ESCUELAPROFESIONALDEINGENIERÍA INDSUTRIAL Asignatura: PROCESOS PRODUCTIVOS II Dra. Juanitaflor Morales Cabrera.

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2 ESCUELAPROFESIONALDEINGENIERÍA INDSUTRIAL Asignatura: PROCESOS PRODUCTIVOS II Dra. Juanitaflor Morales Cabrera

3 Procesos: En la figura se representa un esquema muy simplificado del marco de relaciones existente desde el punto de vista de circulación de la materia y energía manufacturadas.

4 DEFINICIONES La relación existente entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de materia y energía entre ambos. Dentro de este intercambio continuo podemos distinguir dos tipos de procesos: 1.Procesos NATURALES, como pueden ser la función clorofílica, la acción de plantas y animales o la producción de alimentos por agricultura, fermentación, etc. 2.Procesos ARTIFICIALES, que dan como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza. Estos últimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominados PROCESOS QUÍMICOS.

5 Procesos Naturales El envejecimiento es un proceso o transformación natural. La erosión es un proceso o transformación natural. La fotosíntesis es un proceso o transformación natural. La evaporación es un proceso o transformación natural. En rigor, todo lo que ocurre en la naturaleza, son procesos o transformaciones naturales, y una características de todos ellos es que se desarrollan durante un lapso de tiempo (ninguno es instantáneo).

6 Procesos Naturales Envejecer: Proceso natural e irreversible. Erosión, otro proceso natural irreversible.. La difusión de un gas, la mezcla de dos líquidos, las deformaciones inelásticas de un cuerpo, las reacciones químicas o la conducción de calor desde un foco caliente a uno frío, son procesos irreversibles. NINGUNO de los procesos que tienen lugar en la naturaleza Es reversible

7 Procesos químicos Es un conjunto de operaciones químicas y/o físicas que permiten la transformación de materias iniciales en productos ó subproductos finales diferentes. Un producto es diferente de otro si tienen distintas propiedades tanto químicas como físicas: Ejemplo:Distinta composición, estado de la materia distinto (sólido, líquido, gaseoso), densidad, Punto de ebullición, etc. En la descripción general de cualquier proceso químico existen diferentes operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones químicas. En cambio otros pasos son meramente físicos, es decir, sin reacciones químicas presentes. “Podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas. Cada una de estas operaciones es una OPERACIÓN UNITARIA dentro del proceso global”

8 Definición de Operación Unitaria Definición más aceptada:  Es una parte integrante de un proceso químico. ¿Cuántas Operaciones Unitarias existen? Entre 25 y 30 Operaciones. Su número brinda una idea de la variedad de procesos químicos existentes.

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10 OPERACIONES UNITARIAS Cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o tranformación de las materias primas implicadas en un proceso químico. En general un proceso químico se puede descomponer mediante una secuencia de diagramas de bloques, estableciendo relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su correspondiente bloque.

11 Procesos Quimicos/Operaciones Unitarias Los procesos químicos en general y cada operación unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos: - Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla, reacción química). - Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión, etc). - Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección).

12 Procesos Quimicos/Operaciones Unitarias Los tres cambios mencionados anteriormente son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas: - Cantidad de materia y composición. - Energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial, cinética). - Las componentes de velocidad de que está animado. Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes de conservación: 1. Ley de conservación de la materia. 2. Ley de conservación de la energía. 3. Ley de conservación de la cantidad de movimiento.

13 Ley de la conservación de la Materiaó Ley de Lomonosov - Lavoisier Fue enunciada independientemente por el científico ruso Mijaíl Vasilievich Lomonosov, en 1745 y por el francés Antoine Laurent Lavoisier en 1785 Se puede enunciar como: “en una reacción química ordinaria, la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos”.

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15 Comprueba en las siguientes ecuaciones químicas el cumplimiento de la ley de conservación de la masa: la masa de los reactantes es igual a la masa de los productos. EcuaciónQuímicaMasa de los reactantes Masa de los productos N₂O₅+H₂O → 2HNO₃ Zn+HCl→ ZnCl₂+H₂ H₂+F₂→2HF 4HCl+Sn(OH)₄ → SnCl₄+ 4H₂O

16 LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA (1 a Ley de la Termodinámica) La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

17 ENERGÍA  Definiciones: Capacidad para producir trabajo. Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras: Radiación electromagnética, Energía Potencial, Energía Eléctrica, Energía Química (de enlace), Energía Cinética, Calor. Magnitudes y Unidades - Cantidad absoluta: Energía, J, cal, kcal, kJ - Caudal: Energía/tiempo, J/s (W) - Flujo: Energía/(tiempo.superficies), W/m 2 - Específica: Energía/masa, J/kg

18 Primer Principio de la Termodinámica: * Basado en las observaciones de Thompson y Sir Humphry Davy: El trabajo puede ser transformado en calor por fricción. * (1840) Joule establece la equivalencia entre trabajo y calor 4,18 kJ <> 1 kcal. * El primer principio según por el cual la energía ni se crea ni se destruye se propone en base a estas experiencias, formulándose matemáticamente como:

19 Primer Principio de la Termodinámica: * La propiedad termodinámica que deriva del primer principo de conservación recibe el nombre de ENERGÍA INTERNA (U). * Se define la energía interna de un sistema en función de la diferencia entre el calor y el trabajo que entra o sale del sistema.

20 FORMAS DE LA ENERGÍA  Trabajo mecánico (W): Producto del desplazamiento (x) por la componente de la fuerza que actua en la dirección del desplazamiento (Fx).  Energía Potencial (E p ): Capacidad de producir trabajo que posee un sistema en virtud de su posición respecto a un plano de referencia.  Energía Cinética (E c ): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpo en función de su movimiento.  Calor (Q): Energía en transito de un cuerpo que se haya a una temperatura hacia otro que está a menor temperatura con el fin de igualar ambas.

21 FORMAS DE LA ENERGÍA  Energía Interna (U): Variable termodinámica (Función de estado) indicativa del estado energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor se fija respecto a una referencia. Está relacionada con otras variables termodinámicas como Energía Libre (G), Entropía (S), Entalpía (H).  Energía Electromagnética: Asociada con la frecuencia de onda. E=h ν. Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser absorbida. Normalmente su absorción se expresa como un aumento de temperatura.  Energía Nuclear (E c ): Transformación de masa en energía de acuerdo a E=mc 2. Desintegraciones nucleares.

22 ENERGÍA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL Energía cinética (Ec): asociada al movimiento de los cuerpos respecto a un sistema de referencia. Energía potencial (Ep): asociada a su posición con respecto a un sistema de referencia. Energía interna ( U ): Asociada a la composición química de la materia, a su estado energético (temperatura, volumen y presión) y a su estado de agregación (estado físico).

23 * Energía cinética de un sistema material en movimiento, en función de su velocidad: m = masa del cuerpo v = velocidad del cuerpo * Energía potencial de un sistema material en función de su posición en el campo gravitatorio: m = masa del cuerpo g = aceleración de la gravedad h = posición del cuerpo

24 * Energía interna de especies químicas ( U ):  Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la composición química, temperatura y el estado de agregación de la materia.  Relacionable con otras propiedades termodinámicas, ENTALPIA Energía debida al movimiento de las moléculas con respecto al centro de masas del sistema, al movimiento de rotación y vibración, a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos de las moléculas.

25 FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Sin transferencia de materia Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras): T y P : Parámetros de estado del sistema SISTEMA Energía interna ALREDEDORES Intercambio de energía: calor y trabajo Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere. Con transferencia de materia

26 Son formas de energía en tránsito, entre el sistema y sus alrededores. * Trabajo (W), energía en tránsito debido a la acción de una fuerza mecánica. * Calor ( Q ): tránsito resultado de la diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores. En un sistema cerrado su balance neto es 0, en un sistema abierto, su balance neto afecta a la energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo. Calor y trabajo

27 m entra m sale Ecuación general de balance Sistema material sometido a transformaciones físicas y químicas que transcurren en régimen no estacionario en régimen estacionario

28 Ley de conservación de la cantidad de movimiento.

29 Cantidad de Movimiento lineal de una partícula Lacantidaddemovimientosedefinecomoel producto de la masa por la velocidad de la partícula. Tiene carácter vectorial, y como m es un escalar, entonces pV pmV [kg m/s] VpVp

30 Conservación de la cantidad de movimiento La 2ª ley de la dinámica nos indica que la variación de la cantidad de movimiento de un sistema (formado por uno o más cuerpos) depende de la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre ese sistema y del tiempo que estén aplicadas sobre el mismo. Un sistema se dice que está aislado cuando la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es nula: F = 0 Por lo tanto, en un sistema aislado no hay variación de la cantidad de movimiento, o lo que es lo mismo, la cantidad de movimiento total del sistema permanece constante. Esto se conoce como principio de conservación de la cantidad de movimiento (PCCM), que, algebraicamente se puede expresar: F = 0p = 0p = constante

31 El PCCM permite resolver algunos problemas de una forma más simple que si tuviéramos que calcular las fuerzas. Antes de aplicar el PCCM conviene que reflexionemos sobre lo que significa sistema aislado. En estos sistemas decimos que es nula la resultante de las fuerzas exteriores que actúan sobre él, pero nada decimos de las fuerzas interiores, es decir, de las fuerzas que diferentes partes del sistema pueden ejercer entre sí. La resultante de las fuerzas exteriores es nula. Sin embargo sobre la escopeta actúa la fuerza dibujada en azul que es la causante del retroceso del arma y la fuerza dibujada en rojo es la que hace avanzar a la bala.

32 Entre los fenómenos que se pueden explicar fácilmente con el principio de conservación de la cantidad de movimiento se encuentran los choques de bolas de billar o vehículos, la propulsión de algunos peces al arrojar agua hacia atrás, los cohetes, los cañones, la propulsión a choque aplicada a los aviones a reacción, etc.

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34 Al igual que la velocidad, la cantidad de movimiento es una magnitud vectorial por lo que es necesario elegir un sistema de referencia adecuado a cada situación.

35 Procesos Quimicos/Operaciones Unitarias Proceso químico: conjunto de operaciones químicas y físicas interconectadas y tendientes a la transformación de materias primas (iniciales) en productos. Cada una de estas operaciones (físicas o químicas) es una operación unitaria dentro del proceso global. Proceso Químico = Procesos unitarios + Operaciones unitarias (Cambios químicos) (Cambios físicos) (Operaciones unitarias químicas) (Operaciones unitarias físicas) Proceso unitario: Comercialización de una reacción química bajo tales condiciones que sea económicamente factible. Operación unitaria: Cambios físicos asociados al manejo industrial de materiales químicos o sus aliados.

36 Procesos unitarios (Operaciones Unitarias Qu í micas.) Operaciones unitarias (Operaciones Unitarias F í sicas.) Principios: Reacciones qu í micas (reactores) Principios: Transferencia de materia Transferencia de energ í a (calor) Transporte de cantidad de movimiento Combusti ó n Flujo (mec á nica) de fluidosOxidaci ó n Transferencia de calorNeutralizaci ó nEvaporaci ó n Electr ó lisisHumidificaci ó n Reducci ó nAbsorci ó n Fermentaci ó nAdsorci ó n Isomerizaci ó nExtracci ó n con solvente Hidrogenaci ó nDestilaci ó n y sublimaci ó n Pir ó lisis y craqueoMezclado Intercambio i ó nicoFiltraci ó n Hidr ó lisisCentrifugaci ó n Halogenaci ó nReducci ó n y aumento de tama ñ o de part í cula Esterificaci ó nSecado Alquilaci ó nSedimentaci ó n

37 Ejemplos: Producción de celulosa. Materias primas: Madera, reactivos químicos de blanqueo y deslignificación, etc. Operaciones de acondicionamiento: Corte y reducción de tamaño de la madera (chips), eliminación de la corteza. Reacciones químicas: Deslignificación, blanqueo. Separación: Secado de la celulosa (eliminación de agua).

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39 Definición de Operación Unitaria Definición más aceptada:  Es una parte integrante de un proceso químico. ¿Cuántas Operaciones Unitarias existen? Entre 25 y 30 Operaciones. Su número brinda una idea de la variedad de procesos químicos existentes.

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41 https://www.youtube.com/watch?v=z NPq8196lmw https://www.youtube.com/watch?v=br6Dvew _YGM https://www.youtube.com/watch?v=2LQtQnW0a4I https://www.youtube.com/watch?v=hq5M-lTauFI https://www.youtube.com/watch?v=dRV9imuWWbE

42 https://www.youtube.com/watch?v=GaEj1c4dP8k https://www.youtube.com/watch?v=e8Ts3D5em6o https://www.youtube.com/watch?v=HmjKQhGcKs8 https://www.youtube.com/watch?v=UwkqoyZQ-rshttps://www.youtube.com/watch?v=t_kYP4bwg1I

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44 ¿Cómo se dividen las Operaciones Unitarias? Se dividen en dos grandes grupos:  Operaciones Unitarias Físicas.  Operaciones Unitarias Químicas.

45 ¿Cuál es el propósito de toda Operación Unitaria? Modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia, en forma mas útil a nuestros fines.

46 ¿Cómo se logra este propósito? Existen 3 (tres) vías para lograrlo: a) Modificando su masa o su composición (ej: mezcla, separación de fases). b) Modificando el nivel o la calidad (clase, tipo) de energía que posee (ej: enfriamiento, vaporización, etc.). c) Modificando sus condiciones de movimiento (ej: cambios en la dirección, aumento o disminución de la velocidad).

47 ¿Cómo se clasifican las Operaciones Unitarias? En base a las 3 (tres) vías expuestas, se tiene:  Las Operaciones Unitarias se clasifican en función de la propiedad (materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiere en la Operación o de la propiedad que sea mas relevante.

48 ¿Qué significa: “la propiedad más relevante”? transfieren cantidadde En toda Operación Unitaria se SIMULTANEAMENTE: masa, energía y movimiento. Sinembargo,lasOperacionesUnitariasnoson controladasNECESARIAMENTEporlas3(tres) transferencias. SoncontroladasporUNAo,alosumo,DOS transferencias. Porello,puedeestablecersecuálocuálessonlas transferencias mas relevantes.

49 Clasificación de las Operaciones Unitarias En base a las transferencias más relevantes, las Operaciones Unitarias se clasifican en:  Operaciones de Transferencia de Materia.  Operaciones de Transferencia de Energía.  Operaciones de Transferencia SIMULTANEA de Materia y Energía.  Operaciones de Transferencia de Cantidad de Movimiento.

50 ¿Qué Operaciones se estudian? Operaciones de Transferencia de Materia. OperacionesdeTransferencia SIMULTANEA de Materia y Energía. Importante: Ambos tipos de Operaciones se estudiarán en ESTADO ESTACIONARIO

51 ¿Cuáles son unas ? Operaciones de Transferencia de Masa:  Absorción – Desorción.  Destilación.  Lixiviación (Extracción Sólido – Líquido).

52 ¿Cuáles son las otras? OperacionesdeTransferencia SIMULTANEA de Materia y Energía.  Humidificación - Deshumidificación.  Secado.

53 ¿Qué produce una Transferencia de Propiedades? LoqueescomúnentodaslasOperacionesUnitarias: LA FUERZA IMPULSORA. Caso particular: ¿Qué ocurre cuando la FUERZA IMPULSORA es nula?. Respuesta: El sistema se encuentra en una condición tal que no puede experimentar ningún cambio en forma espontánea.

54 ¿Qué significa: “No puede experimentar ningún cambio espontáneamente”? Quiere decir que el Sistema se halla en ESTADO DE EQUILIBRIO. Por lo tanto:  Es posible establecer ciertas condiciones operativas, bajo las cuales todo sistema se encuentra en estado de equilibrio.

55 ¿Qué tipos de Equilibrio HAY? Básicamente, 3 (tres) tipos de Equilibrio:  Equilibrio Gas – Líquido.  Equilibrio Líquido – Vapor.  Equilibrio Sólido – Líquido.  También existe, Equilibrio Líquido – Líquido.

56 ¿Qué presentan en común estos Tres tipos de Equilibrio? conformados Lossistemasestán solamente por DOS fases. Estossistemastienenencomún3(tres) principios:

57 PRINCIPIO N°1 Para condiciones operativas fijas (generalmente P y T), existe una serie de relaciones en el equilibrio. Las mismas pueden presentarse gráficamente, bajo la forma de CURVA DE EQUILIBRIO (también llamada: Curva de Distribución de Equilibrio).

58 PRINCIPIO N°2 Para un sistema en equilibrio, NO hay difusión NETA de los componentes entre las fases.

59 PRINCIPIO N°3 Cuando un sistema NO está en equilibrio, la difusión de los componentes sucede de tal forma que el sistema alcanza la condición de equilibrio. Si hay tiempo suficiente, prevalecerán por último las concentraciones en el equilibrio.