PORTAFOLIO OPERACIONES UNITARIAS
UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ
FACULTAD DE
INGENIERÍA INDUSTRIAL
OPERACIONES UNITARIA
PORTAFOLIO
Integrantes:
ARAUZ MEDRANDA
TEDDY IVAN
MERO MERO
JEFFERSON SEBASTIAN
DOCENTE:
Ing. JOUBER ANTONIO AZUA ALVIA
SEMESTRE:
OCTAVO “B”
MANTA-MANABI-ECUADOR
2021(2)
Operacion Unitaria
La ingeniería química
trata de procesos industriales en los que las materias primas se transforman o
separan en productos útiles. El ingeniero industrial debe estar en la capacidad
de desarrollar, diseñar y operar la líneas de procesos productivos: selecciona
las materias primas adecuadas, dimensiona las operaciones físicas y químicas
del proceso, hace operar las plantas con eficiencia, seguridad y economía; y
supervisa que los productos cumplan los requerimientos exigidos por los
consumidores.
La Ingeniería Química se
define como, .. “La aplicación de los
principios de las ciencias físicas, junto con los principios de economía y
relaciones humanas, a campos que atañen en forma directa a los procesos y
equipo de proceso en los cuales se trata la materia con el fin de modificar su
estado, contenido de energía o composición.” Un método muy conveniente para
organizar la materia de estudio que abarca la Ingeniería Química se basa en dos
hechos:
v
aunque
el número de procesos individuales es grande, cada uno puede ser fragmentado en
una serie de etapas, denominadas Operaciones, que se repiten a lo largo de los
diferentes procesos;
v
las
operaciones individuales tienen técnicas comunes y se basan en los mismos
principios científicos.
Los procesos industriales
pueden consistir en diversas secuencias de etapas, cuyos principios son
independientes del material en procesos y de otras características del sistema
particular.
• Se necesita una gran cantidad de equipo y operaciones para
purificar o preparar las mezclas, a menudo complejas, para su uso como producto
final.
Campo de aplicación
Los aspectos
estrictamente químicos de los procesos, se estudian en un área compatible de la
ingeniería química llamada cinética de la reacción. Las Operaciones Unitarias
se utilizan ampliamente para realizar las etapas físicas fundamentales de la
preparación de reactantes, separación y purificación de productos,
recirculación de los reactantes no convertidos, y para controlar la
transferencia de energía hacia o desde el reactor químico.
Las Operaciones Unitarias
son aplicables a muchos procesos tanto físicos como químicos. Por ejemplo, el
proceso empleado para la manufactura de la sal común consiste en la siguiente
secuencia de operaciones unitarias: transporte de sólidos y líquidos,
transferencia de calor, evaporación, cristalización, secado y tamizado.
En este proceso no
intervienen reacciones químicas.
Las Operaciones Unitarias
que se efectúan en este proceso son transporte de fluidos y sólidos, destilación
y separaciones mecánicas diversas; todas de una importancia vital pues la
reacción de cracking no podría realizarse sin ellas.
La Operación Unitaria
conocida como destilación se usa para purificar o separar alcohol en la
industria de las bebidas y también para separar los hidrocarburos en la
industria del petróleo.
Cualquier proceso
químico, sin importar la escala, puede resolverse en una serie coordinada de lo
que puede llamarse “acciones unitarias”, como son:
• Pulverización,
• Mezclado,
• Calentamiento,
• Calcinación,
• Absorción,
• Adsorción
• Electrólisis,
• Lixiviación,
• Precipitación,
• Cristalización,
• Filtración,
• Disolución,
• Agitación
• Transferencia de calor,
• Destilación,
• Humidificación,
• Sedimentación,
• Centrifugación,
• Etc,
Aunque las Operaciones
Unitarias son una rama de la ingeniería, se basan de igual manera en la ciencia
y la experiencia.
CONCEPTOS CLAVES
(BASICOS)
Procesos Fundamentales de
Transferencia.
Transferencia de momento
lineal. Se refiere a la
que se presenta en los materiales en movimiento, como en Operaciones Unitarias
de flujo de fluidos, mezclado, etc.
Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera
como tal al flujo de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las
Operaciones Unitarias de
evaporación, condensación, intercambio de calor, etc.
Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una
fase a otra fase diferente. Este proceso incluye destilación, absorción,
lixiviación, etc.
Equilibrio
Existe para todas las
combinaciones de fases, una condición llamada equilibrio, para la cual el
intercambio neto de propiedades (por lo general, masa o energía en los procesos
químicos), es igual a cero.
La tendencia que tiene la
energía térmica a fluir de una región de alta concentración (cuerpo caliente) a
una región de baja concentración (cuerpo frío), es conocida universalmente. De
la misma forma, es bien conocida la tendencia de la energía eléctrica a fluir
de una región de alto potencial a una de bajo potencial, de acuerdo con la ley
de Ohm (I= E/R).
La curva de presión de
vapor que describe el equilibrio que se observa entre un líquido y su vapor,
resulta conocida para un buen número de personas. Esta curva expresa en
unidades de presión, la concentración de vapor que se encuentra en equilibrio
con el líquido puro, cuando ambas fases tienen la misma temperatura.
Fuerza Motriz
Cuando se ponen en
contacto dos sustancias o fases que no están en equilibrio, se observa una
tendencia al cambio que conduce a la condición de equilibrio. La diferencia
entre la condición existente y la condición de equilibrio es la fuerza motriz
que origina este cambio. La diferencia puede expresarse en términos de las
concentraciones de diversas propiedades de las sustancias.
Presión de Vapor
La presión de vapor es la
presión a la cual la fase líquida y gaseosa están en equilibrio, es decir, el
mismo número de moléculas que se evaporan se condensan nuevamente.
La presión de vapor de un
líquido aumenta notablemente al elevarse la temperatura. Por ejemplo, en los
datos de las tablas termodinámicas del agua se ve que la presión de vapor a 50
°C es 12.333 kPa (92.5 1 mm de Hg). Mientras que, a 100 °C, la presión de vapor
aumenta en alto grado a un valor de 101.325 kPa (760 mm de Hg).
Transferencia
de Momento Lineal
El comportamiento
de los Fluidos es importante para los procesos de ingeniería en general y
constituye uno de los fundamentos para el estudio de las Operaciones Unitarias.
El conocimiento de
los fluidos es esencial, no sólo para tratar con precisión los problemas de
movimiento de los fluidos a través de tuberías, bombas y otro tipo de equipos
de proceso, sino también para el estudio del flujo de calor y de muchas
operaciones de separación.
Un fluido
es una sustancia
capaz de fluir y que no resiste en forma permanente la distorsión. Los fluidos
toman la forma de los recipientes que los contienen.
Viscosidad
Puede ser
considerada como la pegajosidad interna de un fluido
fluidos
comprensibles e incomprensible
Presión en
fluido estático
la
fuerza superficial que ejerce un fluido por unidad de área de las paredes del
recipiente que lo contiene. La presión de un fluido se transmite con igual
intensidad en todas las direcciones y actúa normalmente a cualquier superficie,
es decir, tiene magnitud pero no una dirección específica y, en consecuencia,
es una cantidad escalar.
APLICACIONES
DE LA ESTÁTICA DE FLUIDOS
Es importante medir y controlar la presión en un recipiente o proceso, o el nivel de líquido en un recipiente. Además, como fluyen muchos fluidos en un conducto o tubería, es necesario medir la velocidad con la que se desplaza.
Manómetro
Es un instrumento utilizado para medir diferencias de presión.
Decantador
Continuo por Gravedad
Se utiliza para la
separación continua de dos líquidos no miscibles de densidades diferentes.
Decantador
Centrífugo
La diferencia entre las densidades de los dos
líquidos es pequeña, la fuerza de la gravedad es demasiado débil para separar
los líquidos en un tiempo razonable. La separación puede entonces realizarse en
una centrífuga líquido-líquido, que se muestra en forma esquemática en la
figura.
La cinemática de
fluidos es el estudio que explica cómo fluyen los fluidos y cómo describir su
movimiento, sin necesariamente considerar las fuerzas y momentos que lo causan.
Por lo tanto en la Mecánica de Fluidos se trata el fluido como una distribución continua de materia o como un “continuo”. Este tratamiento es válido cuando el volumen más pequeño de fluido contiene un número de moléculas lo bastante grande como para que el promedio estadístico sea significativo y las propiedades macroscópicas del fluido, como densidad, presión, etc.
Conservación
de la masa.
La ecuación
de Bernoulli
es una relación
aproximada entre la presión, la velocidad y la elevación, y es válida en
regiones de flujo estacionario e incompresible en donde las fuerzas netas de fricción son despreciables.
La energía
mecánica
La forma de
energía que se puede convertir completa y directamente a trabajo mecánico por
medio de un dispositivo mecánico ideal como lo es una turbina ideal.
La ecuación de la energía del flujo estacionario en términos de la unidad de masa puede escribirse de manera conveniente como balance de energía mecánica.
El objetivo de tener una bomba es añadir energía al
fluido, lo que da como resultado un incremento en la presión de éste, y no
necesariamente un aumento en la velocidad del fluido cuando pasa por la bomba.
APLICACIONES
DE LA DINAMICA DE FLUIDOS COMPRESIBLES
VENTILADORES,
SOPLADORES Y COMPRESORES
son máquinas que
mueven y comprimen gases.
Los ventiladores
descargan grandes volúmenes de gas (normalmente aire) dentro de los espacios
abiertos o ductos grandes. Son máquinas de baja velocidad que generan presiones
muy bajas, del orden de 0.04 atm.
Los sopladores
son aparatos rotatorios de alta velocidad (que usan el desplazamiento positivo
o la fuerza centrífuga) que desarrollan una presión máxima de cerca de 2 atm.
Los compresores,
los cuales también son de desplazamiento positivo o máquinas centrífugas,
descargan a presiones desde 2 hasta varios miles de atmósferas.
ventiladores
son centrífugos y
operan exactamente sobre el mismo principio que las bombas centrífugas. Sin
embargo, es posible que las aspas del impulsor sean curveadas hacia adelante;
esto puede llevar a la inestabilidad en la bomba, pero no en un ventilador.
se convierte en energía de velocidad y casi nada en carga de presión. La eficiencia total, donde la potencia de salida recibe influencia tanto de la carga de presión como de la velocidad, es de alrededor de 70%.
El volumen en pies
cúbicos estándar se mide a presión y temperatura determinadas,
independientemente de la temperatura y presión reales del gas que llega a la
máquina.
En la industria se
emplean diferentes estándares, pero uno de los más frecuentes se basa en una
presión de 30 in de Hg y una temperatura de 60 °F (520 °R). Esto corresponde a
un volumen molal de 378.7 ft3/lb mol.
Sopladores y
compresores
Los compresores
reales, el calor que se genera en la fricción también es absorbido por el gas,
y se alcanzan temperaturas más altas que la temperatura isentrópica.
La relación de
compresión para los compresores reciprocantes se basa en la siguiente ecuación,
donde n es el número de etapas (pistones) del compresor:
Bombas de
vacío
Un compresor que
succiona a una presión por debajo de la atmosférica y descarga a la presión
atmosférica se conoce como bomba de vacío.
Cualquier tipo de
soplador o compresor (reciprocante, rotatorio o centrífugo) puede adaptarse
para hacer vacío, modificando el diseño de forma que entre gas a densidad baja
por la succión y se alcance la relación de la compresión necesaria.
La integración
entre la presión de succión pa y la presión de descarga pb conduce al trabajo
de compresión de un gas ideal sin fricción.
Compresión
adiabática.
O
Multiplicando el
coeficiente por pa1–1/γ y dividiendo los términos dentro de los paréntesis por
la misma cantidad, la ecuación se transforma en
Eficiencia
del compresor.
La relación entre
el trabajo teórico (o potencia del fluido) y el trabajo real (o entrada de
potencia total) es la eficiencia y se representa por η. La eficiencia máxima de
los compresores reciprocantes es alrededor de 80 a 85%; inclusive alcanza 90%
en compresores centrífugos.
Ecuación de
la potencia
. La potencia que
requiere un compresor adiabático se calcula fácilmente mediante la ecuación
(8.16). La fórmula dimensional es
donde PB =
potencia, kW
q0 = volumen del
gas comprimido, m3 /s std, evaluado a 0°C y 760 mm Hg
Ta = temperatura
de entrada, K Para la compresión isotérmica
Ejercicios en
clases
OBJETO:
Determinar la presión
manométrica en el fondo del tanque
Determinar la altura del aceite.
CONCLUSION
La presión que mide en el fondo del tanque es de 61.73
Psi.
La presión que mide en el fondo del tanque es de -8.23
Psi.
La altura del aceite es 13.30 ft.
-Considerando que el valor de h para el mercurio es de
0,47 m determine cuál sería la medida que reflejaría el manómetro de caratula
de la siguiente figura, es decir, el valor de la presión manométrica del aire
que está en el tanque
OBJETO:
Determinar la presión manométrica del tanque.
CONCLUSION
La presión manométrica del tanque es de 65 Kpa.
-Un decantador continuo
cilíndrico horizontal separa 1500 bbl/d (9,93 m3/h) de una fracción líquida
de petróleo a partir de un volumen igual de un ácido de lavado. El petróleo es
la fase continua y a la temperatura operacional tiene una viscosidad de 1,1 cP
y una densidad de 54 lb/ft3 (865 kg/m3). La densidad del ácido es
72 lb/ft3 (1153 kg/m3). Calcular:
a) el tamaño del tanque,
considerando que este deberá estar lleno cerca de 95% de su capacidad (para un
cilindro horizontal esto significa que la profundidad ocupada por los líquidos
será aproximadamente del 90% del diámetro del tanque).
b) la altura de desborde del
ácido por encima del fondo del tanque.
Suponga que los extremos del recipiente son
casi planos y que la longitud del tanque debe ser cerca de 5 veces su diámetro.
OBJETO:
Determinar las dimenciones del tanque
v, L, O
Determinar la altura del brazo de
desborde hA
ESQUEMA
CONCLUSION:
La dimensión del tanque es de 7.94 m3
La altura del brazo de desborde es de 0.98 m
-En la
siguiente figura se muestra un sistema utilizado para bombear refrigerante
desde un tanque colector hacia un tanque elevado, donde el refrigerante es
enfriado. La bomba entrega el caudal necesario para mantener el sistema
trabajando. El refrigerante fluye de regreso hacia las maquinas en la medida
que se requiere, por gravedad (la maquina 1 requiere 20 gal/min y la maquina 2
requiere de 10 gal/min). El refrigerante tiene una gravedad especifica de 0,92
y una viscosidad dinámica de 3,6 x 10^-5 lb . s/pie2 . El filtro tiene un
coeficiente de resistencia de 1,85 * V^2/2g (cabeza de velocidad de la línea de
succión). Calcule la potencia entregada por la bomba al refrigerante. (Realizar
los cálculos utilizando unidades del Sistema Británico)
Objeto: determinar
la potencia entregada a la bomba.
ESQUEMA:
CALCULOS:
CONCLUSION:
La potencia de la bomba es de 0.172 Hp.
Etilenglicol
a 20°C fluye a través de una tubería de 750m de acero comercial calibre 40, con
un caudal de 425L/s, de modo que la perdida de carga hidrostática no exceda de
8m. Las perdidas menores son de 9V^2/2g. Determinar el diámetro requerido.
Objeto:
determinar el diámetro para la tubería del sistema.
Esquema:
CALCULOS:
CONCLUSION:
El diámetro
para la tubería del sistema es de 0.6163 m
Para una operación de lavado en una planta de generación de electricidad
se necesitan 370 galones por minuto de agua (gpm). La carga hidrostática neta
es alrededor de 24 ft para este caudal. Una ingeniera recién contratada revisa
algunos catálogos y decide comprar el rotor de 8,25 in de la bomba centrífuga
serie F1 modelo 4013 de Taco. Si la bomba opera a 1160 rpm, como se especifica
en la gráfica de rendimiento, según el razonamiento de la ingeniera, su curva
de rendimiento se corta a los 370 gpm en H = 24 ft. Su jefe, quien está muy
interesado en la eficiencia, observa las curvas y se da cuenta que la
eficiencia de esta bomba en su punto de operación es de sólo 70 por ciento.
También ve que la opción del rotor de 12,75 in alcanza una eficiencia
mayor (casi 76,5 por ciento) al mismo caudal. Asimismo, note que puede
instalarse una válvula reguladora corriente abajo de la bomba para incrementar
la carga hidrostática neta necesaria de modo que la bomba funcione a su mayor
eficiencia. Pide a la ingeniera principiante que justifique su elección del
diámetro del rotor. Es decir, le pide que calcule qué opción del rotor (de 8,25
in o de 12,75 in) necesitaría la mínima cantidad de electricidad para operar.
Haga la comparación y analice los resultados.
Objeto: determinar cuál de las 2
propuesta es la más eficiente desde el punto de vista energético
Esquema:
CALCULOS
CONCLUSION
El punto más eficiente es 3.2 ft
Se configuran en serie dos bombas idénticas con los siguientes datos.
Objeto: desarrollar
la curva H-Q
H-V
Esquema:
bombas idénticas con los datos de la
siguiente tabla se configuran en paralelo. Determine la altura combinada de la
bomba y las curvas de eficiencia.
Objeto:
Determinar la altura combinada de la
bomba
Determinar
la curva de eficiencia
CONCLUSION:
La ET es de 0.62.
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