PORTAFOLIO

 PRIMER PARCIAL 

CLASE 1

Procesos Fundamentales de Transporte

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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, mezclado, etc.
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 evaporación, Intercambio de Calor y otras.
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 líquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, lixiviación, etc

Equilibrio

Existe para todas las combinaciones de fases, una condición llamada equilibrio, para la cual el intercambio neto de propiedades (por lo general, masa o energía en los procesos químicos), es igual a cero. Para todas aquellas combinaciones que no se encuentren en equilibrio, la diferencia de concentración de alguna propiedad entre la que tiene en la condición existente y la que tendría en la condición de equilibrio, constituye una fuerza motriz o una diferencia de potencial, que tiende a alterar el sistema, haciéndolo tender hacia el equilibrio. La tendencia que tiene la energía térmica a fluir de una región de alta concentración (cuerpo caliente) a una región de baja concentración (cuerpo frío), es conocida universalmente. De la misma forma, es bien conocida la tendencia de la energía eléctrica a fluir de una región de alto potencial a una de bajo potencial, de acuerdo con la ley de Ohm (I= E/R). La tendencia del ácido acético a fluir de una solución formada por ácido acético y agua, hacia la fase éter, al ser puesta en contacto con ésta, es un conocimiento menos difundido.

Fuerza Motriz

Cuando se ponen en contacto dos sustancias o fases que no están en equilibrio, se observa una tendencia al cambio que conduce a la condición de equilibrio. La diferencia entre la condición existente y la condición de equilibrio es la fuerza motriz que origina este cambio. La diferencia puede expresarse en términos de las concentraciones de diversas propiedades de las sustancias. Presión de Vapor.              La presión de vapor de un líquido aumenta notablemente al elevarse la temperatura.

Por ejemplo, en los datos de las tablas termodinámicas del agua se ve que la presión de vapor a 50 °C es 12.333 kPa (92.5 1 mm de Hg). Mientras que a 100 °C, la presión de vapor aumenta en alto grado a un valor de 101.325 kPa (760 mm de Hg).

PRESION DE VAPOR

La presión de vapor es la presión que ejerce la fase gaseosa o vapor sobre la fase líquida en un sistema cerrado a una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico. Su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas.

PUNTO DE EBULLICIÓN

El punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión total. Por lo tanto, si la presión atmosférica total es de 760 mm de Hg, el agua hierve a 100 °C. En la cumbre de una montaña alta, donde la presión es considerablemente más baja, el agua hierve a temperaturas inferiores a 100 °C.

CONSERVACIÓN DE LA MASA

Una de las leyes básicas de física es la ley de la conservación de la masa. Esta ley, expresada en forma simple, enuncia que la masa no puede crearse ni destruirse. Por consiguiente, la masa total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual a la de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulación

En la mayoría de los casos no se presenta acumulación de materiales en el proceso, por lo que las entradas son iguales a las salidas. Expresado en otras palabras, “ lo que entra debe salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso en estado estacionario.

Entradas = Salidas (estado estacionario)

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Un balance de energía se aplica a un proceso, o a una parte del mismo, para un sistema abierto separado de los alrededores por un límite imaginario. Como en un balance de masa, la entrada que cruza el límite debe ser igual a la salida más la acumulación; si las condiciones son de estado estacionario y no varían con el tiempo, la entrada es igual a la salida. La energía puede manifestarse de varias maneras. Algunas de sus formas más comunes son la entalpía, la energía eléctrica, la energía química (en términos de la AH de la reacción), la energía cinética, la energía potencial, el trabajo y el flujo de calor

CALOR SENSIBLE

Los cambios de entalpía que tienen lugar en una sola fase se conocen como cambios de “Calor Sensible”. Se puede considerar la energía interna como la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas. La parte de la energía interna de un sistema que está asociada con la energía cinética de las moléculas se conoce como energía sensible o calor sensible. La velocidad promedio y el grado de actividad de las moléculas son proporcionales a la temperatura. Por consiguiente, en temperaturas más elevadas, las moléculas poseen una energía cinética más alta y, como resultado, el sistema tiene una energía interna también más alta.

CALOR LATENTE

Cuando una sustancia cambia de fase se producen cambios de calor relativamente considerables a temperatura constante. Por ejemplo, el hielo a 0 °C y 1 atm de presión puede absorber 6014.4 kJ/kg mol. A este cambio de entalpía se le llama calor latente de fusión . Los valores similares para otros compuestos pueden encontrarse en manuales. Cuando una fase líquida pasa a fase vapor con su presión de vapor a temperatura constante, se debe agregar cierta cantidad de calor que recibe el nombre de calor latente de vaporización

CALOR DE REACCIÓN

Cuando se verifican reacciones químicas, éstas siempre van acompañadas de efectos caloríficos. Al conjunto de estos fenómenos de cambio de energía se le llama termoquímica. Por ejemplo, cuando se neutraliza HCl con NaOH se desprende calor y la reacción es exotérmica. En las reacciones endotérmicas se absorbe calor. Este calor de reacción depende de la naturaleza química de cada reactivo y cada producto y de sus estados físicos.

OPERACIONES TRANSITORIAS Y ESTABLES

Una operación que varía con el tiempo recibe el nombre de transitoria o estado inestable, en contraste con la operación conocida como estado estable, en el cual las condiciones no varían con el tiempo. En las operaciones intermitentes casi todo el ciclo es un arranque y paro transitorios. En una operación continua, el tiempo durante el cual existe un arranque transitorio puede ser extremadamente pequeño en comparación con la operación en estado estable. 

MODELOS FÍSICOS IMPORTANTES

OPERACIONES EN ETAPAS

El modelo, de aquellas operaciones que con frecuencia utilizan contacto en etapas, es un dispositivo al cual entran dos corrientes que interactúan para alcanzar el equilibrio al salir de la etapa. Este modelo se conoce como etapa de equilibrio y se supone que siempre da lugar a la formación de dos corrientes de producto que se encuentran en equilibrio. El tratamiento generalizado no requiere una especificación de la propiedad que se transfiere ni de la naturaleza de las fases puestas en contacto. El análisis práctico se basa en la fracción de transferencia que se alcanza en la etapa real, comparada con la etapa de equilibrio.

OPERACIONES DE VELOCIDAD

Las operaciones unitarias que involucran un contacto continuo, dependen de la velocidad de transferencia y por ello, reciben el nombre de operaciones de velocidad. La transferencia de un gran número de propiedades de un material -como puede ser eléctrica, magnética, térmica, de concentración de masa y de momento- sigue la misma expresión matemática de velocidad de transferencia en función del gradiente de concentraciones.

CLASE 2

Transferencia de  Momento Lineal

(MECANICA DE FLUIDOS)

El comportamiento de los Fluidos es  importante para los Procesos de ingeniería  en general y constituye  uno de los fundamentos  para el estudio de las  Operaciones Unitarias. El conocimiento de los fluidos es esencial, no  sólo para tratar con precisión los problemas de  movimiento de los fluidos a través de tuberías,  bombas y otro tipo de equipos de proceso, sino  también para el estudio del flujo de calor y de  muchas operaciones de separación. Como toda la materia física, un fluido está compuesto por un  número extremadamente grande de moléculas por volumen unitario.

En ingeniería, lo que más interesa es el comportamiento en  conjunto o macroscópico de un fluido, y no el comportamiento  molecular individual o microscópico. La rama de la ingeniería que estudia el comportamiento de  los fluidos (que comprenden los líquidos, gases y vapores)  recibe el nombre de Mecánica de Fluidos o Transferencia  de Momento Lineal. Esta es, a su vez una parte de una  disciplina más amplia llamada Mecánica Continua, que  también incluye el estudio de  los sólidos sometidos a  esfuerzo.

La Transferencia de Momento Lineal, consta de dos  ramas importantes para el estudio de las Operaciones  Unitarias: la Estática de Fluidos, que trata de los fluidos  en el estado de equilibrio sin esfuerzo cortante, y la  Dinámica de Fluidos, que trata los fluidos cuando partes  de ellos se mueven con relación a otras.

ESTÁTICA DE FLUIDOS 

¿QUE ES UN FLUIDO?

Un fluido es una sustancia capaz de fluir y que no  resiste en forma permanente la distorsión. Los  fluidos toman la forma de los recipientes que los  contienen. Un fluido en equilibrio carece de esfuerzos  cortantes. Si se intenta cambiar la forma de una masa del  fluido a través de esfuerzos cortantes, se produce  un deslizamiento de unas capas de fluido sobre  otras hasta que se alcanza una nueva forma.

FLUIDO EN MOVIMIENTO:

FLUIDO EN REPOSO:

VISCOSIDAD

La fuerza que un fluido fluyente ejerce sobre un cuerpo en la  dirección del flujo se llama fuerza de arrastre, y la magnitud de  ésta depende, en parte, de la viscosidad

La viscosidad puede ser  considerada como la pegajosidad  interna de un fluido

Si un fluido se ve poco afectado por los cambios  de presión, se dice que es incompresible. La  mayoría de los líquidos son incompresibles. Los  gases generalmente se consideran como fluidos  compresibles. Se considera como la fuerza superficial que ejerce un  fluido por unidad de área de las paredes del recipiente que  lo contiene. La presión de un fluido se trasmite con igual  intensidad en todas las direcciones y actúa normalmente a  cualquier superficie, es decir, tiene magnitud pero no una  dirección específica y, en consecuencia, es una cantidad  escalar.

RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN ABSOLUTA,  ATMOSFERITA Y MANOMÉTRICA

La presión real que se encuentra en una posición dada  se llama presión absoluta, y se mide en relación con el  vacío absoluto. La mayoría de los instrumentos para  medir la presión se calibran para que den una lectura de  cero en la atmósfera, de modo que indican la diferencia  entre la presión absoluta y la presión atmosférica local.  Esta diferencia se llama presión manométrica. Las presiones por abajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío y se miden con  instrumentos de vacío que indican la diferencia entre  la presión atmosférica y la absoluta. Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas  cantidades positivas y están interrelacionadas.

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN EN FLUIDOS ESTÁTICOS

A partir de la definición de fluidos se sabe que no puede existir  ningún esfuerzo cortante en un fluido en reposo. Esto significa que  las únicas fuerzas que actúan sobre el fluido son las debidas a la  gravedad y a la presión. Como la suma de las fuerzas debe ser igual a cero (condición de  equilibrio y reposo) en todo el fluido, se puede satisfacer la Ley de  Newton aplicándola a un cuerpo libre arbitrario de fluido de tamaño  diferencial, con lo cual se puede obtener una expresión para la  Variación de Presión de un Fluido Estático.

Esta    ecuación  es  de  aplicación   directa   para   fluidos  Incompresibles

EJERCICIOS REALIZADOS EN CLASE:

CLASE 3

DECANTACIÓN

DECANTADOR CONTINUO POR GRAVEDAD

Un decantador de gravedad se utiliza para la separación continua de dos  líquidos no miscibles de densidades diferentes. La  mezcla de  alimentación entra por un extremo del  separador; los dos líquidos fluyen lentamente a través del  tanque, separándose en dos capas, y descargan por las  líneas de desborde al otro extremo del separador. Con tal de que las líneas de desborde sean lo suficientemente  grandes para que la resistencia por fricción al flujo de los  líquidos sea insignificante, y la descarga se efectúe a la misma  presión que existe en el espacio gaseoso situado sobre el líquido  del tanque, el funcionamiento del decantador  se analiza  mediante los principios de la estática de fluidos.

DECANTADOR CENTRIFUGO

Cuando la diferencia entre las densidades de los dos líquidos  es pequeña, la fuerza de la gravedad es demasiado débil para  separar los líquidos en un tiempo razonable. La separación  puede entonces realizarse en una centrífuga líquido-líquido. Consta de una recipiente de metal cilíndrico, que  por lo  general se coloca de forma vertical, y que gira alrededor de su  eje a gran velocidad. Cuando el aparato está  en funcionamiento,  la alimentación se  introduce de manera continua cerca del fondo del mismo. La  descarga del líquido ligero se efectúa a través de los  puertos próximos al eje del recipiente; el líquido pesado pasa por  debajo de una placa anular, perpendicular al eje de rotación, y  descarga. Si la resistencia por fricción al flujo de los  líquidos que salen del recipiente es despreciable, la posición de la  interface líquido-líquido se establece en función de un balance  hidrostático y las "alturas" relativas (distancias radiales al eje) de los  puertos de desborde en los puntos 1 y 2

EJERCICIOS REALIZADOS EN CLASE:

CLASE 5

VENTILADORES, SOPLADORES Y COMPRESORES

Éstas son máquinas que mueven y comprimen gases.

• Los ventiladores descargan grandes volúmenes de gas (normalmente  aire) dentro de los espacios abiertos o ductos grandes. Son máquinas de  baja velocidad que generan presiones muy bajas, del orden de 0.04 atm.
• Los sopladores son aparatos rotatorios de alta velocidad (que usan el  desplazamiento positivo o la fuerza centrífuga) que desarrollan una  presión máxima de cerca de 2 atm.
• Los compresores, los cuales también son de desplazamiento positivo o  máquinas centrífugas, descargan a presiones desde 2 hasta varios miles  de atmósferas.

Observe que mientras la bomba se refiere en general a un  aparato para el movimiento de un líquido, los términos bomba  de aire y bomba de vacío designan máquinas para la compresión  de un gas.

VENTILADORES

Los ventiladores de gran tamaño por lo general son  centrífugos y operan exactamente sobre el mismo principio  que las bombas centrífugas. Sin embargo, es posible que las  aspas del impulsor sean curveadas hacia adelante; esto puede  llevar a la inestabilidad en la bomba, pero no en un  ventilador. A veces, como ocurre en los aparatos de ventilación,  casi toda la energía suministrada se convierte en  energía de velocidad y casi nada en carga de presión.  De cualquier modo, el aumento de la velocidad absorbe  una cantidad apreciable de energía suministrada y debe  incluirse al estimar la eficiencia y la potencia. La  eficiencia total, donde la potencia de  salida recibe  influencia tanto de la carga de presión como de la  velocidad, es de alrededor de 70%. El volumen en pies cúbicos estándar se mide a presión  y temperatura determinadas, independientemente de la  temperatura y presión reales del gas que llega a la  máquina.

SOPLADORES Y COMPRESORES

Cuando aumenta  adiabáticamente la presión de un fluido  compresible, aumenta también la temperatura del mismo. Este  aumento de temperatura tiene varias desventajas. Debido a que  el volumen específico  del fluido se incrementa con la  temperatura, el trabajo requerido para comprimir una libra de  fluido es mayor que si la compresión fuera isotérmica. Las  temperaturas excesivas ocasionan problemas con los lubricantes,  cajas prensaestopas y materiales de construcción. El fluido puede  ser tal que no tolere temperaturas elevadas sin descomponerse

los compresores se enfrían mediante chaquetas a través de las  cuales circula agua fría o refrigerante. En compresores pequeños enfriados, la  temperatura del gas a la salida se aproxima a la de la entrada, hasta alcanzar  una compresión esencialmente isotérmica. En unidades muy pequeñas es  suficiente utilizar aletas externas integradas con el cilindro y que intercambian  aire enfriado. En las unidades grandes, donde la capacidad de enfriamiento es  limitada, se sigue una trayectoria diferente de flujo isotérmico o compresión  adiabática, llamada compresión politrópica.

EJERCICIOS REALIZADOS EN CLASE:

CLASE 6

AGITACIÓN Y MEZCLA DE LIQUIDOS

El éxito de muchas operaciones industriales depende de la efectiva  agitación y mezcla de fluidos. Aunque con frecuencia se les confunde, la  agitación y mezcla no son sinónimos. La agitación se refiere al movimiento inducido de un material en una  manera específica, normalmente en un patrón circulatorio dentro de algún  tipo de contenedor. La mezcla es una distribución aleatoria, dentro y a  través una de otra, de dos o más fases inicialmente separadas. Un material  homogéneo simple, tal como un tanque lleno con agua fría, puede ser  agitado, pero no puede ser mezclado mientras no se le adhiere algún otro  material (tal como una cantidad de agua caliente o un sólido en polvo).

PROPOSITOS DE LA AGITACIÓN

Los líquidos se agitan con numerosos propósitos, dependiendo de los  objetivos de la etapa del proceso. Dichos propósitos incluyen:

• Suspensión de partículas sólidas.
• Mezclado de líquidos miscibles, por ejemplo, alcohol metílico y agua.
• Dispersión de un gas a través de un líquido en forma de pequeñas  burbujas.
• Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero, para formar  una emulsión o suspensión de gotas finas.
• Promoción de la transferencia de calor entre el líquido y un serpentín o  encamisado.

TANQUES AGITADORES

Los líquidos se agitan con más frecuencia en algún tipo de tanque o  recipiente, por lo general de forma cilíndrica y provisto de un eje  vertical. La parte superior del tanque puede estar abierta al aire; pero  generalmente está cerrada. Las proporciones del tanque varían  bastante, dependiendo de la naturaleza del problema de agitación.  Sin embargo, en muchas situaciones se utiliza un diseño  estandarizado en el cual el fondo del tanque es redondeado, no  plano, para eliminar las esquinas o regiones agudas en las que no  penetrarían las corrientes de fluido. La profundidad (o altura) del líquido es aproximadamente igual al  diámetro del tanque. Un agitador va instalado sobre  un eje  suspendido, es decir, un eje sostenido en la parte superior. El eje es  accionado por un motor, a veces directamente conectado al el, pero  es más común que se encuentre conectado al eje ha través de una  caja reductora de velocidad. Por lo general  también  lleva  incorporados accesorios tales como líneas de entrada y salida,  serpentines, encamisados y pozo para termómetros u otros equipos  de medición de la temperatura.

AGITADORES

Los agitadores de impulsor o rodete se dividen en dos clases.  Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor se  llaman impulsores de flujo axial; y aquellos que  generan  corrientes en dirección radial o tangencial se llaman impulsores  de flujo radial. Los tres principales tipos de impulsores para líquidos de baja a  moderada viscosidad son las hélices, turbinas e impulsores de  alta eficiencia. Para líquidos muy viscosos, los impulsores más  adecuados son los de hélice y agitadores de anclaje.

Hélices (propulsor): Una hélice es un impulsor de flujo axial y  alta velocidad que se utiliza para líquidos de baja viscosidad. Las  hélices pequeñas giran con la misma velocidad que el motor, ya  sea a 1 150 o 1 750 rpm; las grandes giran de 400 a 800 rpm. 

Turbinas: Las corrientes que genera se desplazan hacia fuera  hasta la pared del tanque y entonces fluyen hacia arriba o hacia  abajo. Tales agitadores son llamados a veces paletas.

DISEÑO ESTANDAR

Por lo general, el número de deflectores es 4; el número de  palas del agitador varía entre 4 y 16, pero generalmente son 6 u 8. Situaciones especiales pueden, por supuesto, considerar  proporciones diferentes de las que se acaban de indicar; por  ejemplo, quizá resulte ventajoso colocar el agitador más alto o  más bajo en el tanque, o tal vez sea necesario utilizar un tanque  más profundo para lograr el resultado deseado. No obstante, las  proporciones “estándar” listadas son ampliamente aceptadas y  son la base de muchas correlaciones publicadas sobre el  funcionamiento de los agitadores.

EJERCICIOS REALIZADOS EN CLASE: