conductividad k [=] M t-3 T-1

Número de Reynolds

El régimen de flujo en una cañería es función de:

la velocidad , la densidad y la viscosidad del fluido y

del diámetro de la tubería

El número de Reynolds es:

Es la relación de la fuerzas de inercia a las fuerzas viscosas

NRe < 2100 : régimen laminar

NRe > 4000 : régimen turbulento

DvN Re

D

v

Dv

vN

/viscosafuerza

inercialfuerza 2

Re

Nombre Símbolo Ecuación Significado físico

Relacionados con la transferencia de momento

Reynolds Re du/h Fuerza inercial/fuerza viscosa

Euler Eu P/u2 Fuerza de presión/fuerza inercial

Froude Pr u2/dg Fuerzas inerciales/fuerzas gravitacionales

Relacionados con la transferencia de calor

Fourier Fo t/b2 Tiempo adimensional en período transitorio

Peclet Pe ud/ Convección forzada/difusión

Nusselt Un hd/k Medida de espesor de capa límite

Prandtl Pr u/ Difusividad de momento/difusividad calorífica

Relacionados con la transferencia de masa

Fick Fi Dt/b2 Tiempo adimensional en período transitorio

Peclet Pe ud/D Convección forzada/difusión

Sherwood Sh hd/k Medida de espesor de capa límite

Schmidt Sc u/D Difusividad de momento/difusividad másica

Ensayos con modelos

En la industria se utilizan típicamente operaciones y procesos definidos,

mediante los cuales se realiza la transformación o conversión de materias

primas en productos semielaborados y terminados.

En el proceso de conversión puede ser necesario transportar los materiales,

calentarlos o enfriarlos, separarlos o combinarlos, modificarlos

químicamente, etc. Para cada unas de estas operaciones o procesos puede

ser utilizado un modelo y se pueden calcular las variables de salida y definir

las características del equipamiento a utilizar.

El proceso completo se puede representar por un diagrama de flujo

ENTRADA 1

ENTRADA 2

OPERACIÓN O

PROCESO SALIDA 2

SALIDA 1

ALIMENTACIÓN DESTILACIÓNRESIDUO

DESTILADO

Por ejemplo:

DIAGRAMA DE FLUJO DE UNA PLANTA QUÍMICA

DIAGRAMA DE FLUJODE UNA REFINERÍADE PETROLEO

Además, cada operación o proceso se puede representar por un símbolo y

con ello se puede construir un diagrama P&I

(Piping and Instrumentation Diagram), el que incluye un mayor nivel de detalle

Para un proceso de destilación se tendría

DIAGRAMA P&I (PIPING AND INSTRUMENTATION DIAGRAM)DE UN PROCESO DE DESTILACIÓN

ALGUNOS SÍMBOLOS UTILIZADOS EN LOS PID

MacroscopicPlant

ProcessFab

Hierarchy of Models

Distance

1A 10A 100A 1m 1cm km

10-15 s

10-12 s

ns

ms

year

min.

Time

Quantitative Structure/PropertyRelationships (QSPR) &Theory

ContinuumCFD

MechanicalKinetic

Emag

Mesoscale

MolecularMolecular Dynamics

Monte CarloQuantum

PID DE UNA PLANTA

LAY OUT DE LA PLANTA

Comparación de dos procesos

Operaciones o procesos unitarios:

- Intercambiadores de calor- Bombas- Unidades de destilación- Reactores- …

Acciones:

- Intercambio de calor- Transporte material- Separación- Reacción química- …

Operaciones Unitarias: Clasificación

Procesos de Transferencia deCantidad de movimiento

- Transporte de fluidos- Fluidización de sólidos- Mezclado

Procesos de transferencia de calor

- Calentamiento/enfriamiento- evaporación/condensación

Procesos de transferencia de masa- destilación- absorción- extracciónn- adsorción- secado

Procesos termodinámicos

- licuefacción- refrigeración

Procesos mecánicos

- molienda- tamizado- transporte de sólidos

Transferencia de cantidad de movimiento

Bombas

Una bomba es un dispositivo que mueve los fluidos (líquidos o gases), y a veces lechadas o barros, por acción mecánica. Las bombas funcionan por algún mecanismo (típicamente alternativo o rotativo), y consumen energía para realizar trabajo mecánico al mover el fluido. Las bombas funcionan a través de diversas fuentes de energía, incluyendo operación manual, electricidad, motores, o energía eólica. Pueden ser de tamaño muy diverso, desde microscópicas para uso en aplicaciones médicas hasta grandes bombas industriales.

Bomba lobular Bomba de tornilloBomba manual Bomba de engranajes

Bomba peristáltica Bomba de cavidad progresiva

Distintos tipos de bombas

CarcasaImpulsor

Bombas centrífugas

Altura de elevación de líquido (cabeza)

en función del caudal para una bomba

centrífuga típica

Transporte de energía

Intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor es un

dispositivo diseñado para

transferir calor entre dos medios, que estén

separados por una barrera o que se

encuentren en contacto. Son parte esencial

de los dispositivos de calefacción,

refrigeración, acondicionamiento de aire,

producción de energía y en procesos

químicos.

Un intercambiador de calor típico es el

radiador del motor de un automóvil, en el

que el fluido que circula por el equipo es

calentado por la acción del motor y se enfría

por la corriente de aire que fluye sobre él. El

fluido a su vez reduce la temperatura del

motor volviendo a circular en el interior del

mismo.

Intercambiador de calor de carcasa

y tubos

Representación esquemática de un

intercambiador de calor de carcasa y tubos

Diagrama esquemático de un intercambiador

de calor de placas

Q hot Q cold

Th Ti,wall

To,wall

Tc

Region I : Hot Liquid-

Solid Convection

NEWTON’S LAW OF

COOLING

dqx hh . Th Tiw .dA Region II : Conduction

Across Copper Wall

FOURIER’S LAW

dqx k.dT

dr

Region III: Solid –

Cold Liquid

Convection

NEWTON’S LAW OF

COOLING

dqx hc . Tow Tc .dA

THERMAL

BOUNDARY LAYER

Energy moves from hot fluid

to a surface by convection,

through the wall by

conduction, and then by

convection from the surface to

the cold fluid.

Typical kettle reboiler used for industrial

distillation towers

CON CURRENT FLOW

1

2

12

lnT

T

TTTLn

731 TTTTT in

c

in

h

1062 TTTTT out

c

out

h

COUNTER CURRENT FLOW

Ln

c

pc

Ln

h

ph

TA

TTCm

TA

TTCmU

.

..

.

.. 10763

T1T2

T4 T5

T3

T7 T8 T9

T10

T6

Counter - Current Flow

T1 T2T4 T5

T6T3

T7

T8 T9

T10

Parallel Flow

Log Mean Temperature evaluation

T1

A

1 2

T2

T3

T6

T4 T6

T7T8

T9

T10

Wall∆T1

∆T2

∆ A

A

1 2

Reboiler típico utilizado en torres de destilación

Condensador típico de superficie enfriada por agua

Chemical separation processes: required background

B

VD

- How do we know that at pressure Pand temperature T, vapour and liquidphase are present in the system?

- What is the composition of the phases?

Chemical engineering thermodynamics

La,xa

Va,ya

Vb,yb Lb,xb

- How do we know the amount of massexchanged by two phases?

- What is the new composition of the phases?

Mass transfer methods

Procesos de separación

Objetivo:A partir de una mezcla de components obtener uno o más productos con la composición/pureza deseadas

A+B

A B

B A

- A y B deben tener diferencias en:- puntos de ebullición- tamaño- polaridad- etc.

)(/)(1 AnAnSF F

nF

n1

n2 )(/)( 21 AnAnSR

Factor de separación

Relación de separación

)(/)( BSRASRSP Poder de separación

Consideraciones termodinámicas y equilibrio de fases: Fluidos binarios

T

xA

Tb(B)

Tb(A)

V

L

y*x*

T, P

V

L

P=const

44

Destilación en equilibrio o Flash

Calentador

Separador

xA

yA

La destilación Flash es una técnica de separación de fase en una sola etapa.

1. Una mezcla líquida se bombea a través de un calentador para elevar la temperatura y la

entalpía de la mezcla.

2. A continuación fluye a través de una válvula y se reduce la presión, causando la vaporización

parcial del líquido.

3. Una vez que la mezcla entra en un volumen lo suficientemente grande (el "tambor flash"), el

líquido y vapor son separados.

4. Debido a que el vapor y el líquido están en tan estrecho contacto hasta que el "flash" se

produce, las fases líquida y vapor están cerca del equilibrio.

45

Balance de masa total:

Balance del component A

Donde

F, V y L son los flujos másicos de alimentación, vapor y líquido.

xF, yA and xA son las fracciones en moles del component A in la alimentación, vapor and líquido.

AAF xfyfx )1(

Donde

f = V/F = fracción de la alimentación que es vaporizada y extraida continuamente como vapor.

Balance material para el component más volatil:

heater

Separator

xA

yA

AAF xF

V

F

Fy

F

Vx )()(

AAF LxyVFx

LVF

Destilación en equilibrio o Flash

Separación Flash

AxL,

AyV ,

FFF TPxF ,,,

11,TP

- Alternativamente, en lugar de utilizar una válvula reductora de presión, la mezclalíquida puede ser parcialmente vaporizada en un calentador o condensada en un enfriador

F

F

TT

PP

1

1 Proceso isotérmico

T

xA

Tb(B)

Tb(A)

V

L

y*x*

11,TP

Separación Flash

Rising Film Evaporator Falling Film Evaporator

Diagrama de un evaporador de doble efecto de película descendente.

1 : alimentación, 2 : producto, 3 : vapor vivo, 4: vapores

Los vapores condensados del tanque flash B1 calientan el evaporador A2

Evaporadores de múltiple efecto

Proceso de destilación

La destilación es un proceso en el que una mezcla de alimentación de dos o más componentes se separa en productos de composiciones diferentes de la alimentación.Este proceso aprovecha las diferencias en la distribución de los componentes entre el vapor y fase líquida.La alimentación se introduce en uno o más puntos a lo largo de la columna.Líquido corre por la columna de una bandeja a la inferior, mientras el vapor está ascendiendo a lo largo de la columna. En cada bandeja el líquido y el vapor se ponen en contacto y se mezclan.

F, zf

Va, ya

La, xa

Lb, xN

Ln-1 xn-1Vn yn

Ln xnVn+1

yn+1

Lm-1 xm-1Vm ym

Lm xm

Vm+1 ym+1

condensador

Producto de cabeza D, xd

reboilerVb, yb

Producto de cola B, xb

Va, ya

La, xa

Lb, xN

Ln-1 xn-1Vn yn

Ln xnVn+1

yn+1

Lm-1 xm-1Vm ym

Lm xm

Vm+1 ym+1

condensador

Producto de cabeza D, xd

reboilerVb, yb

Producto de cola B, xb

En cada etapa de la columna las dos fases se poenen en contacto y se aproximan al equilibrio térmico y de composición dependiendo de la eficiencia de la etapa.

F, zf

Lin,xin

Lout,xout

Vout,yout

Vin,yin

Proceso de destilación

Consideraciones termodinámicas y equilibrio de fases: Fluidos binarios

T

xA

Tb(B)

Tb(A)

V

L

T1

T2

T3

T4

x1 y1x2 y2x3 y3x4 y4

yA

xA

T1

T2

T3

T4

Vamos a considerar una mezcla binaria AB, donde B es un componente pesado (alto punto de ebullición) y A esun componente ligero (bajo punto de ebullición). Un diagrama de fase T-x de la mezcla de AB, donde x es lafracción molar del componente a puede tener este aspecto para una dada presión constante P. Este diagramade fase pueden también transformarse en el diagrama y-x donde la composición de la fase vapor en términosde la fracción molar del componente A se grafica como función de la composición de la fase líquida.

Ver video sobre destilación en:

http://www.youtube.com/watch?v=vscX_zawdQw

Detalle de los platos de Destilación

COLUMNAS DE

DESTILACIÓN