UNIVERSIDAD LAICA ‘‘ELOY ALFARO’’ DE MANABÍ
GRUPO # 10
INTEGRANTES:
- CEDEÑO BARCIA MELANI ANALIA
- CARREÑO CEDEÑO CÈSAR SAMUEL
- TUMBACO CEDEÑO ADRIANA CAROLINA
- ROBLES DELGADO JACINTO RODRIGO
Desarrollar los conceptos y métodos de solución que se requiere para determinar la distribución de flujos de materia y energía en un Proceso Industrial.
La ingeniería de procesos combina especialidades de
áreas cómo la biología, química, física e informática para
estudiar los diferentes procesos de conversión de la materia. La ingeniería de
procesos estudia las operaciones por las que se crean productos a partir de
sustancias por medio de procedimientos fisicoquímicos o biológicos. La
ingeniería de procesos busca optimizar los
procesos bajo ciertas restricciones que aseguren la sostenibilidad económica,
ambiental y social de los mismos. Por tanto, los ingenieros de procesos aplican
la ciencia, matemáticas e ingeniería para transformar la materia y la energía.
Los ingenieros de procesos diseñan,
construyen, controlan, operan y administran diferentes
procesos alrededor del mundo, en industrias como: petroquímica, farmacéutica, pulpa y papel, cementos, química, alimentos y bebidas , agroindustria, textiles o
de tratamiento de aguas, entre otra
las dos funciones principales del ingeniero de procesos son: desarrollar y diseñar procesos que conviertan materias primas, recursos y fuentes básicas de energía en productos deseados o formas superiores de energía; así como mejorar y operar procesos existentes, de manera que lleguen a ser tan seguros, confiables, eficientes y económicos como sea posible.
La responsabilidad del Ingeniero de Procesos comienza con la información química y física básica, desarrolladas por los químicos de laboratorio, y termina con la especificaciones de equipo para una planta de gran escala. Con dichas especificaciones los ingenieros mecánicos y civiles fabrican los dispositivos mecánicos reales y construyen la planta.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA Y LE ENERGÍA
Uno de los mas importantes logros de la teoría de la relatividad es la formulación del principio de conservación de la suma de la masa y la energía de un sistema. Este principio, que constituye la base de todos los cálculos de balance de materia y energía es una hipótesis ya que nunca se ha demostrado de manera definitiva, sin embargo, una hipótesis muy solida, ya que jamás se ha demostrado experimentalmente su falsedad.
Una expresión precisa del principio de conservación de la masa y la energía requiere definir cuidadosamente algunos términos:
- Sistema se refiere a una porción del universo aislado para su estudio.
- La masa (m) del sistema se refiere a la cantidad de materia cuya velocidad relativa es cero con respecto aun punto de referencia seleccionado (algunas veces llamado masa en reposo).
- La energía (E) del sistema se refiere a la energía en todas sus formas posibles.
Finalmente se entiende que una cantidad se conserva si no puede crearse ni destruirse.
De ese modo, es posible contabilizar todos los cambios en el total de la cantidad conservada que se encuentra dentro del sistema, simplemente midiendo la transferencia desde y hacia el sistema, que cruzan las fronteras del mismo.
Llamemos (d/dt) (m +E)s a la razón de cambio de masa y energía del sistema con respecto al tiempo, en un determinado instante. Llamemos además (m + E)i y (m + E)0 respectivamente a las razones de entrada y salida de masa y energía hacia o desde el sistema. bajo estos términos, el principio de conservación de la materia y la energía se reduce a la expresión.
En ausencia de reacciones nucleares o velocidades cercanas a la de la luz, la interconversión entre materia y energía resulta despreciable. Por lo tanto, puede separarse a la ecuación de conservación en dos expresiones:
- A la primera ecuación se le llama el principio de conservación de la materia y a la segunda, el principio de conservación de la energía. En realidad, estos dos principios fueron postulados hace mucho tiempo por investigadores en química y mecánica y considerados en su tiempo como leyes independientes.
- La teoría de la relatividad demostró que no es este el caso en general. Sim embargo, para la mayoría de las aplicaciones en ingeniería, química, exceptuando a las relacionadas con reactores nucleares, la separación del principio general de conservación en dos principios independientes es una aproximación excelente y muy conveniente.
Los cálculos de balance se basan en los principios de conservación de la materia y la energía; y sirven para determinar los flujos, composiciones y temperaturas de todas las corrientes en un diagrama de flujos, contando con información especifica o supuesta sobre el funcionamiento de algunos equipos de proceso o las propiedades de algunas corrientes.
SISTEMA
Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis. Obsérvese en la figura que la frontera del sistema se circunscribe formalmente alrededor del proceso mismo a fin de subrayar la importancia de delinear cuidadosamente el sistema para cada uno de los problemas que intente resolver.
La mayoría de los sistemas de ingeniería química cosiste típicamente de una secuencia de etapas de proceso. Para diseñar tales sistemas integrados por unidades múltiples se debe conocer las corrientes de entrada y salida de toda la planta, así como los flujos y componentes de todas las corrientes internas que conectan a las diversas unidades. Por tanto también se debe considerar durante el calculo a las etapas de procesamiento de materiales que ocurren dentro de las fronteras del sistema.
A las ecuaciones de balance expresadas para todo el proceso se les llama balances globales o balances generales. Los balance expresados para cada unidad se conoce como balance de unidad o balance por subsistema.
Un proceso industrial puede clasificarse fundamentalmente en dos grupos:
A) Proceso en conchadas, intermedios o “batch”.- Son aquellos en los cuales una cantidad de materiales es colocada en un recipiente y por medios físicos o químicos se logra algún cambio o reacción. Al finalizar el contenido es retirado como producto para iniciar una nueva parada.
B) Procesos Continuos.- En este tipo de procesos las entradas y salidas del mismo fluyen en forma continua.
Los procesos anteriores suelen combinarse para dar procesos semicontinuos.
Si las variables de un proceso dentro de un sistema no sufren modificaciones con el tiempo puede decirse que el proceso está en Régimen Permanente o Estable.
Si al contrario una de las variables cambia su valor con el paso del tiempo se dice que el proceso es en Régimen Transitorio o Inestable.
El enunciado de un problema de Balance de Materia presenta en la mayoría de los casos tal complejidad que se necesita una representación gráfica del mismo. En problemas sencillos el diagrama de flujo está constituido por un rectángulo u otros símbolos que representan la unidad de proceso y se utilizan flechas para indicar las entradas y salidas del mismo.
En todo los casos la información disponible se traslada al diagrama constituyéndose este en una gran ayuda para los cálculos de balance de masa. A medida que se avanza en los cálculos, sus resultados pueden ir colocándose en el diagrama de manera que este proporciona un registro continuo de lo que se ha hecho y de lo que falta por hacer.
LA ESTEQUIOMETRIA
Se ocupa de la combinación de elementos y compuestos. Las relaciones que se obtienen de los coeficientes numéricos de la ecuación química son los cocientes estequiométricos que nos permiten calcular los moles de una sustancia en relación con los moles de otra sustancia que interviene en la ecuación química.
Es un reactivo que está presente en exceso del reactivo limitante. El porcentaje de exceso de un reactivo se basa en la cantidad del reactivo en exceso por encima de la cantidad requerida para reaccionar con el reactivo limitante según la ecuación química, o sea:
donde los moles en exceso con frecuencia se pueden calcular como los moles totales disponibles de un reactivo menos los moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante.
BASE SECA, BASE HUMEDA Y BASE LIBRE DE UN COMPONENTE
- Se dice que un material es húmedo cuando el agua es uno de sus componentes. La composición que incluye el agua se dice que es en Base Humedad.
- Cuando en la composiciones se excluye el agua (aun estando presente), se dice que está en Base Seca.
- En el caso de alguna mezcla gaseosa, la composición está dada sin tener en cuenta uno de los componentes; en este caso, dicho componente no aparece en los porcentajes, aunque si esta presente en la mezcla y se dice que la composición es Libre de un Componente.
AIRE TEÓRICO Y AIRE EN EXCESO
Aire teórico (u oxígeno teórico), es la cantidad de aire (u oxígeno) que se debe introducir en el proceso para lograr la combustión completa. Esta cantidad también se conoce como aire (u oxígeno) requerido. Mientras que Aire en exceso (u oxígeno en exceso), sería la cantidad de aire (u oxígeno) en exceso de la requerida para una combustión completa según lo calculado mediante la estequiometria.
La cantidad calculada de aire en exceso no depende de que tantos materiales quema realmente, sino de lo que puede quemarse.
Es la fracción de la alimentación o de algún material clave de la alimentación que se convierte en productos
Es preciso especificar cuál es la base de cálculo y en qué productos se está convirtiendo esa base de cálculo, pues de lo contrario la confusión será absoluta. La conversión tiene que ver con el grado de conversión de una reacción, que por lo regular es el porcentaje o fracción del reactivo limitante que se convierte en productos.
- Implica regresar material (o energía) que sale de un proceso, una vez más al proceso, para un procesamiento ulterior. En el reciclaje puede participar toda una ciudad, como ocurre con el reciclaje de papel periódico y latas, o una sola unidad, como un reactor.
- Un flujo de reciclaje denota un flujo de proceso que devuelve material desde un punto corriente abajo de la unidad de proceso a dicha unidad o a una unidad situada corriente arriba de esa unidad.
es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de reciclaje.
Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos, tales como los derivados del petróleo, productos alimenticios, la industria de cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.
En todos estos procesos, es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etc.
en los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control manual de estas variables utilizando solo instrumentos simples como manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos.
Estos instrumentos han ido liberando al personal de campo de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; así mismo, gracias a los instrumentos, ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir realizando exclusivamente un control manual.
- el sensor, que también se lo conoce como elemento primario.
- transmisor, el cual también se lo conoce como elemento secundario.
- controlador, que es el ''cerebro'' del sistema de control.
- elemento final de control, el cual frecuentemente se trata de una válvula de control aunque no siempre. otros elementos finales de control comúnmente utilizados son las bombas de velocidad variable, los transportadores y los motores eléctricos.
En el diseño de reactores se utiliza la información, el conocimiento y la experiencia de varios campos tales como la termodinámica, cinética química, mecánica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa y economía. La Ingeniería de las Reacciones Químicas es la síntesis de todos estos factores con el propósito de diseñar el mejor Reactor Químico.
INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Los procesos químico-industriales se diseñan para obtener de manera económica un producto a partir de diversos materiales no elaborados que se someten a las diferentes etapas de tratamiento. Podríamos considerar entonces que las materias primas pasan por una serie de tratamientos físicos a fin de prepararse para que puedan reaccionar químicamente y luego pasan al reactor. Los productos de la reacción deben ser sometidos nuevamente a tratamientos físicos (separaciones, purificaciones, etc.) hasta obtener el producto final deseado.
El interés de esta unidad se centra en la etapa de tratamiento químico de un proceso considerando no sólo el diseño de reactores sino también contemplando los materiales que entran y salen del sistema.
CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES
SE CLASIFICAN SEGÚN EL NUMERO Y TIPO DE FASES IMPLICADAS DE DONDE RESULTAN DOS GRANDES GRUPOS:
- reacciones homogéneas; las reacciones se realizan en una sola fase.
- reacciones heterogéneas; para que se efectué la reacción se requiere la presencia de al menos dos fases.
VELOCIDAD DE REACCIÓN (-rA)
Hay muchas variables que afectan la velocidad de una reacción química. En el caso de los sistemas homogéneos, la temperatura, la presión y la composición son las variables mas evidentes. En los sistemas heterogéneos hay mas de una fase, por lo que el problema se complica. Es posible que el material tenga que moverse de una fase a otra durante la reacción; por lo tanto, la velocidad de transferencia de masa puede volverse importante.
Se emplean para operaciones a pequeña escala, para probar nuevos procesos que aún no se han desarrollado en su totalidad, para fabricar productos costosos y para procesos difíciles de convertir en operaciones continuas.
Reactores de flujo continuo
Los reactores de flujo continuo casi siempre operan en estado estacionario.
Se consideran tres tipos de reactores: el reactor continuo de mezcla perfecta CSTR, el reactor de flujo tapón PFR y el reactor empacado PBR.
Es un reactor de uso común en procesos industriales, también es conocido como reactor de retromezcla y se emplea sobre todo en fase líquida. Normalmente se opera en estado estacionario y se asume que produce una mezcla perfecta. No hay dependencia del tiempo o de la posición en la temperatura, la concentración o de la velocidad de reacción dentro del CSTR es decir todas las variables son iguales en todos los puntos del interior del reactor. Como la temperatura y la presión son idénticas en el interior del recipiente como en el punto de salida, se toman en el modelo como si fueran iguales a aquellas en el interior del reactor.
El reactor tubular consta de un tubo cilíndrico y normalmente opera en estado estacionario, los reactores tubulares se emplean mayormente para reacciones en fase gas.
en el caso de que no exista variación radial en la velocidad de reacción, el reactor se denomina reactor flujo tapón.
