03 Procesos y variables de proceso

Vista previa del material en texto

Balances de materia Procesos y variables de proceso
Balance de Materia ( NELI04074)
• Días de clases: Lunes, Marte y Miércoles 
1
Balances de materia Procesos y variables de proceso
3. Procesos y variables de proceso
• ¿Qué es un proceso?
• ¿Qué características debe tener un proceso?
• ¿Qué pasos implica un proceso?
2
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Fabricar un producto  diseñar, construir y operar
una planta de procesos químicos.
• En general una planta de procesos químicos contiene
algunos, o todos, de los elementos siguientes:
3
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• “Como ingeniero químico es posible, que se tenga
que diseñar u operar…”
• ¿cuál es la diferencia entre estos dos términos?
• ¿Qué es un proceso por lotes y un proceso en
continuo?
4
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• ¿ a qué se refiere con el término cuellos de botella?
• Todas las actividades y funciones anteriores se
relacionan mediante las corrientes de proceso que
conectan a las unidades de éste y constituyen su
diagrama de flujo. Para llevar a cabo las funciones
se necesita conocer las cantidades, composiciones y
condiciones de dichas corrientes y de los materiales
que se encuentra en el interior
5
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Los diagramas de flujo de proceso incorporan información
cuantitativa sobre las variables del proceso.
• ¿Cuáles son estas variables del proceso?
– Moles
– Masa
– Composición
– Concentración
– Presión
– Temperatura
– Volumen
– Densidad
– Velocidad de flujo (másico, volumétrico, molar)
6
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• 3.1 Masa y volumen
– De esta sección salen dos términos
• Densidad
• Volumen específico
7
Balances de materia Procesos y variables de proceso 8
https://actfray.files.wordpress.com/2013/10/de11f-densidad.gif
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• ¿cómo se ven los compuesto con diferentes
densidades?
9
https://triplenlace.files.wordpress.com/2013/06/image57.png
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• ¿Existe alguna dependencia de la densidad con
respecto a la temperatura?
10
https://intranet.matematicas.uady.mx/portal/leamos_ciencia/VOLUMEN_II/ciencia3/093/Imgs/quimicoci108.gif
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• ¿qué es la gravedad específica?
• La sustancia que mayormente se emplea para sólidos
y líquidos es el agua
11
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Y la notación correcta es:
• La cual se lee como “la gravedad específica de una
sustancia a 20°C con respecto al agua a 4°C es 0.6”
• En la industria petrolera se utiliza los °API (American
Petroleum institute)
• Escala Baumé (°B o °Be)
12
Balances de materia Procesos y variables de proceso
3.2 Velocidad de flujo
• 3.2.2 velocidad de flujo másico y flujo volumétrico
– La mayoría de los proceso implica el paso de material de
un punto a otro – entre unidades de producción o a una
bodega – La velocidad a la que se transportan es la
velocidad de flujo.
– Se puede clasificar como:
• Velocidad de flujo másico: masa/tiempo
• Velocidad de flujo volumétrico: volumen/tiempo
13
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Un fluido se desplaza por la tubería cilíndrica, donde
el área sombreada representa un corte
perpendicular en la dirección del flujo
• Si la velocidad de flujo es 𝑚(
𝑘𝑔
𝑠
), entonces por esa
área pasan m kg de masa a través del corte
transversal en la unidad cada segundo.
• Si fuera un flujo volumétrico 𝑉(
𝑚3
𝑠
),
14
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• 3.2b Medición de la velocidad de flujo.
– Flujómetro: dispositivo para obtener la lectura
continua de la velocidad de flujo en una línea de
corriente.
• Rotámetro: Tubo cónico vertical que contiene un
flotador, el cual se eleva en el interior del tubo a
medida que la velocidad aumente
https://www.youtube.com/watch?v=B3Py2uBAeTU
https://www.youtube.com/watch?v=VStEa279iDQ
• Medidor de orificio/placa de orificio: Es una
obstrucción en el canal de flujo que tiene una
abertura angosta a través de la cual pasa el fluido, la
diferencia de presión es medida y relacionada con la
velocidad de flujo
https://www.youtube.com/watch?v=6LR00d6HRPg
15
https://www.youtube.com/watch?v=B3Py2uBAeTU
https://www.youtube.com/watch?v=VStEa279iDQ
https://www.youtube.com/watch?v=6LR00d6HRPg
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Investigar
• ¿cuántos tipos de flotadores se utilizan en los
rotámetros?
• ¿Cómo se leen los distinto flotadores?
• ¿cómo se utiliza una placa de orificio?
• ¿Qué es un mol?
16
Balances de materia Procesos y variables de proceso
¿cómo leemos el flujo en el 
rotámetro? 
17
Balances de materia Procesos y variables de proceso
3.3 Composición química
• Peso atómicomasa de un átomo
• Peso molecular  suma de los pesos de los átomos
que constituyen la molécula
• Un gramo/mol de una especie, es la cantidad de ésta
cuya masa en gramos es numéricamente igual a su
peso molecular.
– PM CO2 es 28, por lo tanto 1 mol de CO2 contiene 28 gr o
1lbmol tiene 28 lbm
18
Balances de materia Procesos y variables de proceso 19
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• ¿Cómo convertimos de masa a moles y viceversa?
• 3.3b Fracción másica, molar y peso molecular
promedio
– ¿Cómo calculamos la fracción másica?
– ¿Cómo calculamos la fracción molar?
– ¿Qué será el peso molecular promedio?
20
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• 3.3c concentración
– Concentración másica  masa de un componente por
unidad de volumen de la mezcla, por ejemplo, …..
– Concentración molar  número de moles de este
compuesto por unidad de volumen de la mezcla
– ¿Las concentración es una propiedad extensiva o
intensiva?
– ¿Qué información podemos obtener basado en la
concentración de un componente en el sistema?
21
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Por ejemplo,
• Tenemos una solución de 0.02 molar de NaOH. ¿qué
cantidad de moles se tendrán en 5 L?
• Si tuviéramos un proceso en continuo, en el cual
fluye una corriente de NaOH 0.04 molar a una
velocidad de 2 L/min, ¿cuál sería en flujo molar?
22
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Partes por millón
𝑝𝑝𝑚𝑖 = 𝑥𝑖 × 10
6
• Partes por billón
𝑝𝑝𝑏𝑖 = 𝑥𝑖 × 10
9
• Partes por millón o billón puede ser en volumen y
masa.
23
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Ejercicio clase
• En uno de los laboratorios de la Universidad de Guanajuato, se recibió de una empresa una muestra que debe ser caracterizada por los
futuros ingenieros químicos. Las personas que enviaron la muestra requieren que los resultados estén dados en las distintas maneras
de expresar las concentraciones, ya que los resultados serán revisados por varias personas de la empresa quienes no necesariamente
están familiarizadas con las unidades que se manejan en el área de ingeniería. A continuación parte de los datos que envía la empresa.
PM: Peso o masa molecular
Base de cálculo sugerida: 100 gmol
a) Calcular los datos faltantes de la tabla e indicar de manera ordenada los cálculos utilizando la clasificación sugerida (1.A, 1.B, etc.)
b) Calcular el volumen de la mezcla en mL y pies3
c) Calcular la masa de la mezcla en lb-masa
d) ¿Cuántas botellas de 2 L necesitaría para almacenar el volumen de la mezcla con la base de cálculo dada?
e) ¿Cuáles son las condiciones para considerar “correcto” el cálculo de la fracción volumen?
24
Cálculo 1.A 1.B 1.C 1.D 1.E 1.F 1.G 1.H 1.I 1.J 1.K
Compuesto % mol xi PM Densidad,
kg/L
Densidad, 
g/L
ni mi, g wi Vol, L Fracción
volumen
% (vol/vol)
A 30 50 1.1
B 20 41 1.02
C 10 85 0.78
D 5 0.89
E 35 25 0.99
TOTAL 100 41.45
Balances de materia Procesos y variables de proceso
3.4 Presión
• 3.4a Presión hidrostática
– Presión: es la relación entre la fuerza y el área sobre el cual
actúa la misma.
– Presión del fluido:relación entre F/A
25
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Presión hidrostática:
26
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• 3.4b Presión atmosférica, absoluta y manométrica
– Presión atmosférica:
– Presión absoluta:
27
Balances de materia Procesos y variables de proceso 28
http://www.sabelotodo.org/aparatos/manometros.html
Balances de materia Procesos y variables de proceso 29
Balances de materia Procesos y variables de proceso
3.5 Temperatura
• Conversión de unidades de temperatura
• Dispositivos de medición
– Termómetro de resistencia
– Termómetro digital
– Pirómetro
– Termopar
30
Balances de materia Procesos y variables de proceso
https://www.youtube.com/watch?v=G1_iQtvepIg
31
https://www.youtube.com/watch?v=G1_iQtvepIg
../Sem 03/Basics of BFDs, PFDs, PIDs.mp4
../Sem 03/Basics of BFDs, PFDs, PIDs.mp4
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Diagramas de flujo de procesos:
– Son diagramas compactos y precisos que representan una
gran cantidad de información técnica acerca de los
procesos químicos  un lenguaje que los ingenieros
deben aprender a traducir con facilidad.
32
Balances de materia Procesos y variables de proceso
– Características comunes que ilustran:
• Materias primas
• Cambios físicos y químicos que tienen lugar
• Productos que salen
33
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Diagramas de flujo de entradas-salidas
• Un solo bloque representa todas las operaciones físicas y química involucradas
en el proceso
• Las líneas con flechas representan el movimiento de materiales que entran y
salen del proceso.
• Los materiales entran por la izquierda.
• Los productos salen por la derecha.
• La velocidades de flujo (o cantidades) de la materias primas y los productos
pueden mostrarse.
34
Balances de materia Procesos y variables de proceso 35
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Diagramas de flujos de bloques
• Representa el próximo paso en complejidad y detalle.
• Los procesos químicos se representan como un grupo de
bloques conectados, o unidades de proceso.
• Cada unidad representan una función del proceso específica
en la cual los materiales sufren cambios físicos y/o químicos.
• Las líneas conectadas entre bloque y bloque representan las
corrientes de del proceso
• Materias primas entran por la izquierda y los productos salen
por la derecha.
• Las cantidades o velocidades de flujo de entradas y salidas
pueden indicarse directamente en el diagrama de flujo o en
una tabla adjunta.
36
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Tipos de unidades de proceso que se incluyen en un
diagrama de proceso:
– Mezcladores
– Reactores
– Divisores
– Separadores
37
¿Cuál es la función de cada uno de ellos?
Balances de materia Procesos y variables de proceso 38
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Diagrama de Flujo de Proceso (PFD)
• Muestran las principales unidades de proceso y los materiales que fluyen en ellas.
• Constituyen un aumento en la complejidad de la información.
• Los proceso se representan como un grupo conectado de equipos de proceso.
• Incluye equipos para mover material (bombas, compresores, bandas
transportadoras, etc.), para calentar o enfriar (hornos, intercambiadores de calor,
etc.)
• A cada equipo se le asigna un número y nombre descriptivo
• Se muestran los servicios auxiliares (vapor, agua de enfriamiento, etc.)
• Flechas de entrada y salida.
• Las líneas conectadas entre bloque y bloque representan las corrientes de del
proceso
• Materias primas entran por la izquierda y los productos salen por la derecha.
• Las cantidades o velocidades de flujo de entradas y salidas pueden indicarse
directamente en el diagrama de flujo o en una tabla adjunta.
39
Balances de materia Procesos y variables de proceso 40
Balances de materia Procesos y variables de proceso
• Utilizar el programa
Visio de Microsoft
office.
41
Balances de materia Procesos y variables de proceso 42
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Modos de operación
43
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Proceso semicontinuo o lote 
alimentado
44
S. Sirisansaneeyakul, S. Wannawilai, Y- Chisti, 2012, Repeated Fed-Batch Production of Xylitol by 
Candida magnolia TISTR 5663, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 88, 1121-1129.
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Proceso semicontinuo o lote 
alimentado
45
Los proceso por lote y semicontinuo o lote 
alimentado NO son estacionarios, ¿por qué?
Prado-Rubio, O.A, Hernández-Escoto, H., Rodriguez-Gomez, R., Sirisansaneeyakul, S., Morales-Rodriguez, R. (2015). 
“Enhancing xylitol bio-production by an optimal feeding policy during fed-batch Operation”. Computer-Aided Chemical
Engineering. (ISSN: 1570-7946). 37, 1757-1762. doi:10.1016/B978-0-444-63577-8.50138-8
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Investigar
• Buscar un ejemplo para producir, cocinar, “hacer”,
etc. un producto deseado.
– El producto debe ser el mismo, pero
– El ejemplo debe ser de una actividad fuera del ámbito de
la ingeniería química, por ejemplo, desde cocinar,
producción de alimento, etc.
– Primero deben entender cuál es la diferencia entre los
tipos de operación y después podrá identificar muy
fácilmente su ejemplo….Eche a volar su imaginación
46
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Problemas en clase
47
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Problema sugeridos del libro
• Capítulo 2
– 2.1, 2.2, 2.8, 2.18, 2.25 (inciso a), 2.26, 2.27, 2.28, 2.29,
2.32
• Capítulo 3
– 3.1, 3.2, 3.14, 3.15, 3.22, 3.24, 3.48
48
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Tarea 5 
• Mapa conceptual de las secciones 4.1-4.2
49
Balances de materia Procesos y variables de proceso
Balance de Materia ( NELI04074)
• Horario de clases: Lunes, Marte y Miércoles 
• Aula: D-204
50