tp ingeniería química - modelo general 2010 vdef

Universitaria

DEPARTAMENTO DE PROCESOS QUMICOS PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIN EN PROCESOS QUMICOS

TRAYECTO III ASIGNATURA: LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

METODOLOGA Y ESTRATEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

Propuesta para la consideracin y aprobacin del Departamento de Procesos Qumicos

Elaborado por: Gonzlez, A. y Fajardo, C.

Caracas, diciembre de 2010

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Introduccin

El nuevo Programa Nacional de Formacin en Procesos Qumicos se encuentra en una fase de ejecucin y construccin simultnea de contenidos, estrategias, metodologas y cambios para el establecimiento de un programa basado en competencias que permita garantizar la excelencia en el perfil de egreso de los nuevos ingenieros en procesos qumicos. En este sentido resulta obvio que se requiere una evaluacin continua y mejora del programa as como la implementacin de procedimientos homologados y estandarizados para asegurar el desarrollo del componente prctico a nivel de los laboratorios de ingeniera qumica.

En el caso del programa para TSU en Procesos Qumicos, el componente prctico impartido en las diferentes asignaturas, talleres y laboratorios permiten egresar un profesional capaz resolver en forma prctica dificultades a nivel operativo y con habilidades para calcular, evaluar, instalar y operar equipos industriales.

Para el programa de Ingeniera en Procesos Qumicos los laboratorios se orientan o deben ser una herramienta que posibilite el desarrollo de habilidades para el anlisis y diagnstico de procesos, la planificacin de estudios experimentales, la simulacin y validacin terico - experimental de procesos, la evaluacin y mejora integral de instalaciones y procesos, en correspondencia con el perfil de egreso del ingeniero qumico.

En base a las consideraciones precedentes surge la necesidad de elaborar un documento que sirva de referencia para implementar una metodologa que permita normar y facilitar el trabajo de los docentes y los estudiantes en los laboratorios. En el siguiente trabajo se presenta la primera propuesta para la consideracin y aprobacin del Departamento de Procesos Qumicos.

1. OBJETIVO

Establecer las bases y objetivos especficos del laboratorio de operaciones unitarias, homologar y normar los trabajos prcticos, y establecer un modelo general para los trabajos prcticos.

PARA QU? Para establecer una metodologa de trabajo acadmico en los Laboratorios de Procesos Qumicos.

PRODUCTO: Generar un documento o propuesta para el Departamento de Procesos Qumicos

2. IDENTIFICACIN DE COMPETENCIAS PERFIL DE EGRESO

PERFIL DE EGRESO DEL INGENIERO EN PROCESOS QUMICOS (PNF) Tomado del documento de base del PNF

El Ingeniero en Procesos Qumicos de la Universidad Politcnica es un profesional formado para actuar con alto sentido de pertinencia social y tica, haciendo uso racional, eficiente y sostenible de los recursos puestos a su disposicin; comprometido con el desarrollo tecnolgico, econmico y consciente de su responsabilidad con la preservacin y mejoramiento del ambiente. Capaz de integrar caractersticas cientfico-tecnolgicas de las operaciones unitarias en la implementacin, desarrollo y control de procesos productivos y resolver en forma prctica dificultades a nivel operativo de los mismos. Con habilidades para investigar, innovar, disear, instalar, formular, operar, evaluar, optimizar, administrar, mercadear, asesorar y controlar procesos qumicos, contribuyendo al desarrollo sustentable de las comunidades, la regin, el pas, la Regin Caribea y Latinoamrica.

Entonces podemos decir que,

El Ingeniero en Procesos Qumicos es un profesional formado para:

Actuar con alto sentido de pertinencia social y tica, Hacer uso racional, eficiente y sostenible de los recursos puestos a su disposicin Comprometido con el desarrollo tecnolgico, econmico.

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Consciente de su responsabilidad con la preservacin y mejoramiento del ambiente. Capaz de integrar caractersticas cientfico-tecnolgicas de las operaciones unitarias en la

implementacin, desarrollo y control de procesos productivos Resolver en forma prctica dificultades a nivel operativo de los mismos. (Puntos comunes TSU

ING)

Con habilidades para calcular, evaluar, instalar y operar equipos industriales,(SOLO TSU)

Con habilidades para investigar, innovar, disear, instalar, formular, operar, evaluar, optimizar, administrar, mercadear, asesorar y controlar procesos qumicos, contribuyendo al desarrollo sustentable de las comunidades, la regin, el pas, la Regin Caribea y Latinoamrica. (SOLO ING)

Participa en los procesos de investigacin y diseo de nuevos procesos o avances tecnolgicos. (SOLO TSU)

contribuyendo al desarrollo sustentable de las comunidades, la regin, el pas, la Regin Caribea y Latinoamrica.(COMUN TSU ING)

OBJETIVOS GENERALES DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

Del conjunto de habilidades y competencias especficas del perfil de egreso del ingeniero en procesos qumicos podemos establecer que:

El Laboratorio de Operaciones Unitarias (Trayecto III) tiene como propsito desarrollar habilidades para, evaluar, investigar, disear, instalar, formular, operar, optimizar (mejorar) y controlar procesos qumicos, en correspondencia con el perfil de egreso del ingeniero qumico. Para ello se emplea una metodologa estndar de caracterizacin de procesos tomando como referencia instalaciones a escala piloto.

OBJETIVOS ESPECFICOS

El Laboratorio de Operaciones Unitarias (Trayecto III)

La metodologa y la estrategia para el desarrollo y alcance de las competencias establecidas en el objetivo general se fundamenta en el principio o Ciclo de mejora continua (Penso, 2006) o Ciclo de Shewhart- Deming que puede esquematizarse en las siguientes etapas:

Diagnstico inicial Planificar, Ejecutar(Hacer), Verificar (Validar), Mejorar (Actuar) PEVM PEVM PEVM a la cual se le incluye una etapa inicial de Diagnstico.

FASE DIAGNSTICO (PreLaboratorio) Caracterizar procesos de forma integral:

PARA EL PROCESO U OPERACIN UNITARIA 1. Especificar el Sistema fsico, Materia y energa: Componentes (en el caso de reacciones

qumicas: nmero de reacciones, reactivos, productos, inertes, catalizador), Fases, Forma, Fronteras, Sistema de referencia, Intercambios, Tipo de rgimen y operacin, Mecanismos de transporte, Determinar los mecanismos de transporte y contacto presentes. Identificar variables independientes y variables dependientes. (t, z, Ci, T, P).

2. Establecer los modelos para la caracterizacin y simulacin de la operacin: Balances de materia, Energa, Cantidad de movimiento y tipo de contacto, Hiptesis, Determinar el nmero de ecuaciones de diseo y establecer el modelo y procedimiento para la solucin

Planificar

Ejecutar Mejorar Validar

Diagnosticar

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matemtica del sistema de ecuaciones: Balances de materia, Balances de energa, Balances de cantidad de movimiento, global.

3. Visualizar o concebir los resultados que se deben obtener: Realizar un bosquejo de los tendencias de los perfiles de Concentracin ( o Conversin), Temperatura, y prdida de carga, P (si no es despreciable) en funcin de las variables independientes. (tiempo, t y/o longitud axial, z).

4. Identificar entre los mecanismos presentes en la operacin, el o los mecanismos que controlan el proceso: difusin, conveccin, radiacin en el caso de transporte de calor, fase donde se localiza el menor coeficiente en el caso de transporte de materia.

5. Identificar los parmetros del proceso: Condiciones iniciales o a la entrada, Estado de la alimentacin, Flujos, Cargas, Presin de operacin, Caractersticas geomtricas, dimensiones, caractersticas de los elementos de contacto, Potencia suministrada, entre otros.

PARA LA INSTALACIN O UNIDAD PILOTO 1. Identificar o verificar los componentes de la instalacin: equipo principal y subsistemas

(alimentacin, calentamiento, enfriamiento, etc.), instrumental de seguridad, medicin y control de variables, lneas o corrientes y servicios que configuran la instalacin.

2. Verificar Operacin: Etapa Inicial: preparacin previa, carga del equipo o puesta en rgimen del proceso dependiendo del tipo de operacin continua o discontinua. Seguimiento y medicin de las variables independientes y dependientes para establecer el rgimen permanente. Etapa de proceso: Ejecucin del proceso. Estimacin de tiempos o autonoma de operacin para operacin discontinua. Seguimiento y medicin de las variables. Verificacin y medicin del rgimen permanente mediante balances y desviaciones experimentales (Fluctuaciones de las diferentes variables medidas). Etapa de parada del proceso. Pasos y secuencia de operaciones.

3. Realizar un balance energtico de toda la instalacin para establecer los requerimientos, el suministro de energa, las prdidas y la eficiencia energtica.

FASE PLANIFICACIN (PreLaboratorio y Laboratorio) Planificar las experiencias y la operacin de instalaciones para el estudio de variables de proceso que

permitan generacin de datos experimentales y emplear tcnicas para el anlisis estadstico de datos (filtro, errores, desviaciones, ajustes).

Establecer el plan sobre la base de: 1. Las variables (independientes, dependientes). 2. Los parmetros del proceso. 3. La disponibilidad de tiempo. 4. disponibilidad y costo de recursos. Nmero de grupos 5. Parmetros de la operacin: Condiciones iniciales o a la entrada, Estado de la alimentacin, Flujos, Cargas, Presin de operacin, Caractersticas geomtricas, dimensiones, caractersticas de los elementos de contacto, Potencia suministrada, entre otros.

Toda operacin unitaria debe ser estudiada en trminos de los coeficientes de transferencia y los mecanismos que controlan el proceso. En consecuencia se debe establecer una planificacin para el estudio de los diferentes coeficientes y su medicin o evaluacin experimental.

En resumen el plan debe contemplar al menos:

1.- El estudio de los fenmenos de transporte mediante los perfiles o comportamiento de las variables dependientes (Ci, T, P) en funcin de la variable independiente (t o z) y los diferentes modos de operacin.

2.- La evaluacin de los coeficientes de transporte y su dependencia o variacin con los diferentes nmeros adimensionales (Reynolds, Re, Prandtl, Pr, Schmidt, etc.) y las etapas que controlan el proceso.

3.- Un estudio de los parmetros del proceso (parametrizacin o sensibilidad de los parmetros) y limites operacionales de la instalacin.

4.- Anlisis y optimizacin de requerimientos energticos o materiales (agentes de transferencia)

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FASE EJECUCIN (Laboratorio) Realizar las experiencias segn la planificacin establecida y generar la data experimental o

recolectar la data generada. Realizar una validacin y filtro de la data para eliminar datos incorrectos o fuera de contexto Simular la operacin de instalaciones (arranque o carga, puesta en rgimen o ciclo de operacin,

parada o descarga) utilizando las herramientas o aplicaciones informticas de uso frecuente en ingeniera qumica. (Simuladores de Procesos como HYSYS, PRO II y ChemCad entre otros, Simuladores matemticos como MathCad, MatLab y Maple, Simuladores especficos como KG Tower, HexTran, ReaCat, y Rutinas de Simulacin elaboradas por los profesores del Departamento de Procesos Qumicos.

Generar los resultados conforme al estudio planificado

FASE DE EVALUACIN Y VERIFICACIN (Laboratorio Informe)

Realizar el anlisis crtico de los datos y resultados experimentales, modelos de simulacin utilizados para caracterizar el proceso, como por ejemplo:

Los mecanismos de transporte y la cintica fsica y qumica mediante los perfiles y el comportamiento de las variables dependientes (Ci, T, P) en funcin de la variable independiente (t o z) para diferentes modos de operacin.

La evaluacin de los coeficientes de transporte y las etapas de control de proceso. Las condiciones limites y el estudio de los parmetros del proceso. El anlisis y optimizacin de requerimientos energticos o materiales (agentes de transferencia).

FASE DE MEJORA (Laboratorio Informe)

Sintetizar en un informe tcnico y presentar las Conclusiones y Recomendaciones sobre la operacin unitaria estudiada, mecanismos de transporte, variables, parmetros, coeficientes de transferencia y etapas controlantes, la instalacin, sistemas y subsistemas, lmites, requerimientos energticos, la metodologa empleada, materiales utilizados, control de procesos y seguridad entre otros

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ANEXOS

LA INGENIERA QUMICA Mtodo para la Caracterizacin Bsica de Procesos basado en los Paradigmas de la Ingeniera Qumica

Gonzlez, A. IUT Dr. Federico Rivero Palacio Dpto. de Procesos Qumicos, Caracas, Venezuela

1. Introduccin En general al estudiante de Procesos Qumicos o de Ingeniera Qumica se le imparten un conjunto de cursos y asignaturas pertinentes a la disciplina pero en la mayora de los casos no se le ensean la historia, los principios y fundamentos en los cuales est estructurada la carrera y como fueron sistematizados estos conocimientos; por otro lado al carecer de estos conocimientos integradores, se le dificulta el desarrollo de una metodologa unificadora para la caracterizacin de procesos. Si se considera que la Ingeniera Qumica posee un enfoque sistmico y los principios y leyes que la rigen presentar caractersticas generales y unificadoras entonces es factible el desarrollo de una metodologa para la caracterizacin bsica de cualquier proceso, de gran utilidad para el estudiante y los profesionales que se desempean en esta carrera si adquieren esta tcnica durante su estada en la universidad lo que permitira sentar y afianzar las bases y fundamentos de la ingeniera qumica.

2. Objetivo Con el presente trabajo se pretende formular un mtodo para la caracterizacin bsica de procesos tomando como base los paradigmas, los principios y fundamentos de la ingeniera qumica.

3. La Ingeniera Qumica La Ingeniera Qumica desempea un papel fundamental en el diseo, mantenimiento, evaluacin, optimizacin, simulacin, planificacin, construccin y operacin de plantas en la industria de procesos.

El Instituto Americano de Ingenieros Qumicos, AIChE, define la Ingeniera Qumica como la profesin en la cual el conocimiento de la matemtica, qumica y otras ciencias bsicas, ganados por el estudio, la experiencia y la prctica, es aplicado con juicio para desarrollar maneras econmicas de usar materiales y energa para el beneficio de la humanidad. (5)

La ingeniera qumica tambin se enfoca al diseo de nuevos materiales y tecnologas, procesos ambientalmente amigables y para la descontaminacin del medio ambiente. La ingeniera qumica implica en gran parte el diseo y el mantenimiento de los procesos qumicos para la fabricacin a gran escala.

3. Origen de la Ingeniera Qumica

La ingeniera qumica como disciplina aparece con el nacimiento de la industria qumica y la primera revolucin industrial, a finales del siglo XVIII en Europa, ante la necesidad de mecanizacin de los procesos qumicos a escala industrial. En sus inicios era bsicamente una extensin de la ingeniera mecnica y la qumica industrial. La enseanza era en gran parte emprica, con una instruccin centrada en la descripcin de la qumica industrial y los elementos de la ingeniera mecnica que servan de soporte para el conocimiento de los procesos. Estas disciplinas no contaban con un patrn de anlisis y solucin de ciertos problemas tecnolgicos de las industrias de procesos qumicos y ante esta ausencia surge la Ingeniera Qumica, a comienzos del siglo XX, aportando el conocimiento necesario para racionalizar la produccin de sustancias qumicas y materiales a gran escala.

En contraste, la ingeniera qumica moderna est estructurada alrededor de un sistema de conocimientos propio acerca de fenmenos y procesos vinculados con la produccin de sustancias y materiales mediante cambios en las propiedades fsicas, qumicas, o ambas, de la materia.

4. Sistema de conocimientos y Paradigmas de la Ingeniera Qumica En trminos generales, segn Kuhn (1962), los paradigmas son ejemplos aceptados que incluyen prcticas y leyes que se aplican en las diferentes reas particulares de la ciencia. Por otro lado Baker (1992) entiende por paradigma un conjunto de reglas que definen fronteras acerca de algn tema o concepto, y que tambin describen el comportamiento dentro de esas fronteras. Durante su desarrollo histrico en el campo de la Ingeniera Qumica se pueden reconocer tendencias y momentos cruciales que pueden considerarse paradigmticos y que conforman las bases de esta carrera.

La Operacin Unitaria - Primer Paradigma de la Ingeniera Qumica. Para el ao 1915, Arthur D. Little le propuso al Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT), "que la educacin en ingeniera qumica debera estar centrada en las operaciones unitarias". La Operacin Unitaria como una operacin comn a muchos procesos industriales, tales como

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destilacin, flujo de fluidos, filtracin, trituracin, molienda, y cristalizacin. Este primer paradigma como lo expresa el informe xxxx Referencia (), se constituye en la primera aproximacin analtica de las industrias de procesos qumicos como sistemas anlogos que comparten unidades de transformacin similares, en las que se suceden fenmenos cuyo comportamiento general es independiente de la naturaleza especfica de las sustancias en proceso. La Operacin Unitaria establece que: Todos los procesos se pueden generalizar y unificar en una operacin nica que caracteriza los cambios en la materia y/o en la energa que determinan el proceso. Este modelo permiti unificar y dar sustento cientfico y leyes generales a las diversas operaciones y procesos de la naciente Ingeniera Qumica. Las operaciones pueden ser estudiadas separadas de los procesos industriales; se introduce un enfoque de sistemas y los procesos industriales se pueden caracterizar como un conjunto de operaciones unitarias interconectadas lo que permite simplificar el estudio de procesos complejos y solucionar problemas de escala industrial que anteriormente eran empricos, en su mayora. La capacidad de los ingenieros qumicos para caracterizar cuantitativamente operaciones unitarias tales como la destilacin permiti el diseo racional de las primeras refineras modernas de petrleo. Durante este periodo tambin se introdujeron y perfeccionaron los estudios de los balances de materia y energa en los procesos y las bases termodinmicas de los sistemas multicomponentes xxxx Referencia ().

Los Fenmenos de transporte Segundo Paradigma de la Ingeniera Qumica. El comportamiento molecular explica el comportamiento del sistema a nivel macroscpico.

En 1960 nace el segundo gran paradigma de la Ingeniera Qumica con la publicacin del libro "Fenmenos de Transporte" de R. B. Bird, W. E. Stewart y E. N. Lightfoot, que establece otra tcnica para el anlisis y estudio de las operaciones unitarias, eliminando los mtodos empricos utilizados hasta el momento. Se fortalece el enfoque sistmico de la ingeniera qumica mediante la explicacin del comportamiento macroscpico de las operaciones unitarias a partir del comportamiento molecular de las sustancias que intervienen en procesos.

Se puede afirmar con este paradigma que: Todos los procesos en ingeniera qumica pueden caracterizarse mediante tres grandes mecanismo de transporte neto a nivel macroscpico: 1.Transferencia de Materia, 2.Transferencia de Calor y 3.Transferencia de Cantidad de Movimiento.

El esfuerzo de organizacin del conocimiento de la ingeniera qumica como disciplina, traducido en la

formulacin de los dos paradigmas esenciales, le confieren a la ingeniera qumica identidad e independencia de sus disciplinas madres: la qumica industrial y la ingeniera mecnica.

4. Bases Conceptuales La Ingeniera Qumica se fundamenta en las Matemticas, la Fsica, la Qumica y la Termodinmica; pero para poder conocer los principios y bases fundamentales de la ingeniera qumica moderna debemos conocer el sistema de conocimientos propios que estructura esta disciplina.

De la revisin documental sobre el desarrollo histrico de la ingeniera qumica podemos sintetizar las siguientes conclusiones:

1.-La ingeniera qumica y los procesos qumicos tienen un enfoque sistmico. 2.-Todos los procesos se generalizan y unifican en la Operacin Unitaria. Primer paradigma y principio unificador. 3.-Todos los procesos en ingeniera qumica pueden caracterizarse mediante tres grandes mecanismo de transporte. Segundo Paradigma que vincula lo macroscpico con lo molecular.

A continuacin se explican y desarrollan en orden los conceptos esenciales para establecer un mtodo para la caracterizacin bsica de procesos.

Proceso: Es un Cambio o Transformacin en un sistema fsico

Sistema fsico: Est constituido por materia y energa, posee una ubicacin en el espacio y tiene un estado fsico definido.

Qu cambios?: Cambios que se producen en la materia y/o energa que conforman el sistema

Los sistemas fsicos pueden ser abiertos, cerrados o aislados, segn que realicen o no intercambios con su entorno: Un sistema abierto es un sistema que recibe e intercambia flujos (materia y energa) de su entorno. Un sistema cerrado slo intercambia energa con su entorno. Un sistema aislado no tiene ningn intercambio con el entorno.

Enfoque de sistema - Sistema: Un sistema es un objeto compuesto cuyos componentes se relacionan con al menos algn otro componente y Todos los sistemas tienen composicin, estructura y entorno, pero slo los sistemas materiales tienen mecanismo, y slo algunos sistemas materiales tienen figura (forma).

Un sistema material, es una cosa compuesta (por dos o ms cosas relacionadas) que posee propiedades que no poseen sus componentes, llamadas propiedades emergentes; por ejemplo, la tensin superficial es una propiedad emergente que

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poseen los lquidos pero que no poseen sus molculas componentes. Al ser cosas, los sistemas materiales poseen las propiedades de las cosas, como tener energa (e intercambiarla), tener historia, yuxtaponerse con otras cosas y ocupar una posicin en el espacio tiempo.

Un sistema material, tiene composicin, entorno, estructura y mecanismo. La composicin de un sistema es el conjunto de sus partes componentes. El entorno o ambiente de un sistema es el conjunto de las cosas que actan sobre los componentes del sistema, o sobre las que los componentes del sistema actan. La estructura interna es el conjunto de relaciones entre los componentes del sistema. La estructura externa es el conjunto de relaciones entre los componentes del sistema y los elementos de su entorno. El mecanismo de un sistema es el conjunto de procesos internos que lo hacen cambiar algunas propiedades, mientras que conserva otras. Adems, la frontera de un sistema es el conjunto de componentes que estn directamente vinculados (sin nada interpuesto) con los elementos de su entorno. La frontera de un sistema fsico puede ser rgida o mvil, permeable o impermeable, conductor trmico o no (adiabtica), conductor elctrico o no. Adems, algunos sistemas tienen figura (forma); pero no todo sistema con frontera tiene necesariamente figura. Si hay algn intercambio de materia entre un sistema fsico y su entorno a travs de su frontera, entonces el sistema es abierto; de lo contrario, el sistema es cerrado. Si un sistema cerrado tampoco intercambia energa, entonces el sistema es aislado. En rigor, el nico sistema aislado es el universo.

Principio de Equilibrio: Los sistemas tienen una tendencia a adaptarse con el fin de alcanzar un equilibrio interno frente a los cambios externos del entorno.

Factibilidad de Proceso. Para que ocurra un proceso deben producirse dos condiciones en un sistema fsico: 1.-Desequilibrio. Para que ocurra un proceso deben existir o se deben provocar desequilibrios o cambios de estado en la materia y la energa que conforman el sistema fsico. 2.-Contacto. Para que ocurra un proceso debe haber contacto entre los componentes o elementos (materia y/o energa) del sistema

En resumen, el ingeniero de procesos tiene como tarea fundamental caracterizar la materia, la energa y los cambios de estos componentes en los sistemas fsicos.

Agente de cambio o transformacin

Para poder realizar un proceso se requiere desestabilizar la materia y la energa del sistema considerado. Los cambios o desequilibrios en la

materia y la energa se provocan aportando ms materia y energa al sistema. Para provocar la absorcin de un gas se debe suministrar un solvente y para poder destilar una mezcla se debe aportar energa para el calentamiento. En resumen se debe pagar con un agente de transferencia de materia o de energa para poder realizar un proceso

Propiedad es una caracterstica o atributo de un objeto o una sustancia que nos permite clasificarla como igual o distinta a otra.

La masa es la propiedad de la materia que nos permite determinar la cantidad de materia que posee un cuerpo. Adems de masa, los cuerpos tienen una extensin en el espacio, ocupan un volumen. El volumen de un cuerpo representa la cantidad de espacio que ocupa su materia y que no puede ser ocupado por otro cuerpo. La energa es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energa se manifiesta en los cambios fsicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

Cintica Fsica. Principio unificador de los fenmenos de transporte

Las leyes que describen los mecanismos de transferencia (Fick, Fourier, Newton) se pueden unificar en un solo modelo cintico de velocidad o rapidez del cambio.

Velocidad de transporte = coeficiente x rea x gradiente Velocidad del cambio Cintica del cambio

El gradiente nos indica el cambio o transformacin que posibilita el proceso (condicin 1). El gradiente est gobernado por las leyes termodinmicas. La termodinmica no solo indica el cambio sino que lo cuantifica determinando el mximo gradiente posible. El gradiente tambin determina la(s) variable(s) dependiente(s) en el proceso.

El rea o superficie de transferencia posibilita y cuantifica el contacto (condicin 2). Mecanismo de Contacto

El coeficiente nos indica la rapidez con que ocurre el transporte de materia o energa.

Contacto y Mecanismo de contacto Los componentes materiales de un sistema deben estar en contacto para que puedan originarse los procesos de transferencia de materia y/o energa. En el caso de tener varias fases se debe dispersar una o dos fases y mantener una fase continua para provocar y mejorar el contacto. Todos los elementos de relleno, distribuidores, platos, casquetes, valvulas, perforados, agitadores, pulsacin, aspersores, chaquetas, serpentines fueron

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diseados y estan siendo desarrollados e innovados tecnolgicamente para mejorar el contacto entre las fases o los elementos materiales del sistema. Pero la forma como entran en contacto los elementos de cualquier sistema fsico se lleva a cabo segn dos modelos ideales de contacto que representan las condiciones lmites de contacto y a su vez establecen el cuarto gran mecanismo de la ingeniera qumica, el Mecanismo de Contacto:

1.- Mezcla Perfecta. Todos los elementos se mezclan simultneamente, el comportamiento y la mezcla es catica y desordenada, la dispersin es infinita. Un tanque agitado se aproxima a este modelo.

2.- Flujo Pistn. Ningn elemento se mezcla, el comportamiento es ordenado, fluyen a una velocidad constante y el contacto solo es posible mediante interaccin entre elemento elemento juntos espacialmente. La dispersin es nula. Un flujo a travs de una tubera lineal o una columna se aproxima a este modelo.

Todas las formas de contacto que posibilitan los procesos se encuentran entre estos dos modelos y pueden simularse mediante una combinacin y/o aproximacin a estos dos modelos.

La determinacin del modelo ideal que prevalece o que ms se aproxima al contacto real, que se realiza en el sistema, es muy importante porque permite establecer los modelos matemticos de simulacin a partir de las ecuaciones generales de balance de materia y energa.

5.- Mtodo para la caracterizacin bsica de procesos

Tomando como base los paradigmas, los principios y fundamentos de la ingeniera qumica a continuacin se explican los pasos a seguir para la caracterizacin bsica de un proceso, en forma rpida y sencilla.

5.1.- Definir el sistema fsico: Materia y Energa. El sistema fsico es el espaci donde estn ocurriendo los cambios o desequilibrios que originan el proceso.

Especificar para la materia y/o la energa: Componentes o sustancias (en el caso de

reacciones qumicas: nmero de reacciones, reactivos, productos, inertes, catalizador)

Estado fsico: fases presentes (Gas/Vapor, Lquido, Slido). La estructura del sistema

Las fronteras del sistema fsico: El espacio y su topologa: forma y figura.

El sistema de referencia o coordenadas espaciales 1. Cilndrico (r, , z) 2. Cartesiano (x,y,z) 3. Esfrico (r, , )

De estos tres sistemas empleados en procesos qumicos, el sistema de coordenadas ms utilizado es el cilndrico (casi todos los procesos se producen en sistemas con forma de tubos, columnas o tanques cilndricos).

La frontera del sistema fsico 1. Rgida o mvil 2. Permeable o impermeable 3. Conductor trmico o aislante (adiabtica),

Intercambios con el entorno de materia y energa

1. Sistema abierto: hay intercambio de materia y energa entre el sistema fsico y su entorno a travs de su frontera

2. Sistema cerrado: Solo hay intercambio de energa: Calor y/o Trabajo

3. Sistema aislado: No hay intercambio de materia ni de energa. En rigor, el nico sistema aislado es el universo.

5.2.- Identificar el Tipo de rgimen y Tipo de operacin 1. Rgimen Permanente, Estacionario o

Uniforme: Las variables caractersticas NO varan con el tiempo.

2. Rgimen Transitorio: Las variables caractersticas varan con el tiempo.

3. Operacin Continua: No hay acumulacin de materia y/o energa, presentan corrientes de entrada y salida continua de materiales y operan en rgimen permanente.

4. Operacin Discontinua o por Carga: No hay corrientes de entrada o salida de materia, hay acumulacin de materia y/o energa y operan en rgimen transitorio.

5. Operacin Semicontinua: hay al menos una corriente con flujo continuo el resto del proceso opera en discontinuo. Hay acumulacin de materia y/o energa y operan en rgimen transitorio.

6. Direccin de Flujos . Cuando se tienen varias fases (dos o tres) en contacto se tienen varias posibilidades de ponerlas en contacto dependiendo de la direccin de los flujos o las corrientes de los elementos materiales al interior del sistema: Contracorriente , Cocorriente hacia abajo , Cocorriente hacia arriba , Corrientes cruzadas

5.3.- Reconocer los cambios para identificar los mecanismos que intervienen en el proceso.

Los cambios o desequilibrios que ocurren en la materia y la energa presente en el sistema se pueden visualizar verificando la existencia de gradientes o diferencia de las variables caractersticas de los tres fenmenos o mecanismos de transporte:

Intervienen mecanismos de:

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1. Transferencia de Materia si se observan gradientes de concentracin, Ci

2. Transferencia de Calor si se observan gradientes de temperatura, . Tambin ocurre con T = 0 cuando hay cambio de fases (evaporacin, condensacin a T constante)

3. Transferencia de Cantidad de Movimiento. Es ms fcil de reconocer. Si hay corrientes o flujo de fluidos a travs del sistema hay presencia de este mecanismo. Tambin se observan gradientes de prdida de energa o prdida de carga, P.

5.4.- Identificar la(s) Variable(s) Independiente(s)

Son las variables sobre las cuales no se tiene control durante la experiencia. La variable independiente cambia libremente y su cambio impone los valores de las variables dependientes.

En cualquier proceso las variables independientes son las variables espacio-temporales, es decir el tiempo, t, y las tres dimensiones o coordenadas espaciales (r, , z).

Entonces podemos tener como mximo cuatro (04) variables independientes en un proceso. Sin embargo este nmero puede ser reducido para la mayora de los procesos. En un sistema con coordenadas cilndricas, los fluidos generalmente no experimentan movimientos angulares al interior del sistema por lo que podemos despreciar la dimensin angular , adems si se opera con tubera o columnas el radio, r, es varias veces menor que la dimensin axial, z (altura o longitud) y en estos casos se puede despreciar el radio, quedando solamente la dimensin axial, z, como variable independiente espacial predominante.

Nos quedan entonces un mximo de dos variables independientes posibles en la mayora de los procesos, el tiempo, t, y la dimensin axial, z.

5.6.- Especificar la(s) Variable(s) Dependiente(s)

Las variables dependientes en cualquier proceso son las variables caractersticas de los mecanismos de transporte:

1. Concentracin, Ci si hay transferencia de materia.

2. Temperatura si ocurre la transferencia de calor.

3. Prdida de carga para la Transferencia de Cantidad de Movimiento.

Variables de Proceso: En resumen para cualquier proceso podemos tener como mximo siete (07)

variables de estudio cuatro (04) variables independientes (t, r, , z) y tres dependiente (Ci, T, P). Si se aplican las simplificaciones a las independientes nos queda un mximo de cinco (05) (t, z, Ci, T, P) para caracterizar y simular el 95% de los procesos en ingeniera qumica; podemos decir entonces que:

Tenemos casi toda la ingeniera qumica en una de nuestras manos y los cinco dedos representan las cinco variables (t, z, Ci, T, P) que nos permiten caracterizarla.

Casos particulares:

1.- Procesos en rgimen permanente: Mximo 4 variable ( z, Ci, T, P) y si P es despreciable o nula solo tres ( z, Ci, T).

2.- Procesos en rgimen transitorio: Mximo 4 variable ( t, Ci, T, P) y si P es despreciable o nula solo tres ( t, Ci, T).

5.5.- Visualizar las ecuaciones de diseo para simular el proceso

Las ecuaciones de diseo de cualquier proceso, su nmero y tipo de ecuacin matemtica se establecen a partir de los mecanismos presentes y los modelos de contacto

Para caracterizar los cambios netos de materia y energa se deben realizar Balances: 1.- Balances de materia (una ecuacin por cada componente del sistema) si hay transferencia de materia 2.- Balance de energa: Una ecuacin global si hay transferencia de calor 3.- Balance de cantidad de movimiento: Una ecuacin global (tipo Bernoulli o Ergun) si se presume que haya prdida de carga apreciable.

Se obtiene como modelo matemtico para la simulacin del proceso, una ecuacin en los casos de presentarse un solo mecanismo y un sistema de ecuaciones cuando se tienen varios mecanismos simultneamente.

Si el modelo de contacto es mezcla perfecta con una sola variable independiente se consigue un sistema o matriz de ecuaciones algebraicas.

En caso de optar por el modelo de contacto en flujo pistn con una sola variable independiente se consigue un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias. Si se requieren ms de una variable independiente (t, z) o (t, r, z), entonces se tendr un sistema de ecuaciones diferenciales parciales.

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5.7. Visualizar las tendencias de los resultados:

Realizar un bosquejo de los perfiles de Concentracin, Ci, Temperatura, T, y Prdida de carga, P (si no es despreciable) en funcin de la variable independiente tiempo, t, o dimensin axial, z.

5.8. Identificar los mecanismo(s) que controla(n) el proceso.

Para determinar los mecanismos que controlan el proceso debemos considerar la cintica o rapidez con que ocurren las diferentes etapas o mecanismo de transporte. Las etapas o mecanismos ms lento son los que ofrecen mayor resistencia a la transferencia y en consecuencia son las que controlan. Para medir la rapidez de los fenmenos de transporte se determinan los coeficientes de transferencia y se comparan; los coeficientes ms pequeos indican cuales son las etapas ms lentas.

Referencias

Tapias Garca, H. (1999) Ingeniera Qumica. Escenario Futuro y Dos Nuevos Paradigmas INGENIERIA QUIMICA. Revista espaola, Editorial Alcin, s.a. No. 359 Julio/agosto

Tapias Garca, H. (1998). Ciencia y Tecnologa. Colombia. Vol 16 pag: 25-36. No.: 4 Octubre/Diciembre

Gua para el diseo de un perfil de formacin: Ingeniera Qumica.(2006). Agncia per a la Qualitat del Sistema Universitari de Catalunya. Barcelona. Espaa: Autor

Chang M., C. (2007). Identificacin de Campos de Accin, Roles Ocupacionales y Puestos Laborales del Ingeniero Qumico, hacia el 2022. Universidad de San Carlos de Guatemala. Facultad de Ingeniera. Escuela de Ingeniera Qumica. Guatemala.

Ingeniera Qumica - Wikipedia, la enciclopedia libre.htm

"Frontiers in Chemical Engineering" Copyright GH 1988 por la National Academy of Sciences. Cortesa de la National Academy Press, Washington. D.C.

Penso, R. C. (2006) El Ciclo Shewhart para el Aprendizaje y el Mejoramiento [Documento en lnea]. Disponible: http://www.gotasdeconocimiento.com/pdf/1_Sistemas/ciclo_shewhart.pdf [Consulta: 2010, diciembre]

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Anexo1: Formato para aplicar la metodologa de caracterizacin bsica de procesos:

DEPARTAMENTO DE PROCESOS QUMICOS PNF EN PROCESOS QUMICOS

Caracterizacin Bsica de Proceso Formato Elaborado por: Ali Gonzlez

Grupo: Trayecto: Fecha:

Operacin o Proceso por caracterizar: 1.- Definir el sistema fsico: Materia y Energa. El sistema fsico es el espaci donde estn ocurriendo los cambios o

desequilibrios que originan el proceso. Materia Especificar para la materia y/o la energa:

Componentes o sustancias

Reacciones qumica SI : NO: N :

Reactivos

Productos

Inertes

Catalizadores

Estado fsico: fases presentes (estructura del sistema)

GAS : VAPOR: SLIDO: LQUIDO:

Fronteras del sistema fsico: El espacio y su topologa: forma y figura.

Tubular____ Columna__ __ Tanque____ Otro___:

El sistema de referencia o coordenadas espaciales

Cilndrico (r, , z)

Cartesiano (x,y,z)

Esfrico (r, , )

Frontera del sistema fsico Rgida Permeable Conductor trmico:

Mvil Impermeable Adiabtica: Intercambios con el entorno de

Materia y energa Calor, Q

Trabajo, W

Flujos de Materia

Tipo de sistema Sistema abierto: Sistema cerrado: Sistema aislado: 2.- Identificar el Tipo de rgimen y tipo de operacin Permite identificar la(s) variable(s) independientes

Tipo de rgimen Permanente o Estacionario

Rgimen Transitorio:

Tipo de operacin Continua: Discontinua o por Carga:

Semicontinua:

Direccin de Flujos Contracorriente Cocorriente Cocorriente

Cruzado

3.- Reconocer los cambios para identificar los mecanismos que intervienen en el proceso.


Se observan gradientes de: Ci : : Flujos (P): Fenmenos de Transporte T. Materia: T. Calor: TC. Movimiento:

4.- Identificar la(s) Variable(s) Independiente(s) Variables espacio-temporales: tiempo, t, y las tres dimensiones o coordenadas espaciales

Coordenadas cilndricas (r, , z). Tiempo, t: Axial, z: Radial, r: Angular, : Otro sistema: cartesiano o esfrico

5.- Especificar la(s) Variable(s) Dependiente(s) Las variables dependientes en cualquier proceso son las variables caractersticas de los mecanismos de transporte:

Variables dependientes Concentracin, Ci Temperatura, T Prdida de carga, P Variables de proceso (t, z, Ci, T, P) para caracterizar y

simular el 95% de los procesos en ingeniera qumica t: z: Ci: T: P:

Tenemos casi toda la ingeniera qumica en una de nuestras manos y los cinco dedos representan las cinco variables que nos permiten caracterizarla 6.- Visualizar las ecuaciones de diseo para simular el proceso


Balances Materia: Calor: C Movimiento: Numero de ecuaciones N componentes: Calor: C Movimiento:

Modelos de Contacto Mezcla Perfecta: Pistn: Otro: Tipo de Contacto Continuo: 1 Etapa: MultiEtapa:

Modelo matemtico para la simulacin del proceso Con una variable independiente

Mezcla Perfecta: Ecuaciones algebraicas Pistn PFR: Ecuaciones diferenciales ordinarias

13

7. Visualizar las tendencias de los resultados: Realizar un bosquejo de los perfiles de Concentracin, Ci, Temperatura, T, y Prdida de carga, P (si no es despreciable) en funcin de la variable independiente tiempo, t, o dimensin axial, z.

Transferencia de Materia - Perfil de Concentracin

tiempo, t ( ) o longitud, z ( )

Con

cen

trac

in

, Ci

(

)

Observaciones:

Transferencia d e Calo r - Perfil d e Temperatura

t ie mpo, t ( ) o longit ud, z ( )

Observaciones:

Transporte de Cantidad de Movimiento - Perfil de prdida de carga


Prd

ida

de ca

rga,

D

P (

)

Observaciones:

8. Identificar los mecanismo(s) que controla(n) el proceso. Las etapas o mecanismos ms lento son los que ofrecen mayor resistencia a la transferencia y en consecuencia son las que controlan.

Para medir la rapidez de los fenmenos de transporte se determinan los coeficientes de transferencia y se comparan los coeficientes ms pequeos indican cuales son las etapas ms lentas.

Mecanismos de transporte presente: Solo se requiere una primera apreciacin dependiendo de la experiencia personal sobre el proceso. Por ejemplo

Baja solubilidad: Lento, Difusin: Lento, Conveccin forzada: Rpido, Slido poco conductor: Lento,

Flujo Laminar: Lento, F Turbulento: Rpido

T Materia: Lento: Medio: Rpido

T Calor: Lento: Medio: Rpido

Flujo Lento: Medio: Rpido

Reaccin Qumica Ej: Fermentacin: Lenta, Combustin: Rpida, Craqueo: Rpida

Reaccin Lento: Medio: Rpido

Etapa o fase controlante

Observacin:

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Anexo2: Ejemplo 1

DEPARTAMENTO DE PROCESOS QUMICOS PNF EN PROCESOS QUMICOS

Caracterizacin Bsica de Proceso Formato Elaborado por: Ali Gonzlez

Grupo: A1 Trayecto: I Fecha: 08/12/10

Operacin o Proceso por caracterizar: Absorcin de una mezcla acetona - aire 1.- Definir el sistema fsico: Materia y Energa. El sistema fsico es el espaci donde estn ocurriendo los cambios o

desequilibrios que originan el proceso. Materia Especificar para la materia y/o la energa:

Componentes o sustancias acetona Aire (O2/N2)

agua

Reacciones qumica SI : NO: N :

Reactivos

Productos

Inertes

Catalizadores

Estado fsico: fases presentes (estructura del sistema)

GAS : VAPOR: SLIDO: LQUIDO:

Fronteras del sistema fsico: El espacio y su topologa: forma y figura.

Tubular____ Columna__ __ Tanque____ Otro___:

El sistema de referencia o coordenadas espaciales

Cilndrico (r, , z)

Cartesiano (x,y,z)

Esfrico (r, , )

Frontera del sistema fsico Rgida Permeable Conductor trmico: No

Mvil Impermeable Adiabtica: Intercambios con el entorno de

Materia y energa Calor, Q NO (despreciable)

Trabajo, W NO

Flujos de Materia SI

Tipo de sistema Sistema abierto: Sistema cerrado: Sistema aislado: 2.- Identificar el Tipo de rgimen y tipo de operacin Permite identificar la(s) variable(s) independientes

Tipo de rgimen Permanente o Estacionario

Rgimen Transitorio:

Tipo de operacin Continua: Discontinua o Carga: Semicontinua:

Direccin de Flujos Contracorriente Cocorriente Cocorriente

Cruzado

3.- Reconocer los cambios para identificar los mecanismos que intervienen en el proceso.


Se observan gradientes de: Ci : : Flujos (P): SI (despreciable)

Fenmenos de Transporte T. Materia: T. Calor: TC. Movimiento: 4.- Identificar la(s) Variable(s) Independiente(s) Variables espacio-temporales: tiempo, t, y las tres dimensiones o

coordenadas espaciales Coordenadas cilndricas (r, , z). Tiempo, t: Axial, z: Radial, r: Angular, :

Otro sistema: cartesiano o esfrico 5.- Especificar la(s) Variable(s) Dependiente(s) Las variables dependientes en cualquier proceso son las variables

caractersticas de los mecanismos de transporte: Variables dependientes Concentracin, Ci Temperatura, T Prdida de carga, P

Variables de proceso (t, z, Ci, T, P) para caracterizar y simular el 95% de los procesos en ingeniera qumica

t: z: Ci: T: P:

Tenemos casi toda la ingeniera qumica en una de nuestras manos y los cinco dedos representan las cinco variables que nos permiten caracterizarla 6.- Visualizar las ecuaciones de diseo para simular el proceso


Balances Materia: Calor: C Movimiento: Numero de ecuaciones N componentes: 3 Calor: 0 C Movimiento: 0

Modelos de Contacto Mezcla Perfecta: Pistn: Otro: Tipo de Contacto Continuo: 1 Etapa: MultiEtapa:

Modelo matemtico para la simulacin del proceso Con una variable independiente

Mezcla Perfecta: Ecuaciones algebraicas Pistn PFR: Ecuaciones diferenciales ordinarias

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7. Visualizar las tendencias de los resultados: Realizar un bosquejo de los perfiles de Concentracin, Ci, Temperatura, T, y Prdida de carga, P (si no es despreciable) en funcin de la variable independiente tiempo, t, o dimensin axial, z.

Transferencia de Materia - Perfil de Concentracin


Con

cen

trac

in

, Ci

(

)

Observaciones:

El O2 y el N2 del aire son poco solubles en el agua por lo que su composicin permanece constante y no se transfieren. De igual manera el agua tampoco se transfiere.

La acetona se transfiere de la fase gas (mayor concentracin) a la fase lquida (donde hay menor concentracin).

En el tope de columna (z = max) se tiene un gas agotado de acetona (salida de G) y el lquido sin acetona (entrada de L).

En el fondo de columna (z = 0) se tiene un lquido cargado de acetona (salida de L) y el gas cargado en acetona (entrada de G).

Transferencia de Calor - Perfil de Temperatura


Tem

pera

tura

, T

( )

Observaciones:

No hay transferencia de calor.

Transporte de Cantidad de Movimiento - Perfil de prdida de carga


Prd

ida

de ca

rga,

D

P (

)

Observaciones:

No hay transferencia de cantidad de movimiento apreciable.

8. Identificar los mecanismo(s) que controla(n) el proceso. Las etapas o mecanismos ms lento son los que ofrecen mayor resistencia a la transferencia y en consecuencia son las que controlan.

Para medir la rapidez de los fenmenos de transporte se determinan los coeficientes de transferencia y se comparan los coeficientes ms pequeos indican cuales son las etapas ms lentas.

Mecanismos de transporte presente: Solo se requiere una primera apreciacin dependiendo de la experiencia personal sobre el proceso. Por ejemplo

Baja solubilidad: Lento, Difusin: Lento, Conveccin forzada: Rpido, Slido poco conductor: Lento,

Flujo Laminar: Lento, F Turbulento: Rpido

T Materia: Gas-Lquido

No hay: Aire agua Agua aire

Lento:

Medio: Acetona aire Control

Rpido Acetona agua

T Calor: No hay:

Lento: Medio: Rpido

Flujo No hay:

Lento: Medio: Rpido

Reaccin Qumica Ej: Fermentacin: Lenta, Combustin: Rpida, Craqueo: Rpida

Reaccin No hay:

Lento: Medio: Rpido

Etapa o fase controlante Solo se tiene transferencia de materia de la acetona en la fase gas y liquida: La solubilidad de la acetona es menor en el aire que en el agua (Ver equilibrio aire-acetona-agua) por lo tanto la fase que controla es la fase Gas o el Transporte de materia lado Gas

CN2 aire

CO2 aire

Cacetona en G

Cacetona en L

Temperatura constante = T operacin

P = 0 o despreciable Presin constante = P operacin

tp ingeniería química - modelo general 2010 vdef

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