FUNDAMENTOS DE

PROCESOS

INDUSTRIALES

1. Introducción

CONCEPTOS BASICOS

Hoy en día, el hombre en búsqueda de un mejor nivel de vida

transforma la naturaleza para obtener productos y servicios

considerados indispensables para su existencia. Algunos ejemplos

relacionados con la transformación de recursos naturales y de

materia se presentan en Ias figuras a continuación.

Sin embargo, Ia transformación de la naturaleza o parte de ella para

obtener productos y/o servicios, requiere tener en cuenta entre otros

factores los siguientes:

Bienestar en el ambiente de trabajo

Procesos de producción a bajo costo

Materias primas adecuadas

Consumos mínimos de energía

Conservación del medio ambiente

Los procesos en los cuales estos factores son agrupados en su totalidad

se conocen como procesos de Producción más Limpia (PML) y

Desarrollo Sostenible.

En la búsqueda tanto de cumplir con el conjunto de los factores

mencionados, como de controlar y mejorar los procesos para obtener

productos de óptima calidad y mejorar los procesos encajando dentro de

un desarrollo sostenible y aprovechando las posibilidades de procesos

de producción más limpia; el hombre pretende reproducir los fenómenos

tal como ocurren en la naturaleza procurando hacer “nulo” el efecto

adverso producido por la transformación.

Así, el hombre desde hace algún tiempo atrás empezó a estudiar Ia

naturaleza, dedujo algunos principios, formuló algunas leyes

fundamentales y con base en todos ellos trata de mitigar los efectos

adversos de mejorar sus productos. Sin embargo, la aplicación de

leyes o principios no puede realizarse globalmente. Para estudiar

cualquier problema es necesario aislarlo y establecer su

comportamiento.

“La predicción de los efectos de una situación anómala no puede

predecirse sin el conocimiento de sus causas”. Por tanto para el

estudio de los procesos de transformación es necesario realizar: un

aislamiento del proceso bajo estudio, una cuantificación y deducción

de los efectos anómalos presentes y finalmente la aplicación de los

correctivos necesarios.

Un sistema es toda porción de Ia naturaleza aislada imaginariamente

por el hombre para su estudio. Tanto la determinación de Ias

interacciones del sistema con los alrededores como en el caso

contrario; de los alrededores con el sistema; son un aspecto básico a

considerar.

Una vez aislado imaginariamente el sistema se deben establecer

todas las posibles interacciones con los alrededores. Para lo cual es

necesario analizar los sistemas desde diferentes puntos de vista

considerando sus características.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMASLos sistemas se clasifican de acuerdo a cinco puntos de vista de Ia

siguiente manera:

1. POR SU COMPORTAMIENTO: SISTEMAS IDEALES Y

REALESLos sistemas ideales corno tal no existen en la naturaleza. Sin

embargo, tienen una gran importancia ya que a partir de esos se

establecen los puntos de comparación o de referencia para el

estudio de los sistemas reales.

Por lo tanto todos los sistemas presentes en la naturaleza que

delimitemos para someter a un estudio son sistemas reales.

Algunos ejemplos de sistemas son:

- Planta de producción de papel

- Planta de producción de azúcar

- Producción de vapor en una caldera

- Planta de Molinos

- Planta de Pulpa

2. POR SU TAMAÑO: SISTEMAS MACROSCÓPICOS Y

MICROSCÓPICOSLos sistemas observables a simple vista se denominan sistemas

macroscópicos; por ejemplo, una hoja de papel. Mientras que, un sistema

microscópico es aquel determinado por sus dimensiones a nivel

molecular (del orden de micras y aún más pequeños); por ejemplo, una

molécula de celulosa. La agrupación de varios sistemas microscópicos

conforman un sistema macroscópico.

3. POR SU CONFORMACIÓN: SISTEMAS HOMOGÉNEOS Y

HETEROGÉNEOS

Los sistemas homogéneos son aquellas porciones de materia

que. a simple vista, parecen ser una sola clase de materia.

Cuando es posible diferenciar aspectos diferentes (tales como

color, estado, olor) en los diferentes puntos de una porción de

materia se tiene un sistema heterogéneo.

En el caso de sistemas homogéneos se puede hablar de

medios continuos (o fases) y en el caso de sistemas

heterogéneos de medios discontinuos.

También, se puede mencionar que en un medio discontinuo

existen separaciones entre sus diferentes partes. A estas partes

se les denomina “interfases”.

Un ejemplo de sistema heterogéneo corresponde a la mezcla

de pulpa más agua. Y así mismo, ejemplos de sistemas

homogéneos pueden ser: un tinto y una hoja de papel.

4. POR SU INTERCAMBIO DE MATERIA: SISTEMAS CERRADOS

Y ABIERTOSSe conoce como sistema abierto a aquel en el cual ocurre transferencia de

materia desde o hacia el interior del mismo a través de los limites del

sistema. Y un sistema se considera cerrado, cuando no existe intercambio

de materia entre el sistema y los alrededores. Esto es, no existe entrega de

materia del sistema a los alrededores ni recibo de materia proveniente de los

alrededores al sistema.

5. POR SU INTERCAMBIO DE ENERGÍA: SISTEMAS AISLADOS

Y NO AISLADOS.Cuando existe una cantidad de calor o de trabajo que pueda entrar o salir

del sistema se dice que este sistema está intercambiando energía con los

alrededores por lo tanto se considera un sistema no aislado. En caso de que

en un sistema cerrado no exista ningún intercambio ni de calor ni de trabajo

entre el sistema y los alrededores el sistema se considera aislado. Decir que

tipo de sistema es:

a. Smurfit - Cartón Colombia

b. Este salón de clase

c. Cada uno de nosotros

d. La planta de molinos

MEDICIÓN DE LOS SISTEMAS

Medir un sistema significa asignar valores cualitativos y/o

cuantitativos a Ias variables y propiedades de los materiales y

energías que conforman el sistema.

Para asignar estos valores se debe recurrir al uso de los

instrumentos de medición y así mismo, al hablar de

instrumentos de medición se debe tener en cuenta que existen

los siguientes conjuntos de valores:

Valores que son solo función del estado real del sistema e

independientes de la manera como se llegó a ellos y se

denominan: Variables de estado. Por otra parte están los

valores que son función de la trayectoria seguida, conocidos

como: Variables de proceso. Y los valores que son función de la

materia presente en el sistema, denominados: Propiedades.

VARIABLES DE ESTADOComo se mencionó anteriormente, las variables de estado solo dependen

como su nombre lo indica del estado del sistema, lo cual implica que la

determinación cuantitativa nos mide el sistema. Entre Ias variables de

estado se pueden mencionar:

1. MASA. La masa hace referencia a la cantidad de sustancia de un

sistema. Generalmente se expresa en libras [lb] o gramos [g]. Cuando se

tiene una cantidad muy grande de masa se recurre a los múltiplos de 10 y

cuando se tienen cantidades muy pequeñas a los submúltiplos.

Como se puede observar toda variable ya sea de estado, de proceso o

una propiedad, está compuesta de dos partes:

Parte numérica Parte Dimensional

La parte numérica hace referencia a la cantidad y la parte dimensional

hace referencia al patrón de medida y/o al sistema de medición empleado.

2. COMPOSICIÓN

Esta variable expresa Ia cantidad relativa de Ias sustancias

que conforman una mezcla o solución.

Algunas formas de definir la composición son:

Fracción en peso o masa

Relación en peso o masa

Humedad absoluta

pH es una medida que permite determinar la concentración

de especies químicas de carácter ácido o básico en una

solución. El intervalo de medición del pH se encuentra en

una escala de 1 a 14, para el cual el valor intermedio (7)

corresponde al valor del agua absolutamente pura o punto

neutro.

El intervalo de valores menores que el punto neutro

determina el carácter ácido de la solución, mientras que el

intervalo de valores mayores que el punto neutro determina

el carácter básico de la solución.

DENSIDAD

La densidad puede ser usada para medir la composición de unamezcla de dos componentes si se tiene una curva de calibraciónestablecida previamente.

El instrumento de medida más usado es el aerómetro. Esteinstrumento consiste en un tubo de vidrio con una carga debolitas metálicas y una escala graduada dependiendo de que eslo que se mide. También se usa el Densitómetro. Por ejemplo:

° Brix: Utilizados en la industria azucarera; mezclas de azúcar enagua.

° Gay Lussac: Utilizados en Ia industria licorera; mezclas etanol enagua).

° API: Utilizados en la industria petrolera.

De acuerdo con Ias definiciones de densidad y volumen especifico se

puede decir que:

Existen sustancias y mezclas que tienen densidades menores ô

mayores que la del agua, por lo tanto se requiere en cada caso usar el

aerómetro indicado para la medición de esta variable considerando

tanto su escala como su magnitud. De manera correspondiente a la

densidad puede recurrirse al volumen especifico de una sustancia o

mezcla de sustancias para expresar el volumen ocupado por unidad de

masa de Ia sustancia o mezcla.

Viscosidad

Se dice que la viscosidad es la resistencia que presenta la materia a fluir.

Imagínese que sobre una lámina de vidrio o de metal se coloca una gota de

agua. La lámina se levanta por uno de sus bordes (si va a realizar el

experimento en casa: mida Ia altura que alcanza el borde por el que usted

levanta Ia lámina) hasta cuando Ia gota comienza a desplazarse.

Este experimento permite deducir algunos hechos que se generalizan en

términos matemáticos y conducen a criterios de selección de bombas,

tuberías y accesorios para el movimiento de los fluidos.

b. Si se realiza el mismo experimento con una gota de aceite (por

ejemplo: aceite de cocina), se observará que la altura H alcanzada por

la lámina es mayor. Lo cual indica que el aceite se mueve más

lentamente que el agua y Ia gota se deforma menos.

Algunos de estos hechos son:

a. Cuando Ia gota comienza a “deslizar’ se observa que alguna porción

de esta queda pegada a Ias paredes de Ia lámina. Es decir, la sustancia

no rueda como una gota, ella se deforma y la capa superior se desliza

más rápidamente que Ias capas inferiores

c. Y por último, otro hecho que se puede mencionar es que el aceite se

adhiere más fuertemente a la lámina. Se puede entonces concluir que

las sustancias presentan diferente fricción dada Ia superficie que las

soporta.

Los aspectos mencionados anteriormente indican que para poder mover

un fluido desde un punto a otro se requiere de mas o menos energía

dependiendo del fluido y del material que está construido el tubo o quien

soporta al fluido.

El hecho de que las moléculas de agua se deslicen más fácilmente que

Ias de aceite. Es Ia propiedad denominada VISCOSIDAD, la cual tiene

valores diferentes dependiendo de Ia sustancia a la que se refiere.

La viscosidad generalmente se expresa en unidades correspondientes a

centipoise [cPI. Esta propiedad para el agua pura a 4 °C y 1 atm de

presión es

3. LONGITUD

La longitud hace referencia a la distancia que separa dos puntos. Se expresa

frecuentemente en pies o metros. También se emplean los múltiplos y

submúltiplos de 10 para expresar longitudes muy grandes o muy pequeñas

respectivamente. Algunas equivalencias en longitud son:

4. TIEMPO

Se mide en horas, minutos, segundos.

5. TEMPERATURA

Es una medida indirecta del contenido energético de una sustancia, este

contenido energético se llama energía interna y solo depende de la

estructura molecular, del movimiento de Ias moléculas y de los choques

entre ellas. Las escalas de temperatura pueden ser definidas en términos

algunas propiedades físicas de Ias sustancia ô en términos de fenómenos

físicos como la fusión y la ebullición que toma lugar a temperaturas fijas.

Las escalas de temperatura más comunes son definidas usando el punto

de fusión y el punto de ebullición del agua pura a una presión de 1 atm.

La temperatura absoluta mide el contenido energético desde un estado

de absoluto reposo de Ias moléculas.

Para Ia escala en grados Celsius [°C] Ia temperatura absoluta equivalente

se expresa en Ia escala Kelvin [K]

T(K) = T(°C) + 273. 15

y para Ia escala Fahrenheit [°F) en grados Rankine

T(R)=T(°F)+459.67

Además pueden correlacionarse una y otra escala y los intervalos de

temperatura pueden expresarse considerando los siguientes lectores de

conversión:

∆T (K) = ∆T (°C)

∆T (R) = ∆T (°F)

∆T (R) = 1.8 ∆T (K)

6. PRESIÓN

Es una medida de Ia fuerza por unidad de área con que Ias moléculas

chocan contra la superficie del recipiente que las contiene; es muy

frecuente en este caso hablar de presión manométrica. Se expresa en

unidades correspondientes a psi, atm, Pa. Para establecer Ia equivalencia

entre estas unidades de presión debemos recurrir al experimento de

Torricelli.

Matemáticamente la presión se define como

El instrumento más usado para medir la presión es cl manómetro

Bourdon. El manómetro Bourdon consiste en un tubo metálico aplanado,

enrollado en forma de C; el cual tiene uno de sus extremos sellados y

por el otro extremo se conecta al equipo en el punto que se quiere

evaluar la presión. A medida que Ia presión aumenta, el tubo tiende a

estirarse causando el movimiento de una aguja sobre una escala

graduada mediante un mecanismo de piñones. La posición de la aguja

sobre Ia escala calibrada corresponde a la presión manométrica del

fluido.

Sin embargo, en algunos casos es necesario registrar la presión absoluta (en

el caso de gases o vapores). En estos casos Se recurre a Ia siguiente

definición

Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica

La presión atmosférica es la fuerza ejercida por una columna de aire de

altura igual a Ia de la atmósfera, sobre un área de un cm². Al nivel del mar

esta presión corresponde a 760 mm Hg = 101.33 kPa = 14.696 psi

A medida que ascendemos sobre el nivel del mar, la presión atmosférica

disminuye y esto hace que cambien en forma notoria algunas propiedades,

por ejemplo:

El punto de ebullición de los líquidos; en Bogotá el agua ebulle a ~ 94 °C,

mientras que en Cali el agua ebulle a ~96°C y en Barranquilla a ~100 °C.

Para cada uno de estos lugares las presiones equivalentes corresponden a

600 mm Hg, 680 mm Hg y 760 mm Hg respectivamente. Algunos factores de

conversión

Cuando se reporta Ia presión manométrica se escribe psig, atm, kPa;

para reportar una presión absoluta: psi, atm abs, kPa abs. Sin

embargo, los factores de conversión entre los diferentes sistemas de

medición son los mismos.

Algunas operaciones en la industria requieren condiciones de presión

por debajo de Ia presión atmosférica (presión de vacío). No puede

existir una presión de vacío por debajo de “cero”; el máximo valor para

una presión de vacío es igual a la presión atomística (el cual no se

puede alcanzar en ningún punto de la tierra).

Diferencial de Presiones. Tal como su nombre lo indica, se trata de la

diferencia de presión que se mide entre dos puntos. En algunas

oportunidades esta diferencia se aplica por medio de algún dispositivo

y en otras es el resultado de alguna energía dadas las características

de operación de un equipo.

Ejemplos:

1. Para elevar un liquido o una mezcla desde una altura determinada

hasta un punto más alto, se requiere suministrar Ia energía

necesaria para vencer el peso del fluido y los efectos de la fricción

entre el fluido/mezcla. Hay necesidad entonces de usar bombas,

sopladores, ventiladores, compresores

2. El agua de enfriamiento que pasa a través de un tortuoso camino

(por entre los tubos de un intercambiador de calor) pierde parte de

su energía y por lo tanto Ias moléculas a la salida de ese tortuoso

camino chocan con menos fuerza. En este caso el fluido debe entrar

con mayor presión.

7. CALOR ESPECÍFICO

Es la cantidad de calor que es necesario suministrar / retirar a una unidad de

masa para aumentar/disminuir en un grado Ia temperatura de una sustancia,

sin cambio de fase. El calor específico se expresa como Cp, y para el agua

a 4 °C su valor es

Esta propiedad es muy importante en el cálculo de la cantidad de energía

que es necesaria suministrar / retirar a un fluido o mezcla para calentarla /

enfriarla respectivamente.

Ejemplo: ¿Cuánta energía se debe suministrar a 10 lb de agua para llevarlas

desde 30 °C a 80°C?. De acuerdo con la definición de calor específico

8. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Es una propiedad de Ia materia que indica Ia facilidad o resistencia al

flujo de energía calórica. Se representa por K y tiene unidades de

Para los metales el valor de esta propiedad es relativamente alto. Lo

cual indica que los metales son buenos conductores de calor, razón por

la que cuando se transporta vapor de agua en una tubería, es necesario

aislarla para evitar la pérdida de energía hacia el ambiente. Ya que en

caso contrario Ia caldera (planta de fuerza) trabajaría con mucho

consumo de combustible. Por el contrario cuando se habla de aislantes

se hace referencia a materiales que tienen muy poca conductividad

térmica. Algunos valores de conductividad térmica corresponden a:

ENERGÍA Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍAComo se había mencionado anteriormente, el ser humano se enfrenta a

Ia necesidad de medir los efectos producidos en un determinado sistema

cuando los alrededores actúan sobre él o viceversa para establecer el

orden de magnitud de Ia relación CAUSA-EFECTO.

Toda interacción sistema-alrededores o alrededores-Sistema conlleva a

cambios en los estados energéticos, razón por la cual se establecerá la

definición de energía, sus diferentes formas y como se transfiere desde o

hasta un sistema.

ENERGIASe define como La capacidad de un cuerpo para producir trabajo o

calor. Algunos ejemplos prácticos y de gran utilidad que existen en

la naturaleza son:

1. Caída de agua: puede ser usada para mover las aspas de un

molino. En este caso se aprovecha la energía que posee el agua

ubicada a una altura respecto a la ubicación de Ias aspas.

2. Combustión de Gasolina en el motor de un vehículo: al

quemarse Ia gasolina se forman gases a alta presión los cuales

al estar confinados en un pequeño volumen (sistema cilindro-

pistón) hacen que el cilindro se desplace y a través de una biela

se hace rotar un eje. Se aprovecha Ia energía química contenida

en la gasolina.

3. Juego de Billar: A una bola quieta se le aplica un golpe, esta

adquiere una velocidad, la cual “bien dirigida” golpea a otra bola

haciendo esto que Ia segunda bola se empiece a mover. Se

aprovecha la velocidad que lleva Ia primera bola para hacer que

haya movimiento en Ia segunda bola.

4. Una nevera en funcionamiento (caso del congelador): el

refrigerante se descomprime en la válvula de expansión

haciendo que el gas disminuya su temperatura (disminución de

Ia energía interna). Los alimentos guardados en el congelador

ceden energía interna al gas, hay disminución de la

temperatura de los alimentos. Se aprovecha la diferencia de

temperatura entre los alimentos y el gas.

5. Bombillo alumbrando: Una corriente eléctrica pasa a través del

filamento del bombillo. Este filamento debido a su alta

resistencia eléctrica se calienta hasta alcanzar un punto de

luminiscencia. Se aprovecha Ia diferencia de voltaje aplicado

entre los dos puntos del filamento.

6. Una bomba centrífuga en funcionamiento: el sistema bobina-

rotor transforma Ia energía eléctrica en movimiento de un eje el

cual se transmite hasta el impeler (rodete o turbina) e impulsa

el fluido que está en el sistema carcaza-impeler y se aumenta

la presión de dicho fluido. Se aprovecha la velocidad del

impeler.

Los anteriores ejemplos permiten aclarar algunas cosas: La energía por

sí sola es una conceptualización matemática para describir el estado de

un sistema. Todo tipo de energía está asociado a un aprovechamiento

de dicha energía transformándola para su uso. Para aprovechar la

energía es necesario que el sistema y el ambiente interactúen. Se debe

permitir que Ia energía se transfiera desde o hacia el sistema. Las

formas básicas en que existe transferencia de energía son: Calor y

Trabajo.