Universidad Nacional Santiago Antnez de Mayolo INGENIERIA INDUSTRIAL

Universidad Nacional Santiago Antúnez de Mayolo INGENIERIA INDUSTRIAL FISICOQUÍMICA Y OPERACIONES UNITARIAS Ing. Miguel RAMIREZ GUZMAN

INTRODUCCIÓN ØFisicoquímica ØOperaciones Unitarias ØSistemas de Unidades ØDiagramas de Operaciones Unitarias 2

FISICOQUÍMICA Se llama fisicoquímica a la parte de la química que estudia las propiedades físicas y estructura de la materia, las leyes de la interacción química y las teorías que las gobiernan; y en este curso su aplicación en las operaciones unitarias. Fuente de la imagen: Proyecto Sur Nuclear Texas. 3

Operaciones unitarias En las industrias de procesos químicos, físicos y biológicos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. 4

Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso. MATERIAS PRIMAS PROCESO PRODUCTOS FINALES 5

Procesos fundamentales de transporte 1. Transferencia de momento lineal: Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado. 2. Transferencia de calor: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras. 6

3. Transferencia de masa: En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente, el mecanismo básico es el mismo, ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas o liquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción liquido-liquido, separación por membranas, adsorción y lixiviación. 7

Clasificación de las operaciones unitarias 1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro. 2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro. 3. Evaporación. Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución. 8

4. Secado. Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos. 5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor. 6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido. 7. Separación de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido. 9

8. Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución. 9. Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido. 10. Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido. 10

11. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por precipitación de dicho soluto. 12. Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales. 11

Proceso y Operación Unitaria Proceso: Conjunto o secuencia de operaciones unitarias que modifican una materia prima para transformarla en un producto comercial o insumo. Operación unitaria: Etapa de un proceso, donde se realiza una modificación específica de una corriente. 12

Descripción y Representación Ø Diagrama de bloques Ø Diagrama de flujos Ø Corrientes de un Proceso 13

1. Diagrama de bloques: Esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas. Insumo Etapa 1 Etapa 2 Producto Proceso 14

2. Diagrama de flujos: Representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales. a) Secuencia en que ocurren las operaciones unitarias. b) Equipos utilizados operación. para realizar cada c) Flujos de materia y energía 15

3. Corrientes de un Proceso: Flujos de materia que ingresan o salen de una operación unitaria o equipo. Los flujos pueden estar formadas: a) por varias sustancias o compuestos químicos. b) por más de una fase (ej. sólido en suspensión en un líquido) Una corriente se caracteriza por su composición, presión y temperatura. 400 kmol/h T = 120 ºC P = 0, 8 atm 1000 kmol/h T = 30 ºC P = 1 atm Evaporador 600 kmol/h T = 60 ºC P = 1, 1 atm 16

Agua, W kg/h 1000 kg/h 20% KNO 3 Evaporador S kg/h 50% KNO 3 Recirculación, R kg/h 37, 5% KNO 3 Cristalizador Cristales, P kg/h 4% agua Corrientes de un proceso 17

Composición de una corriente 1. Fracción másica o fracción molar ppm (parte por millón) = Fracción x 106 • La suma de fracciones da 1 • Fracción másica ≠ Fracción molar 18

2. Razón de composición 19

Sistemas de unidades Análisis dimensional Medición Ø Debe ser preciso, sin ambigüedades. Por ejemplo, es más claro decir que el plomo tiene una densidad de 11, 34 g/cm 3, que decir que el plomo es denso Ø Para poder medir deben siguientes condiciones: cumplirse las 1. Tener una definición precisa (qué es longitud en el caso de una varilla) 20

2. Tener un estándar (el metro, pie) 3. Un medio de comparación (colocar, el metro sobre la varilla y ver cuantas veces es mayor una de la otra) 21

Magnitud y unidad Dimensión o Magnitud Medible: Una propiedad física, como masa, fuerza, longitud, tiempo, temperatura o una combinación de ellas. Puede ser básica, suplementaria o derivada. Unidad: Una cantidad definida y precisa de una determinada magnitud (m, kg, atm). Estándar: Que sirve como norma de referencia para medir cosas de la misma especie. 22

Consideradas unidades básicas: Ø Masa (m): cantidad de materia Ø Longitud (L): distancia entre dos puntos Ø Tiempo (t): intervalo entre dos sucesos Ø Temperatura (T): potencial que moviliza el calor, o bien grado de frío o calor que determina el flujo de energía calórica de un cuerpo a otro. 23

Sistemas de unidades Los sistemas de unidades son conjuntos de unidades convenientemente relacionadas entre sí que se utilizan para medir diversas magnitudes (longitud, peso, volumen, etc. ). Universalmente se conocen tres sistemas de unidades: mks o sistema internacional, cgs y Técnico. 24

Unidades básicas del Sistema Internacional 25

Unidades Derivadas 26

Los sistemas métrico y SI son sistemas decimales, en los que se utilizan prefijos para indicar fracciones y múltiplos de diez. 27

Métodos de Conversión de unidades Método de las equivalencias Número de unidades de varios sistemas que expresen la misma magnitud. 1 libra = 453, 6 g = 0, 4536 Kg 1 BTU = 252 cal = 1055 J 28

Conversión de unidades de Temperatura Fahrenheit Celsius Kelvin 212°’F 100°’C 373 k 32°’F 0°’C 273 k - 459°’F -273°’C 0. 0 k 29

Tipos y Unidades de Presión Atmosférica Presión Manométrica 30

Unidades de Presión 31

Diagramas de operaciones unitarias Se trata de los símbolos utilizados comúnmente para representar los distintos equipos utilizados en la industria y la función que realizan cada uno de ellos, como los evaporadores que concentran solidos solubles, los equipos de trituración, de separación, mezcladores, etc. Los cuales son importantes conocer y lograr identificarlos dentro de un diagrama de proceso industrial. 32

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WEBGRAFIA http: //www. academia. edu/7012415/TEMA_4_Tipos_de_Operaciones_Unitarias_Tema_4_Tipos_de_Operaciones_Unitarias_Profesor_Sr http: //datateca. unad. edu. co/contenidos/332569/MODULO_332569_EXE/operac iones_unitarias_y_clasificacin. html https: //es. scribd. com/doc/94165311/Capitulo-1 -de-Operaciones-Unitarias http: //www. virtual. unal. edu. co/cursos/sedes/manizales/4090002/html/pages/cap 1/c 1_4. htm http: //www. proenergia. com/id 77. html leonmota. mex. tl/images/13733/Unidad%203%20 Proc%20 Ind. pptx 55