FUNDAMENTOS DE PROCESOS INDUSTRIALES

Introduccin

Este documento pretende centralizar los conceptos bsicos planteados en el curso de Procesos y Equipos

dictado a los Estudiantes de la carrera de Ingeniera Industrial, materia que es abordada luego del curso de

Termodinmica.

Procesos y Equipos est dividida de acuerdo a tres grandes reas de la ingeniera, a saber la mecnica de

fluidos, los balances de materia y energa y la transferencia de calor. Cada una de estas reas es por s

misma al menos una materia semestral en los planes de estudio de ingeniera mecnica o qumica; por tal

razn tienen una amplsima bibliografa y un nivel de profundizacin considerable.

Como el propsito de la materia para el plan de estudios de Ingeniera Industrial es impartir los conceptos

fundamentales sobre la ingeniera de los procesos industriales, se hace necesario condensar la

informacin encontrada en la literatura, con la idea de manejar un nico texto para el curso, pues de otra

manera su objetivo puede dispersarse en los textos dedicados exclusivamente a cada rea. As, siguiendo

esta carta de navegacin, el estudiante puede revisar otros textos y aprovecharlos mejor.

El captulo 1 presenta los conceptos bsicos de la industria de procesos, su clasificacin, su entorno

econmico y su impacto ambiental. Se hace especial nfasis en el papel de la ingeniera en el control de la

contaminacin del ambiente. Tambin se muestran las principales operaciones unitarias de los procesos y

la forma de representar procesos esquemticamente.

El captulo 2 explora las variables de proceso, haciendo hincapi en el uso del sistema internacional de

unidades y en la importancia del anlisis dimensional. El captulo 3 expone los conceptos bsicos de la

mecnica de fluidos: la ecuacin hidrosttica, la ecuacin de Bernoulli, la ecuacin de energa aplicada en

fluidos y los mtodos de calcular prdidas en tuberas y accesorios.

El captulo 4 es una descripcin de los balances de materia en procesos industriales. Se hace nfasis slo

en las transformaciones fsicas. En el captulo 5 se presenta la forma general de los balances de energa y

sus aplicaciones en equipos de transformaciones fsicas; tambin se presenta brevemente un punto de

vista global de la problemtica mundial actual de la energa y los efectos ambientales involucrados.

En el captulo 6 se realiza un estudio detallado de operaciones de humidificacin y secado, que involucra

los conceptos de los dos captulos anteriores. Se estudian estos fenmenos, enfatizando en los procesos de

acondicionamiento de aire, ya que son de uso comn en la industria y en la vida cotidiana.

El captulo 7 expone los aspectos bsicos de la transferencia de calor, mostrando el uso de las leyes de

conduccin, conveccin y radiacin aplicada a equipos de proceso.

Finalmente, en el captulo 8 se exponen algunos conceptos tericos acerca del comportamiento de los

materiales slidos en la industria, pues a lo largo del curso se encuentran ejemplos que manejan las fases

fluidas (lquida y gaseosa) principalmente; con esto se logra abarcar un conocimiento general de los

principales estados macroscpicos de la materia.

Deseo que encuentren agradable la lectura de este documento y que sirva de eficaz ayuda en el estudio de

estas emocionantes reas de la tecnologa, las cuales han sido y siguen siendo de mucha utilidad en el

mejoramiento de la calidad de vida de todos. Bienvenidos.

1

1 Conceptos Generales

1.1 Lo que hacen los ingenieros de procesos.

tunado descubrimiento accidental y el tortuoso

desarrollo del tefln. En los primeros meses de 1928, Anthony Benning, jefe de grupo, Roy Plunckett,

qumico y Jack Rebok, tcnico de laboratorio, llevaban a cabo una investigacin sobre refrigerantes a base de

fren en el laboratorio duPont Jackson, en New Jersey. Al Dr. Plunckett se le haba asignado producir una

nueva composicin basada en el tetrafluoroetileno (TFE). De acuerdo con la historia, el Dr. Plunckett haba

preparado varios cilindros llenos de gas y los haba almacenado en hielo seco. En la maana del 6 de Abril de

1938, Rebok not que no haba presin en uno de los cilindros, lo cual indicaba que estaba vaco. Sin

embargo, pesaba lo mismo que cuando estaba casi lleno. Plunckett y Rebok quitaron la vlvula del cilindro y

lo inclinaron. Sali de l algo de polvo blanco.

Decidieron cortar el cilindro, pero primero consultaron con Benning, a quien le desagradaba que se

malgastaran los activos de la corporacin. Encontraron ms material slido dentro del cilindro. Plunckett se

dio cuenta de que se haba efectuado una polimerizacin espontnea del gas, crendose un nuevo material.

Benning sugiri tratar de disolverlo, pero ninguno de los disolventes conocidos lo afect, a estas pruebas

siguieron otras que revelaron propiedades ms extraas de este nuevo material.

El desarrollo comercial del politetrafluoroetileno (PTFE), tan espectacularmente hecho por accidente en el

laboratorio, estuvo lleno de obstculos de ingeniera. El proceso de produccin del monmero TFE en s se

desarroll en forma deficiente, dando como resultado una mezcla compleja de compuestos txicos y

potencialmente explosivos. La uniformidad y la calidad del producto polimerizado fueron difciles de lograr.

La dificultad para fundirlo y su alta temperatura de descomposicin an cuando eran las ventajas superiores

del producto, crearon graves problemas de produccin que necesitaron tcnicas de fabricacin metalrgica

ajenas a la tecnologa de los plsticos.

Segn lo registr el Dr. Plunc

de la segunda guerra mundial, la singular resistencia qumica y la fuerza dielctrica del PTFE, junto con otras

propiedades superiores, crearon demandas urgentes del mismo para el proyecto Manhattan y la industria de la

defensa.

La produccin de la planta piloto comenz en 1943. La produccin a escala comercial no ocurri sino hasta

1948, o sea 10 aos despus de su descubrimiento en el laboratorio. Cuando se le pregunt acerca del papel de

los ingenieros en este drama, el Dr. Plunckett escribi: Estaban ntima y extensamente involucrados en el

purificar, almacenar y manejar

al personal y al equipo...

Segn lo muestra esta ancdota, la transformacin de procedimientos exploratorios o de investigacin a

pequea escala en procesos comerciales a gran escala es una responsabilidad importante y de reto para el

ingeniero. La definicin del material y los balances de energa, el clculo de las cadas de presin, los gastos

en los sistemas de tubera, la determinacin del tamao de las bombas, la identificacin de las reas de

transferencia de calor, el clculo del tamao de los equipos, la determinacin del tamao y tipo de reactores,

son pasos en la definicin de un proceso comercial.

mar un curso de procesos? yo deseo

que an el personal de ventas, para que sea eficiente, debe entender los procesos que generan sus productos.

Deben conocer el costo y las limitaciones de capacidad ms las variaciones que puedan anticipar la calidad

del producto. El ingeniero de operacin debe saber hacia dnde estn enfocados los costos importantes del

proceso, qu partes del equipo son las ms importantes para lograr capacidad y calidad, y qu reas de

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problemas justifican mayor atencin. Los supervisores, en especial, deben tener un conocimiento bsico de la

planta si desean manejarla con eficiencia.

El investigador eficiente, en particular se encamina conscientemente o de alguna manera hacia los caminos

que prometen una recompensa prctica o comercial. Un ingeniero que trabaje en investigacin frecuentemente

debe disear sus propios equipos y generalmente mostrar resultados en un ao para justificar la continuacin

del proyecto de investigacin. Se puede desperdiciar una cantidad considerable de tiempo valioso de

investigacin debido a errores en el diseo de los aparatos. Hay muchos factores impredecibles en un

proyecto de investigacin que no pueden quedarse detenidos debido a errores de diseo. Probablemente

algunos de los desengaos en la productividad de la investigacin puedan ser provocados por un mal diseo

de los equipos. De cualquier modo, la nica manera en que un ingeniero investigador puede aumentar su

productividad es convirtindose en un diseador hbil de equipo. Generalmente se descuida la importancia del

diseo de procesos y equipos en la investigacin y desarrollo.

1.2 Procesos qumicos.

Los procesos qumicos transforman materias primas en productos tiles que generan beneficios a los

colaboradores y dueos de las empresas y a la comunidad en general. Estos productos se emplean como

bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones qumicas y fsicas en la elaboracin de

productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la produccin total de sustancias qumicas se

utiliza en la manufactura de otras, de modo que la industria qumica es la mejor cliente de s misma.

Un proceso industrial, tcnicamente hablando, es el trmino en que se agrupan una serie de transformaciones

fsicas, qumicas y biolgicas, econmicamente rentables, realizadas a una materias primas dadas para

convertirlas en productos requeridos, con la posibilidad de que se obtengan subproductos.

Figura 1.1 Diagrama generalizado de un proceso.

Las profesiones relacionadas con la elaboracin de productos qumicos encontrarn que esta visin global de

las industrias procesadoras es til para entender su situacin actual. Los ingenieros deben ocuparse, con

sentido crtico, de las utilidades, ya que sin estas un negocio no puede operar. La industria qumica se

caracteriza por cambios rpidos en los mtodos, que responden en la actualidad a grandes alteraciones en los

costos de energa; sin embargo, siempre que el costo de una sustancia qumica aumenta, aunque slo sea un

10%, en muchos casos esa sustancia se expone a ser reemplazada por una nueva sustancia.

PROCESO

INDUSTRIAL

Materias primas

Energa bsica

Energa desperdiciada

Producto

principal

Subproductos

Desechos:

slidos,

lquidos,

gaseosos.

Materiales recirculados

Energa recuperada

3

La ingeniera de procesos tal como se percibe actualmente, naci en 1910 en el Massachussets Institute of

Technology, cuando los profesores encontraron que existen varias transformaciones fsicas que son necesarias

y que se repiten a travs de las plantas de manufactura de diversos productos qumicos. Estas

procedimientos matemticos computacionales rigurosos para hacer modelaciones para el diseo y control de

las plantas.

Las transformaciones qumicas ocurren en los reactores qumicos, los cuales muchas veces, se consideran

errneamente como operaciones unitarias.

Las bibliotecas son la mejor fuente de informacin para el estudio de los procesos qumicos. El Chemical

Abstracts y el Engineering Index son ndices de casi todas las publicaciones corrientes y ahorran mucho

tiempo de bsqueda; se puede acceder a estos ndices por internet. Las publicaciones ms consultadas son: de

la American Chemical Society (ACS): Industrial and Engineering Chemistry, Industrial and Engineering

Chemistry Process Design and Development, Industrial and Engineering Chemistry Fundamentals, Industrial

and Engineering Chemistry Product Research and Development, Journal of Chemical and Engineering Data,

Chemical and Engineering News. CHEMTECH, Chemical Week. Del American Institute of Chemical

Engineers (AIChE): Chemical Engineering Progress, AIChE Journal, International Chemical Engineering,

Hydrocarbon Processing, Chemical Engineering.

En los procesos rara vez hay una conversin completa (uno a uno) de materias primas en productos finales

deseados; se forman tanto productos intermedios (o secundarios) como materiales de desecho,

simultneamente. El objetivo principal al disear todo proceso es el de minimizar los productos secundarios

de bajo valor, y reducir los productos de desecho a un mnimo.

Las industrias qumicas deben ser econmicas; en este sentido, el factor ms importante es generalmente el

rendimiento, que es la fraccin de materia prima recuperada como producto principal (o deseado). Tambin se

utiliza la conversin que es la fraccin de materia prima convertida por paso en productos y subproductos; por

ejemplo, en la sntesis de amoniaco, el rendimiento es del 98%, mientras que la conversin est limitada al

14% por paso por el equilibrio qumico, es decir, que el 14% de materia prima se convierte en productos cada

vez que pasa por el reactor, lo que significa que el 86% de materia prima debe ser recirculada.

La meta es que la conversin iguale al rendimiento. Debido a las bajas conversiones muchas plantas son 4 o 5

veces ms grandes de lo que podra esperarse si la conversin igualara al rendimiento. La conversin se

incrementa mejorando las condiciones de operacin e introduciendo nuevas y mejores materias primas.

1.3 Clases de procesos.

Los primeros procesos qumicos se hacan de manera intermitente, y muchos continan hacindose de ese

modo. Los lotes pueden medirse de manera ms fcil, pero el control de temperatura puede ser difcil. Casi sin

excepcin, los procesos continuos requieren equipo mucho ms pequeo y menos costoso, tienen mucho

menos material en proceso (y por tanto, tienen menos oportunidad de perderse grandes cantidades) y tienen

condiciones de operacin ms uniformes, as como procesos ms uniformes que los procesos intermitentes.

Los procesos continuos requieren controles ms rpidos de flujos y de condiciones, los que seran imposibles

sin una instrumentacin de buena calidad. El control automtico es ahora de gran valor.

Es comn fabricar pequeas cantidades de productos qumicos por medio de operaciones intermitentes, pero

cuando el mercado aumenta, deben cambiarse a un proceso continuo. La reduccin en el costo de la planta por

unidad de produccin es, por lo general la mejor razn para el cambio. A medida que el volumen de

produccin aumenta, el ingeniero debe calcular el punto en el que los gastos de mano de obra, investigacin,

instrumentacin y equipo, justifican un proceso continuo, con inversin y costos de operacin ms bajos, y

calidad ms uniforme. Cada vez hay ms plantas pequeas automticas en continuo, como un primer paso,

cuando el proceso intermitente (o batch) resulta indeseable.

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Los procesos tambin se clasifican segn el tipo de material que procesan en: sistemas de procesamiento de

fluidos, en los cuales se manejan de manera global gases, lquidos y en ocasiones slidos fluidizados; y,

sistemas de manufactura de piezas discretas, en los cuales son manejadas, casi separadamente, cada pieza de

material individual, identificable, de materiales slidos, y cada una de ellas puede cortarse, arreglarse o

manipularse para un posterior ensamble simple o complejo de todo el conjunto.

La mejor clasificacin de los procesos se hace segn el rea industrial de cubrimiento; a su vez cada rea se

subdivide por tipos de productos. Se pueden considerar las siguientes industrias:

Industria de productos qumicos del carbn

Industria de gases combustibles

Gases industriales

Carbn industrial

Industria de la cermica

Cemento Portland, compuestos de calcio y magnesio

Industria de la construccin

Industria del vidrio

Sal y otros compuestos del sodio

Industria del clor-lcali, carbonato de sodio, soda custica, cloro

Industria electroltica

Industria electrotrmica

Industria del fsforo

Industria del potasio

Industria del nitrgeno

Azufre y cido sulfrico

Industria del cido clorhdrico

Productos qumicos inorgnicos diversos

Industria nuclear

Explosivos, propulsores y agentes qumicos txicos

Industria de productos fotogrficos

Industria de los recubrimientos de superficies

Industria alimenticia

Industria agroqumica

Fragancias, sabores y aditivos de los alimentos

Aceites, grasas y ceras

Jabones y detergentes

Industria del azcar y del almidn

Fermentacin industrial

Productos qumicos derivados de la madera

Industria de la pulpa y el papel

Industria del plstico

Industria de fibras y pelculas sintticas

Industria del hule

Refinacin del petrleo

Productos petroqumicos

Productos intermedios cclicos y colorantes

Industria farmacutica

Fibras y textiles

Minera y beneficio de materiales

Productos del caucho

Productos metlicos y metalrgicos

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Las plantas piloto son unidades a escala reducida, diseadas para realizar experimentos de los que se obtienen

datos de diseo para plantas grandes y, a veces, para producir cantidades significativas de algn nuevo

producto que permitan que el usuario lo evale. La planta piloto debe construirse con equipo cuyo material

sea idntico al que se emplear en la planta comercial a fin de cerciorarse de cometer errores mnimos y

obtener ganancias grandes. El desarrollo de experimentos en plantas piloto resulta costoso pero con frecuencia

es necesario.

Generalmente, es posible calcular y se modelar computacionalmente un proceso para usar menos

experimentacin para el desarrollo de nuevos productos. En caso de requerirse experimentacin, conviene el

uso del diseo de experimentos junto con anlisis estadsticos, para minimizar los costos. Tambin debe

reconocerse que es extremadamente costoso experimentar directamente sobre la lnea de produccin.

Los procesos qumicos automticos son cada vez ms comunes. Los instrumentos para procesamiento de

datos y de computacin en realidad se encargan del manejo de los complejos sistemas de procesamiento

qumico actuales. Algunos instrumentos pueden incluso optimizar las condiciones de la planta para cumplir

con las variables condiciones de la alimentacin. Los instrumentos no deben elegirse simplemente para

registrar las variables de proceso; su funcin consiste en detectar, controlar, registrar y mantener las

condiciones de operacin deseadas, para asegurar una calidad consistente.

En las operaciones continuas a gran escala, la funcin del personal es mantener la planta en condiciones

adecuadas de funcionamiento, entonces los instrumentos son una herramienta esencial para el procesamiento

moderno. Las secuencias intermitentes requieren pocos instrumentos y, por tanto de mayor supervisin,

debido a que las condiciones varan de principio a fin. Estos problemas incluso pueden resolverse por medio

de instrumentos programados, siempre que el gasto pueda justificarse.

La instrumentacin que alguna vez fue una parte trivial dentro de la inversin de la planta, se ha elevado

hasta un 25% en algunos casos; no obstante, el vertiginoso desarrollo del computador ha reducido

considerablemente los costos. La instrumentacin se ha colocado en esta posicin debido al aumento de los

procesos continuos, por el incremento de costos de mano de obra y de supervisin, por la relativamente

limitada confiabilidad de la capacidad humana y por la disponibilidad de muchos tipos de instrumentos y

monitores a precios decrecientes y de confiabilidad creciente.

Normalmente se usan dos tipos de instrumentos: los analgicos y los digitales. Los instrumentos analgicos,

como los termmetros y los medidores de presin de Bourdon, producen resultados por el movimiento

mecnico de algn tipo de dispositivo proporcionales a la cantidad a medir. Los dispositivos digitales utilizan

generalmente, un transductor, que es un dispositivo para convertir la cantidad que se mide en algn tipo de

seal (generalmente elctrica o neumtica), y circuitos electrnicos para convertir esta seal en nmeros

legibles que son exhibidos o registrados.

Parece existir una tendencia hacia los instrumentos digitales, pero muchos dispositivos analgicos continan

siendo muy deseables. La computadora puede monitorear y regular las salidas de cualquier tipo de

dispositivo, de acuerdo con un programa preestablecido, pero en general se prefiere que las entradas sean

digitales.

El control analtico qumico se aplica actualmente para el anlisis de las materias primas que llegan, para los

materiales en proceso y para el producto que sale. Generalmente, los anlisis convencionales son costosos,

lentos y dependen de mtodos de muestreo con alta incertidumbre. La llegada de mtodos cuantitativos de

anlisis rpidos, confiables, sensibles, automatizados y econmicos ha vuelto factible el control basado en

anlisis realizados dentro del proceso mismo; as, la produccin de bienes de ptima calidad se hace en forma

mucho ms confiable actualmente. Los cromatogrfos, los sensores de pH, los anlisis por conductividad y

an la espectroscopa de masas se han automatizado para su empleo en la industria.

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1.4 Entorno econmico de los procesos qumicos. Los ingenieros difieren de los cientficos por su preocupacin respecto de los costos y beneficios. Cada

decisin de ingeniera implica consideraciones de costos. Los ingenieros deben estar siempre al tanto de los

cambios econmicos que puedan afectar sus productos. El objetivo principal de todos los esfuerzos de un

ingeniero debera ser la entrega segura a su jefe y al pblico consumidor de los mejores productos o servicios

ms eficientes al ms bajo costo.

Desde que el cambio es una caracterstica notable de los procedimientos qumicos, la alteracin potencial de

cualquier proceso es importante, no slo en el momento cuando se disea la planta, sino en forma

permanente. Una de las funciones de la divisin de investigacin y desarrollo (I&D), es mantener informada a

la direccin de la compaa sobre los avances y actualizaciones en procesos de produccin de cualquier

producto en el que la organizacin est interesada. Esta divisin I&D debe mantener informacin relativa a

los desarrollos en otras compaas y estar en posicin de asesorar a la administracin sobre la situacin

relativamente competitiva de los procesos o productos, actuales o futuros. As, elegir un proceso para fabricar

un determinado producto, es una decisin econmica.

Los ingenieros se preocupan por el control y ahorro de la energa. Esta puede gastarse en el transporte de la

materias primas por barco, camiones o ductos; puede ser empleada en forma de calor del vapor o como

electricidad; o bien, puede ser la energa desprendida en las reacciones exotrmicas o la absorbida en las

reacciones endotrmicas. Los costos de la energa del petrleo, gas, carbn, solar, nuclear, elctrica, elica o

hidrulica estn en cambio constante, por lo cual es difcil planificar a largo plazo. La energa es uno de los

gastos ms importantes en las plantas qumicas, pero a menudo es posible reducir su uso por la alteracin de

los mtodos de procesamiento, en particular por el uso de nuevas tecnologas de separacin.

Los obreros capacitados contribuyen definitivamente al xito de una planta. La industria de los procesos

qumicos ha cambiado rpidamente a las tcnicas de ahorro de mano de obra gracias a la apresurada extensin

de los procesos continuos, el uso de los controladores automticos de proceso y los procedimientos de

optimizacin de recursos. Los requerimientos de mano de obra en la industria qumica son comparativamente

pequeos, pero en muchos trabajos se requieren habilidades excepcionales y se pagan salarios por encima del

promedio. Los procesos manuales demostraron hace muchos aos ser lentos y costosos, adjetivos que no estn

en el vocabulario moderno de la ingeniera.

La condicin fsica del producto tiene gran influencia sobre su mercado. El empacado y el almacenamiento

son costosos y deberan evitarse cuando fuese posible. Los recipientes ms econmicos son los de transporte a

granel, como los tanques, los buques cisterna, las tuberas, los carros tanque, etc. El carbn y otros slidos se

han transportado por medio de tuberas en suspensin en agua. Los ferrocarriles que transportan una sola

mercanca hacia un solo destino, se usan en muchos lugares para reducir los gastos de transporte. La

apariencia del recipiente es importante solamente para los productos que son vendidos directamente al

consumidor.

El personal de ventas constituye los ojos, odos y nariz de la compaa, al traer informacin que ayuda en las

predicciones econmicas. En muchas compaas se han logrado posicionar muchos productos gracias a las

sugerencias de los vendedores. Debido a que la experiencia tcnica y la habilidad para las ventas difcilmente

se encuentran en la misma persona, se utiliza el departamento de servicio al cliente, como complemento para

constituir un buen contacto entre consumidores y empresa.

La primera responsabilidad de un gerente de planta es hacer que se trabaje de modo que se produzcan, con

seguridad y buen ambiente laboral, bienes aceptados en el mercado y con utilidades. No hay desempeo

excelente sin una moral alta. Cuando una organizacin pierde su capacidad de evocar el desempeo individual

elevado, se acaban sus grandes das. La moral es como la libertad, se requiere trabajo constante para

preservarla y merecerla. As, el xito de un proceso est en lograr la eficiencia tanto en el proceso productivo

como en la parte externa a la produccin.

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Para aumentar las ganancias en el futuro, es necesario realizar una investigacin adecuada y hbil con

generacin de patentes. En la industria de procesos qumicos, una de las caractersticas ms relevantes est en

el cambio rpido de los procedimientos, en las nuevas materias primas y en los nuevos mercados. La

investigacin crea o utiliza estos cambios. Sin una investigacin cuidadosa, la compaa se queda atrs en el

progreso competitivo. El desarrollo es la adaptacin de las ideas de la investigacin a las realidades de la

produccin y la industria. El progreso de la industria abre nuevos mercados an para productos fundamentales

ya posicionados.

Los resultados y beneficios de la investigacin son: procesos nuevos y mejorados, costos y precios bajos de

los productos, servicios y productos antes desconocidos, transformacin de materias raras en abastos

comerciales de utilidad prctica, abastecimiento adecuado de materiales que anteriormente se obtenan slo

como subproductos, liberacin de la dominacin comercial ejercida por otros pases, estabilizacin del

negocio, empleo en la industria y productos de calidad mejorada. Cada vez ms los ingenieros se dan cuenta

de que ya no pueden pensar en una planta de proceso como si esta fuera una coleccin de operaciones y

procesos diseados en forma individual. Cada vez es ms evidente que cada unidad separada de una planta

tiene influencia sobre las otras, en forma sutil y directa. Tambin es cierto que la planta es una parte de un

sistema ecolgico que se extiende mucho ms all de sus fronteras.

Actualmente, se puede estudiar el comportamiento dinmico y esttico de las plantas mediante modelacin

computacional. Estos estudios han mostrado nuevas posibilidades que no se haban concebido antes para la

operacin de una planta. En lugar de medir e intentar mantener controlada una temperatura, presin y

condiciones generales en forma rgida (control de retroalimentacin), los ingenieros estn tratando de ajustar

las variables del sistema de modo que la produccin sea satisfactoria, an cuando las condiciones de entrada

sean muy variables y no estn fijas (control con alimentacin hacia adelante). Nuestra generacin de

ingenieros debe estudiar y mejorar las plantas entendindola como sistemas complejos interactuantes, dejando

atrs la idea de los sistemas simples estticos que se componen solamente de operaciones y procesos

unitarios.

1.5 Proteccin ambiental. Cada ao, la proteccin del ambiente requiere ms atencin por parte de los ingenieros. Los factores

ambientales afectan a toda la industria qumica y a los negocios en general. Los gastos comunes e importantes

para el control de la contaminacin en el mundo reflejan la intervencin de los gobiernos mediante leyes

estrictas. Estas son aplicadas por las agencias de proteccin ambiental. La ms reconocida es la

Environmental Protection Agency, EPA de los Estados Unidos.

Las leyes para el control de la contaminacin iniciaron en la dcada de los 50, y cada ao se hacen ms

rigurosas con el fin de minimizar el impacto de las industrias sobre el medio ambiente. La contaminacin se

divide segn el estado de la materia de esta en: contaminacin de aguas, contaminacin atmosfrica y

contaminacin por manejo de residuos slidos.

1.5.1 Aguas residuales en la industria.

La disposicin eficiente de las aguas residuales es importante para cualquier comunidad. Las aguas residuales

se dividen segn la proveniencia en aguas residuales domsticas y aguas residuales industriales.

Las aguas residuales domsticas reciben en la actualidad tres tipos de tratamientos: primario o fsico,

secundario o biolgico y terciario o especializado, con el objetivo de eliminar la cantidad de residuos slidos

y la demanda bioqumica de oxgeno (cantidad de oxgeno requerida por una poblacin microbiana para

estabilizar la materia orgnica biodegradable; en otras palabras, la DBO es una medida de la carga de materia

orgnica que tiene una corriente de agua residual).

El problema de manejar de manera adecuada las aguas residuales industriales es ms complejo y mucho ms

difcil que el de las aguas residuales domsticas. Se requieren estudios econmicos y tcnicos para determinar

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la manera menos costosa de cumplir con los requerimientos legales y de reducir los gastos, o de lograr una

ganancia al recuperar materiales vendibles. Otros factores, como la reduccin de los valores de los terrenos, el

peligro para los habitantes, as como la destruccin de la vida silvestre, estn tambin incluidos.

La gran variedad de desechos qumicos producidos en las fbricas, hace obligatorio el tratamiento especfico

en muchos casos. Algunas prcticas de tipo general se encuentran en operacin en diversos campos. Una de

ellas consiste en almacenar los desechos o confinarlos en lagunas. Esto puede servir para varios propsitos

diferentes. En las fbricas donde se tengan desechos cidos o bsicos, se reduce el costo de neutralizacin. En

las plantas que tienen aguas de desecho que contengan grandes cantidades de materia orgnica (por ejemplo,

fbricas de papel) esto resulta en una disminucin de la materia en suspensin y en una reduccin de la DBO

(demanda bioqumica de oxgeno). El empleo de agentes floculantes (como el alumbre, Al2SO4) para eliminar

slidos suspendidos, y la aireacin para reducir la DBO, son comunes en muchas industrias.

Un problema general de todas las industrias es la disposicin de los desechos que se obtienen como resultado

del tratamiento de ablandamiento del agua. Los lodos de cal pueden arrojarse en lagunas y sedimentarse, o se

pueden desaguar y calcinar para reutilizarlos. Este lodo encuentra una aplicacin en la absorcin de aceites de

otros desechos. La salmuera aplicada en la regeneracin de las plantas de intercambio inico bien puede

almacenarse y despus verterse en los ros, por dilucin controlada, cuando hay crecidas. Cuando la industria

utiliza materias primas de complicada naturaleza orgnica, puede aplicarse un proceso de lodos activados para

tratar los desechos. Este proceso puede adaptarse a desechos de enlatadoras, plantas empacadoras de carne,

plantas de procesamiento de leche, plantas extractoras de grasa, etc.

Muchos compuestos orgnicos son txicos, resistentes a la degradacin natural y requieren un manejo

especial antes de que sean descargados con seguridad. Una tcnica para eliminar estos materiales txicos de

las aguas residuales consiste en absorberlos en carbn activado o en una resina polimrica porosa. Es

frecuente que el material orgnico pueda quitarse de la resina por medio de un solvente adecuado, para

despus reciclarlo. El proceso ha dado buenos resultados en tratamiento de aguas residuales que contienen

plaguicidas clorados.

Los residuos de las curtiembres pueden tratarse por floculacin y sedimentacin o filtracin. Los desechos de

las plantas cerveceras son tratados por medio de filtros percoladores para reducir la DBO y retirar la mayor

parte de los slidos suspendidos. Las plantas papeleras tienen un serio problema, en especial el referente al

tratamiento de desechos de sulfitos. El procesamiento de los desechos de las grandes plantas qumicas es

extremadamente complejo debido a la gran divisin de productos qumicos fabricados. Por ejemplo, la Dow

Chemical Co., en Michigan, manufactura ms de 400 productos qumicos en 500 plantas de proceso y

laboratorios, lo que arrojaba en 1988 un total de 757 000 m3/da de aguas residuales. En muchos casos se

neutralizan desechos cidos con desechos bsicos. Muchos de los desechos conviene que sean tratados en la

fuente, con la idea de recuperar materiales valiosos y subproductos. La Kodak elimina la contaminacin de

ros mediante el empleo de tanques de clarofiltracin, de la filtracin de lodos y de la disposicin de tortas,

tambin emplea el intercambio inico para regenerar el cido fosfrico usado como electrolito en el

anodizado de hojas de aluminio.

El tratamiento anaerbico es til para un amplio cmulo de desechos orgnicos y, como ganancia, produce

gas combustible rico en metano, que puede quemarse en plantas de energa. En el tratamiento de los residuos

industriales se ha hecho hincapi en la recuperacin de materiales tiles. Los desechos de la fermentacin,

despus de ser evaporados y secados se venden como alimento para animales. El empleo de intercambiadores

inicos promete la recuperacin de cromo y de otros metales de los procedimientos de galvanizado. El sulfato

ferroso se obtiene en gran proporcin en operaciones de bao qumico. El costo de la energa es una

consideracin muy importante en cualquier mtodo de disposicin de desechos.

En el pasado, las corrientes de desecho o los lodos que tenan productos qumicos peligrosos se vertan en

pozos profundos, se arrojaban al ocano o se almacenaban en rellenos. Todos estos mtodos son objetables

por una u otra razn, y en los nuevos reglamentos se exigen mtodos alternativos de disposicin.

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La oxidacin con aire hmedo es uno de estos mtodos, y ofrece la oportunidad de recuperar productos

qumicos inorgnicos. La oxidacin se lleva a cabo en medio acuoso a temperaturas entre 200 y 300 C. El

agua residual reacciona con aire comprimido. Se aprovecha el calor desprendido de la reaccin para elevar la

temperatura del reactor. El tiempo y temperatura dependen del desecho.

1.5.2 Desechos slidos industriales. La mayor parte de los desechos slidos se separan como lodos de los procesos o de las aguas residuales y

deben ser tratados para hacerlos relativamente inocuos antes de disponer de ellos. Lo materiales peligrosos

incluyen desde sales inorgnicas, compuestos orgnicos hasta materiales radiactivos. Cada tipo de material

puede requerir un tratamiento diferente. Por lo comn, el lodo se desagua centrifugndolo, por filtracin o por

tratamiento trmico. La digestin aerbica o anaerbica puede eliminar algunos compuestos orgnicos de los

procesos orgnicos, petroqumicos y papeleros, para as reducir la DBO del lodo resultante. Sin embargo,

muchos compuestos inorgnicos y algunos materiales orgnicos deben fijarse qumicamente. La

neutralizacin de los cidos o de las bases es un mtodo comn.

La oxidacin de muchos compuestos los puede convertir en productos inocuos, pero la toxicidad de otros

compuestos no se destruye con tanta rapidez. Otro mtodo para inactivar los materiales peligrosos es

enlazarlos a una matriz qumica que sea impermeable a la penetracin del agua. La incineracin en seco o en

hmedo es un camino muy utilizado. La pirlisis (desintegracin sin oxidacin) es prometedora, pero no ha

sido exitosa ni tcnica ni econmicamente, cuando se usa en disposicin de basuras y llantas.

Los desechos radiactivos han causado problemas difciles para su disposicin. La vitrificacin y la

granulacin se emplean hoy para eliminar la necesidad de almacenar materiales radiactivos lquidos y, por

tanto, la posibilidad de que el desecho se filtre a travs de un recipiente deteriorado. Los rellenos y

almacenamiento en formaciones geolgicas profundas, han sido los mtodos ms comunes de disposicin. Sin

embargo, las dudas de carcter ecolgico aparecen y se realiza una intensa investigacin para encontrar

mtodos adecuados y seguros para disponer este tipo de desecho.

Las bolsas de desechos desempean una funcin til para encontrar clientes para los mismos. Por medio de

estas bolsas se publican listas de desechos disponibles para reutilizarlos, as como de las compaas que

buscan materiales de desechos en particular; la bolsa procede como intermediaria entre las dos partes. Las

compaas de disposicin de desechos se vuelven cada da ms activas en el negocio de la disposicin de

desechos qumicos. Resultan especialmente tiles para las compaas pequeas. Que no tienen instalaciones

para almacenar sus propios desechos.

1.5.3 Contaminacin del aire. La contaminacin atmosfrica es un problema global. Entre las muchas causas de la contaminacin del aire se

encuentran las operaciones industriales, la generacin de potencia y electricidad, los vehculos de transporte y

la incineracin de desperdicios y desechos realizada por los ciudadanos. Actualmente hay siete contaminantes

del aire, ellos son: ozono, monxido de carbono, hidrocarburos, dixido de azufre, xidos de nitrgeno,

plomo y material particulado fino.

Muchos materiales contaminantes pueden ser eliminados en el sitio de su produccin, por ejemplo, en el tubo

de escape de un automvil, antes de que se forme el humo. Para esto se han producido postquemadores

catalticos. Los sistemas catalticos de escape se instalaron en los autos modelo 1975 en Estados Unidos para

cumplir con los lineamientos de emisin de la EPA para hidrocarburos y monxido de carbono. El empleo de

los sistemas catalticos de escape requiere gasolina libre de plomo, de modo que el catalizador no sea

envenenado.

Los contaminantes del aire que emanan de los procesos qumicos y de otras instalaciones industriales pueden

ser gases, neblinas (partculas lquidas menores de 10 m de dimetro), partculas de roco (partculas lquidas

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mayores de 10 m), material particulado, vahos o combinaciones de los anteriores. Los precipitadores

electrostticos se emplean mucho para recolectar polvo, junto con colectores de bolsas, ciclones y lavadores.

De los contaminantes gaseosos que se desprenden de los procesos qumicos, el dixido de azufre es el que ha

recibido mayor atencin. El SO2 ha sido descargado en la atmsfera en grandes cantidades por las plantas de

energa que consumen carbn y petrleo que contienen azufre. Entre otras fuentes, se encuentran los procesos

de tostacin de minerales para la produccin de plomo, cobre y zinc, as como las plantas de cido sulfrico.

La industria de la energa produce la mayor contaminacin. Para resolver el problema, un enfoque posible

consiste en la desulfuracin del combustible, antes de emplearlo en una caldera. Esto se ha empleado durante

aos en la industria petrolera para producir aceite con bajo contenido de azufre; sin embargo, la desulfuracin

del carbn sigue en proceso de investigacin.

Se han diseado varios procesos de eliminacin de SO2 contenido en gases de las chimeneas de plantas

grandes. Se han empleado el lavado con lechada de piedra caliza, la conversin cataltica de SO2 a SO3, el

lavado de tipo secador de roco, el lavado seco con nahcolita o con otros agentes alcalinos similares, la

reaccin de SO2 con sulfito de sodio para formar bisulfito de sodio a temperaturas relativamente bajas y la

absorcin de SO2 por una solucin de citrato de sodio.

La eliminacin de SO2 y de los NOx de los gases efluentes de la combustin del carbn y del petrleo se ha

convertido en una cuestin ecolgica muy importante. Se han construido chimeneas cada vez ms altas para

descargar los contaminantes muy arriba de la atmsfera, de modo que no contaminen el aire circundante. Sin

embargo, los gases nocivos son atrapados por los vientos dominantes y se convierten cidos ntrico y sulfrico

por contacto con la humedad del aire, para luego depositarse como lluvia cida, alejados de su fuente. Esta

lluvia tiene un pH que oscila entre 1.5 y 4.0; su efecto en la vida vegetal y marina es desastroso y ciertamente

no es deseable para los humanos. Los bosques se deterioran, en primer lugar, por la disminucin de los

microorganismos del suelo que fijan el nitrgeno. Los peces que habitan los lagos donde cae esta lluvia

enferman y mueren.

1.6 Diagramas de flujo.

Para la mayora de los estudiantes, el diagrama de flujo es una hoja impresa de un libro que contiene una serie

de smbolos, cada uno de los cuales describe en forma simple una parte del equipo industrial. Los smbolos

estn interconectados por segmentos de lnea recta, dispuestos en trayectorias oblicuas y tortuosas. El

mencionado diagrama de flujo cualitativo, descrito de esta manera se emplea frecuente y tilmente para

ilustrar la organizacin general de un proceso fisicoqumico, pero en la industria tiene poco valor.

Para el ingeniero del tipo estudiante en prctica, un diagrama de flujo es muy diferente. An cuando pueda ser

de diferentes tipos (de procesos, mecnico, de instrumentacin, etc.), el diagrama de flujo del proceso es un

instrumento clave para definir, refinar y documentar un proceso fisicoqumico.

El diagrama de flujo del proceso es el esquema autorizado del proceso, el armazn para estimar el costo y la

fuente de especificaciones utilizada en el diseo y designacin del equipo. Adquiere el status de escritura

cuando est ya canonizada en su forma final a travs de un exhaustivo clculo y vigorosa discusin; es el

nico documento autorizado que se emplea para definir, construir y operar el proceso qumico.

Imitando a un peridico famoso,

flujo industrial. A diferencia de los documentos cualitativos, que a menudo estn distorsionados por necesidad

para que se ajusten a las limitaciones de una pgina impresa, el tamao en s del diagrama se ampla para

acomodar los detalles necesarios. En la prctica convencional, los diagramas de flujo de tamao muy grande

se doblan y se guardan en bolsas especiales junto con el reporte de diseo. En reportes o procesos menos

elaborados o cuando la ilustracin es ms importante que la precisin y el detalle, se emplean copias

reducidas y hojas dobles. Los diagramas de plantas muy grandes o muy complejas, exceden la capacidad de

una simple y maniobrable hoja de papel, y se representan con segmentos o mdulos de los procesos (cada uno

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en una hoja separada) relacionados el uno con el otro por medio de un cdigo de eslabonamiento adecuado.

Algunas compaas hacen ajustar el diagrama en una simple hoja lineal an cuando esta deba tener 6 m de

longitud.

Los diagramas de flujo actuales se mantienen en formato electrnico, pues se construyen con programas

modernos de computacin (como AutoCad, ChemCad, Aspen, etc.). Los sistemas de instrumentacin y

control modernos utilizan diagramas de flujo en las pantallas de computador de las cabinas de control como

medio ilustrativo para monitorear el proceso.

En realidad, hay muchos diagramas de flujo que se utilizan para diferentes propsitos; la nomenclatura no es

estndar y la mayor parte de las compaas y libros tienen sus propias ideas sobre la materia. Para hacer los

diagramas de flujo se usan smbolos, los cuales se escogen desde el punto de vista de la claridad y simplicidad

y generalmente guardan cierto parecido con el equipo representado. Adems de smbolos y lneas, el diagrama

de flujo debe incluir nmeros y nombres de identificacin del equipo, presiones, temperaturas,

identificaciones y servicios, flujo molar msico o volumtrico de las corrientes seleccionadas y una tabla de

balance de materia ligada por medio de una clave a las lneas del proceso. Puede contener adems otra clase

de informacin, como la rapidez de intercambio de energa y la instrumentacin.

Un diagrama de flujo es indispensable para efectuar balances de materia y energa de un proceso o de un

equipo, as como para comenzar el estudio sobre el mejoramiento y utilizacin de los equipos. Los diagramas

de flujo son la herramienta fundamental de los ingenieros de proceso. Hay varias clases de diagramas:

Diagramas de bloques: En ellos se representa el proceso o las diferentes partes de un proceso por medio de

cajas o rectngulos que tienen entradas y salidas. Sobre el rectngulo se suele poner la indicacin de lo que

representa l mientras que sobre las lneas que representan corrientes de entrada o salida se indica la

naturaleza de estas corrientes (sustancia, flujo, temperatura, presin, concentracin, etc,)

Figura 1.2 Diagrama de bloque general.

Diagramas con equipos: En estos se muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por medio de

lneas de unin. Para representar los equipos se usan smbolos que recuerdan el equipo o los equipos

utilizados. Las propiedades fsicas, las cantidades, temperatura y las presiones de los materiales son parte

importante de estos diagramas. Estos valores se indican en tres formas: poniendo sobre cada lnea los datos,

identificando cada lnea con un nmero que se refiere a una lista sobre el diagrama o mostrando todo en una

hoja de tabulacin. Estos dibujos se usan para:

Ayudar en el diseo y acomodamiento de la planta.

Dar una idea clara del proceso o de una planta.

Ayudar en el dimensionamiento del equipo.

Servir como medio de enseanza e instruccin del personal relacionado con el proceso o con el equipo.

Ayudar a la resolucin de los balances de materia y energa.

Planta de

cido sulfrico

C

B

C

A

D

A Azufre

B Aire

C Agua

D cido sulfrico

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En la Figura 1.3 se muestra una operacin de evaporacin de una disolucin de NaOH con objeto de

concentrar el soluto. La evaporacin se lleva a cabo en tres evaporadores conectados en serie. Para efectuar

esto se debe evaporar agua que sale de los equipos con las corrientes E, F y G.

Figura 1.3 Diagrama de flujo con equipos.

A continuacin se muestran los esquemas que hacen parte de la simbologa utilizada para la construccin de

diagramas con equipos.

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