Operaciones Unitarias

1. Operaciones Unitarias EIQ -303 Profesor :Andrea Fredes

2. Evaluación • Se realizarán 2 certámenes (45 %) • El desarrollo del curso considera nota de ayudantía (10%), con igual número de pruebas que en cátedra • Los alumnos que falten a una prueba, deberán justificar su inasistencia . • Las causas justificadas serán sometidas a una prueba acumulativa a final del curso. (Toda la materia) EIQ-303

3. Aprobación • Asistencia: no • Derecho a Examen: Todas las notas • Nota Presentación:60% • Nota Examen:40% • Eximición: Promedio de Notas > o = a 5.0 • Nota de aprobación: 4.0 o superior EIQ-303

4. Bibliografía • - Mc. Cabe and Smith. “Unit Operation of Chemical Enginering”. • -Mott, “Mecánica de fluidosaplicada”. • - Kern. “Procesos de Transferencia de Calor”. • - G. Brown. “UnitOperation”. • - Schaum. “Mecánica de Fluidos”. • - Schaum. “Transferencia de Calor”. EIQ-303

5. 1. REPASO GENERAL Aspectos generales de cálculo en la ingeniería de procesos. • Sistemas Termodinámicos dentro de los procesos industriales. • Forma de operación de los sistemas productivos. • Flujo másico, flujo volumétrico, densidad, mol, peso molecular. • Composición. Medidas de composición. Peso molecular promedio. Densidad de mezclas. • Fuerza y peso. Factores de conversión de unidades de fuerza. Presión: absoluta, manométrica, vació. Presión hidrostática. Manómetros. Principio de Arquímedes. • Temperatura. Escalas de temperatura. Conversión de unidades de temperatura. Ley cero de la termodinámica. • Medidores de flujo, presión y temperatura. • Homogeneidad dimensional y transformación de ecuaciones de un sistema de unidades a otro. EIQ-303

6. 2. MECÁNICA DE FLUIDOS • - Concepto de fluido, Propiedades de los fluidos. • - Leyes de Hidrostática. • - Viscosidad; Concepto, definición y medición. • - Nociones de fluido Newtonianos y no Newtonianos. • - Balance General de Energía aplicado al caso de flujo de fluidos • Ecuación de Bernouilli • Ecuación de Continuidad. • Pérdidas por fricción • Ecuación de Darcy y Fanning • Gráfico de Moody, • Longitudes equivalentes. • Ejemplos de circuitos. EIQ-303

7. Medidores de flujo. • Fitting; Válvulas y cañerías, normas de construcción, materiales usos e instalaciones. • Bombas centrífugas, recíprocas y rotatorias; Descripción y usos, normas de operación y mantención, tipos sanitarios. EIQ-303

8. 3. TRANSFERENCIA DE CALOR • Mecanismos de Transferencia de Calor. • Conducción • Radiación • Convección • Equipos Industriales • Coeficientes Individuales y Globales • Intercambiadores : • Tubos Concéntricos, • Tubos y Carcaza, • Intercambiados de placas. EIQ-303

9. 4. TRANSFERENCIA DE MASA • Tipos de Transferencia de Masa; Aplicaciones y Empleo. • Condiciones de Equilibrio. • ABSORCIÓN • DESTILACIÓN EIQ-303

10. 1. REPASO GENERAL Aspectos generales de cálculo en la ingeniería de procesos. EIQ-303

11. 1.1 Sistema • El sistema es aquella parte del universo que está continuamente en estudio, y cuyos límites pueden ser reales o imaginarios, que se establecen de acuerdo a las conveniencias de la aplicación. • El medio ambiente es todo lo que no es el sistema. • La unión del sistema y el medio ambiente constituye el universo. EIQ-303

12. Los sistemas seleccionados para el análisis termodinámico son variados, y según el caso de nuestro interés, podrá ser una planta industrial completa, parte de ella, unidades de procesos aisladas o simplemente un elemento diferencial de un fluido. EIQ-303

13. Los sistemas de nuestro interés podemos clasificarlos en 2 tipos: • Sistemas cerrados. • No hay transferencia de materia a través de los límites del sistema. La masa del sistema permanece constante. • (Proceso batch). • Sistemas abiertos. • Entra y/o sale materia del sistema através de sus limites. La masa contenida por estos sistemas no necesariamente es constante. • (Procesos continuos o semicontinuos). EIQ-303

14. Los sistemas también podemos clasificarlos de acuerdo a las características de sus límites: • Sistemas Adiabáticos. • El calor no puede atravesar los límites del sistema. • Sistemas Diatérmicos. • Se permite la transferencia de calor. • Sistemas Rígidos. • No hay cambio de volumen. • Sistemas Permeables. • A través de los límites del sistema, donde puede pasar cualquier clase de sustancia. • Sistemas Semipermeable. • A través de los límites del sistema, donde puede pasar sólo determinada sustancia. EIQ-303

15. Clasificación de los sistemas de acuerdo a las fases que contiene: Sistema Homogéneo Sistema Heterogéneo EIQ-303

16. 1.2 Operación de los sistemas • Los sistemas de nuestro interés operarán en el tiempo en dos formas: • Estacionaria. No cambia el valor de las variables del sistema con el tiempo • Transciente (o transitoria o no estacionario). Cambia el valor de las variables del sistema con el tiempo EIQ-303

17. 1.3 Proceso Químico • Un proceso químico es cualquier operación o serie de operaciones que provocan un cambio físico, químico o bioquímico en una sustancia o mezcla de sustancia (materia prima). EIQ-303

18. Todas las corriente en un proceso químico quedan caracterizadas, básicamente por • Flujo, Composición, Presión y Temperatura EIQ-303

19. 1.4 Flujo • Es la velocidad a la cual se transporta el material desde un punto hasta otro. EIQ-303

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21. Densidad • La densidad del fluido se emplea para convertir el flujo volumétrico de un fluido en flujo másico, y viceversa. • Volumen específico v: EIQ-303

22. Densidad relativa • La Densidad Relativa (o Peso especifico relativo) es el cociente entre la densidad de la substancia de interés y la densidad de una substancia de referencia bajo condiciones específicas. La densidad de referencia más comúnmente utilizada para sólidos y líquidos es la del agua a 4 ºC. EIQ-303

23. ° API • En la industria petrolera, el peso específico relativo de los productos del petróleo, suele informarse en términos de una escala llamada °API. En el caso de componentes con estructura molecular semejante se puede estimar la densidad de la mezcla con la siguiente fórmula que asume volúmenes aditivos EIQ-303

24. Peso molecular • El Peso Molecular nos permitirá transformar flujos másicos o cantidades másicas en flujo molares o cantidades molares, y viceversa. • El Peso Molecular de un compuesto es la suma de los pesos atómicos de los átomos que constituyen la molécula del compuesto. El Peso Atómico de un elemento es la masa de un átomo en una escala que le asigna al C12 una masa exactamente igual a 12. EIQ-303

25. mol • Un mol o gr-mol, es la cantidad de una especie química, cuya masa en gramos es numéricamente igual a su peso molecular PM. En forma similar se define: lb-mol, kg-mol y ton-mol. Para la conversión entre las distintas unidades molares se utilizan los mismos factores de conversión de las unidades másicas correspondientes. Un mol de cualquier especie contiene de dicha especie EIQ-303

26. Peso Molecular Promedio EIQ-303

27. 1.5 Composición • Medidas de composición para una mezcla compuesta por sustancias i, son: EIQ-303

28. Ej.- 1 • Se alimentan 30 kg de una mezcla líquida a 20ºC a una unidad de procesos cuya composición es de 40% en peso de benceno, 50% en peso de tolueno y el resto de acetona. • A.- Calcular la composición de esta corriente en % molar. • B.- Calcular el peso molecular promedio de la mezcla. EIQ-303

29. 1.6 TEMPERATURA • La temperatura es una medida de la energía cinética media que poseen las moléculas de una substancia. Como la energía cinética no puede medirse en forma directa, la temperatura debe determinarse en forma indirecta, mediante la medición de alguna propiedad física de la substancia, cuyo valor depende de la temperatura en una forma conocida. • Dilatación de una masa fija de fluido (Termómetro) • Resistencia eléctrica (Termómetro de resistencia) • Voltaje en la unión de dos metales diferentes (Termocupla) • Espectro de radiación emitido (Pirómetro) EIQ-303

30. Escalas de Temperatura Pueden definirse en función de cualquiera de las propiedades físicas mencionadas, o en función de fenómenos físicos tales como el congelamiento y ebullición que ocurren a determinadas temperaturas y presiones. • Escala Celsius • Escala Fahrenheit • Escala absoluta Kelvin • Escala absoluta Rankine EIQ-303

31. Escalas de Temperaturas EIQ-303

32. Las dos escalas de temperatura más comunes, escala Celsius y escala Fahrenheit, se definieron originalmente, utilizando la temperatura de fusión y la temperatura de ebullición del agua a la presión de 1 atmósfera. EIQ-303

33. Las escalas absolutas Kelvin y Rankinese definen de tal modo que el cero absoluto tenga un valor cero. Lamagnitud de un grado Celsius es la misma que la de un grado Kelvin, así como también la magnitud de un grado Fahrenheit es la misma que la de un grado Rankine. EIQ-303

34. 1.7 Fuerza • La fuerza es la magnitud vectorial por la cual un cuerpo puede deformarse, modificar su velocidad o bien ponerse en movimiento superando un estado de inercia e inmovilidad. • Se presenta con gran frecuencia en los problemas de ingeniería, su relación con la masa, es a menudo materia de dificultad para entregar resultados correctos. • La segunda ley de Newton relaciona fuerza, masa, longitud y tiempo: EIQ-303

35. Para efectos prácticos, se definen las siguientes unidades EIQ-303

36. Para la conversión de una fuerza, a partir de una unidad definida, a unidades básicas , debe emplearse el factor de conversión gc, el que se obtiene a partir de la definición de las unidades de fuerza. EIQ-303

37. Ej.- 2 • Se define el kilogramo fuerza (kgf) como la fuerza con que es atraído 1 kgm a la tierra en un lugar donde la aceleración de gravedad es 9.80665. EIQ-303

38. El peso de un objeto (W) es la fuerza ejercida sobre el mismo por la atracción gravitacional de la tierra. • El valor de g no sufre mayores variaciones con la posición sobre la superficie terrestre y dentro de límites moderados con la altitud, razón por la cual, podemos usar los siguientes valores para la mayoría de las conversiones entre masa y peso EIQ-303

39. EIQ-303

40. Principio de Arquímedes • “ Un fluido ejerce una fuerza de flotación, sobre un objeto sumergido, equivalente al peso del fluido desplazado por el objeto” EIQ-303

41. 1.8 Presión • Cociente entre una fuerza y la superficie sobre la cual actúa: • Las unidades, EIQ-303

42. Presión Atmosférica • Presión en la base de una columna de aire localizada en el punto de medición, donde la presión en el tope de esta columna es nula. • La presión atmosférica normal (al nivel del mar) se define ,como la presión producida por una columna de mercurio de 760 mm Hg que corresponde a 1 atm. • La medición de la presión atmosférica se realiza con un barómetro, por lo que su medición se llama presión barométrica EIQ-303

43. EIQ-303

44. Presión Hidrostática • Presión que se ejerce en la base de una columna de fluido. • Considerando una columna vertical de un fluido de densidad ρ que tiene una altura h y una sección transversal uniforme de superficie A. EIQ-303

45. y y P 0 h Presión hidrostática EIQ-303

46. Manómetro en U • Un manómetro, es un tubo en U, parcialmente lleno con un líquido de densidad conocida (fluido manométrico). Cuando se expone a los extremos del tubo a presiones diferentes, el nivel del fluido cae en la rama de presión alta y sube en la rama de presión baja. La diferencia entre las presiones puede calcularse a partir de la diferencia medida entre los niveles de líquido en ambas ramas. EIQ-303

47. Manómetro Diferencial. • Se emplea para medir la diferencia de presión entre dos puntos de una línea de proceso. EIQ-303

48. Manómetro de Extremo Sellado.. • Uno de los extremos encierra una cámara de vacío EIQ-303

49. Manómetro de Extremo Abierto • Un extremo se encuentra expuesto al fluido cuya presión se desea medir, mientras que el otro extremo se encuentra abierto a la atmósfera. EIQ-303

50. Ecuación general de los manómetros EIQ-303