332569 procesos quimicos_2010

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
Escuela de Ciencias Basicas, Tecnologias e Ingenierias
Contenido didáctico del curso Procesos Químicos

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIAS E INGENIERIAS

332569 – PROCESOS QUIMICOS

ING. WILLIAM EDUARDO MOSQUERA LAVERDE
(Director Nacional)

ING.DENISSE VELANDIA
Acreditador

BOGOTA D.C.
Julio de 2010

1


INDICE DE CONTENIDO

INTRODUCCION

UNIDAD 1. CONCEPTOS BASICOS Y OPERACIONES CON FLUIDOS

Capitulo 1. GENERALIDADES
Lección 1. Definición de proceso químico
Lección 2. Diseño de un producto químico
Lección 3. Como determinar cuánto se debe producir.
Lección 4. Clasificación de las operaciones unitarias
Lección 5. Procesos fundamentales de transporte

Capitulo 2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Lección 6. El sistema de unidades
Lección 7. Leyes de los gases y presión de vapor
Lección 8. Conservación de la masa y balances de materia
Lección 9. Conservación de energía y balances de calor
Lección 10. Fundamentos de costos de producción

Capitulo 3. OPERACIONES UNITARIAS CON FLUIDOS
Lección 11. Características de los fluidos
Lección 12. Propiedades de los fluidos
Lección 13. Ecuación de continuidad
Lección 14. Ecuación de Bernoulli.
Lección 15. Aplicación en procesos industriales para fluidos.

Autoevaluación de la unidad 1.

UNIDAD 2 OPERACIONES CON SOLIDOS Y FENOMENOS DE
TRANSFERENCIA

CAPITULO 4. OPERACIONES UNITARIAS CON SOLIDOS
Lección 16. Reducción de tamaño.
Lección 17. La operación de cribado
Lección 18. Separaciones mecánicas
Lección 19. Diseño de equipos para operación y medición de sólidos.
Lección 20. Aplicación de las operaciones con sólidos en procesos industriales

CAPITULO 5. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
Lección 21. Mecanismos de transferencia de calor.
Lección 22. Procesos térmicos.
Lección 23. Diseño de equipos y medición de transferencia de calor

2


Lección 24. Aplicación de las operaciones de transferencia de calor procesos
industriales.
CAPITULO 6. FENOMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA.
Lección 25. Difusión
Lección 26. Operaciones de transferencia de masa.
Lección 27. Diseño de equipos y medición de transferencia de masa
Lección 28. Aplicación de las operaciones de transferencia de masa en procesos
industriales.
CAPITULO 7. ANALISIS FINANCIERO EN UN PROCESO QUIMICO
Lección 29. Estados financieros y Análisis financiero básico en proceso
productivo.
CAPITULO 8. PETROQUÍMICA
Lección 30. El petróleo y sus derivados.
Autoevaluación de la unidad 2.

3


LISTADO DE TABLAS

4


LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS

5


ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didáctico del curso académico: Procesos químicos fue
diseñado inicialmente en el año 2006 por el Ing. Germán Augusto Castro, docente
temporal de la UNAD, ubicado en el Sede nacional Mutis. Es Ingeniero Químico.
Las actualizaciones las ha desarrollado el I.Q. William Eduardo Mosquera Laverde
Ingeniero químico de la Universidad Nacional de Colombia del año 1993,
Especialista en Educación superior a distancia de la UNAD en el año 2009 y
maestrante en gestión y auditorias en tecnología e ingeniera ambiental de la
Universidad de León- España. Se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde
el 2005 hasta la fecha.

El contenido didáctico ha tenido dos actualizaciones: las dos desarrolladas
por el Ing. Mosquera en los años 2008 y 2010 quien se desempeña actualmente
como director del curso a nivel nacional.

La version del contenido didáctico que actualmente se presenta tiene como
características: 1) Incorpora nuevos contenidos relacionados con la Unidad 1,
pues en la versión anterior solo enfatizaba en los procesos unitarios y ahora se
enfatiza en el diseño del producto y los costos de producción. 2) Profundiza en la
unidad 2 en los procesos petroquímicos y los análisis financieros básicos para
determinar la viabilidad del producto químico.

La Ing. Denise Velandia, tutora del CEAD JAG, apoyó el proceso de
revisión de estilo del contenido didáctico e hizo aportes disciplinares, didácticos y
pedagógicos en el proceso de acreditación del material didáctico desarrollado en
el mes de Junio de 2010.

6


INTRODUCCIÓN

El modulo de procesos químicos esta desarrollado con el fin que el estudiante de
tecnología e ingeniería ambiental adquiera las habilidades necesarias para poder
identificar las diferentes operaciones unitarias y los equipos necesarios para un
proceso productivo en una empresa industrial, además se pretende en la primera
unidad dar las herramientas para conceptualizar un proceso químico, las
definiciones básicas con todos los elementos para obtener las cantidades
necesarias en materiales y requerimientos energéticos con los cálculos de los
balances de calor y energía, igualmente que lograr conocer los costos necesarios
para el montaje de un proceso productivo, adicionalmente de mirar las
operaciones unitarias con fluidos y sus características.

En la segunda unidad se estudiaran cuatro temáticas esenciales en los procesos
químicos que se pueden ver en la ingeniería industrial como son las operaciones
con sólidos y sus equipos, especificación de los fenómenos de transferencia de
calor y masa, los fenómenos de la petroquímica tan necesaria en nuestra vida
cotidiana actual y por último el análisis financiero básico para lograr determinar la
viabilidad de un proceso productivo.

Todo lo anterior para acercarnos a los curso de diseño y aplicar los cursos de
procesos, mediciones, dibujo técnico, componente financiero, etc. Con el fin de
lograr la integralidad de los cursos del programa.

7


UNIDAD 1

Nombre de la Unidad Conceptos Básicos y Operaciones con
Fluidos
Introducción
Justificación
Intencionalidades Formativas Los propósitos, los objetivos, las metas a
lograr y las competencias de aprendizaje
Denominación de capítulo 1 Generalidades – Operaciones Unitarias
Denominación de Lección 1 Clasificación de las operaciones unitarias

Denominación de Lección 2
Denominación de capítulo 2

8


UNIDAD 2

Nombre de la Unidad
Introducción
Justificación
Intencionalidades Formativas

9


UNIDAD 1. Conceptos Básicos y Operaciones con fluidos

Fuente:http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0378-18442005001100006&script=sci_arttext

INTRODUCCIÓN:

Esta unidad desarrollará, las bases necesarias y recopilación de información para
llevar a cabo el curso de procesos químicos, en la unidad se recordará las bases
de química general en el manejo de estequiometria y gases ideales.
En el siguiente capítulo empezará el estudiante a desarrollar el manejo de
operaciones unitarias para los fluidos, además de los tipos de equipos necesarios.
Por último se observará fundamentos de costos de producción y se estudiaran
algunas industrias que tiene manejo de fluidos.

OBJETIVO GENERAL:

Dar a conocer a los estudiantes una vista general de los procesos químicos que
manejen fluidos, sus características y los conceptos básicos que permitan manejar
el vocabulario necesario en el curso.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

- Conocer los conceptos básicos para las operaciones necesarias en los procesos
químicos.
- Desarrollar los manejos teóricos para los requerimientos de materiales en un
proceso químico.
- Diferenciar entre los diferentes diagramas de bloques, operaciones y de flujo
usados en procesos.
- Conocer las diferentes operaciones unitarias con fluidos en la industria.
10


- Observar algunos procesos químicos donde se operen fluidos.
- Recordar los fundamentos de costos de producción para el diseño de un proceso
químico en la industria en general.

COMPETENCIAS:

El estudiante después de estudiar la unidad deberá ser competente en los
balances de materia necesarios para la elaboración de un producto. También en
las condiciones de operación para el manejo de gases.
Diferenciar entre las diferentes clases de fluidos, las condiciones de trabajo y
requerimientos de manejo de los mismos y equipos para su operación. Determinar
los costos primos necesarios para el diseño y viabilidad de un proceso químico.

CAPITULO 1: GENERALIDADES

Fuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090002/docs_curso/pages/cap1/c1_4.htm

En este capítulo el estudiante desarrollará los temas concernientes a conocer un
proceso químico, una operación unitaria y el diseño básico de una operación
aplicando lo aprendido en química general, física general, parte del componente
financiero como son los costos y profundizar en los balances de materia en las
siguientes temáticas a desarrollar así:

- Definición de producto.

- Clasificación de las operaciones unitarias.

- Procesos fundamentales de transporte.

11


- Diseño básico de un proceso productivo.

Lección 1. Definición de proceso químico

Para llegar a definición de proceso primero debemos entender que en nuestro
entorno existe un flujo constante de materia y/o energía. La relación existente
entre el medio natural y la sociedad industrial implica la existencia de un flujo de
materia y energía entre ambos. Estas relaciones se pueden evidenciar observando
la relación existente entre esquemas que tienen la intervención del hombre y
aquellas que se dan por si solas para obtener un producto que beneficie a todos,
como se observa en la Figura 1.1.

Figura 1. Relación de procesos naturales y artificiales.
Fuente: http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00111.htm

Se distinguen dos tipos de procesos:

- procesos NATURALES: Aquellos que no tienen la intervención del hombre, como
pueden ser la función clorofílica, la acción de plantas y animales o la producción
orgánica de alimentos por agricultura.

- procesos ARTIFICIALES: Aquellos que tiene influencia del hombre y que dan
como resultado productos que generalmente no se encuentran en la naturaleza.
Estos últimos, los procesos artificiales, son los propiamente denominados
PROCESOS QUÍMICOS.

Por lo anterior se puede decir que para llegar a estos tipos de procesos, antes se
debe tener muy en cuenta los tipos de productos químicos que existen en la
industria como son aquellos que tienen un proceso sencillo, mientras otros
necesitan variedad de etapas para que el producto final tenga una aplicación
industrial y comercial; Entonces se definen las actividades básicas de la industria
química como primero la Extracción de materias primas o productos básicos,

12


segundo la preparación de intermedios y tercero y último los productos terminados
o finales.

Los productos químicos básicos: son aquellos que se emplean para la
manufactura de otros productos más complejos y como reactivos de otros
procesos de fabricación; estos son obtenidos a partir de materiales naturales, en
grandes cantidades por lo tanto a un costo bajo. Algunos ejemplos de estos son
los ácidos, las sales, los alcoholes, solventes, etc.

Los productos químicos intermedios: son productos básicos antes de pasar a ser
productos finales que deben tener transformaciones previas, estos no son de
utilidad directa a un consumidor final, por lo general, son para la misma planta de
proceso y son usados en la fabricación de varios productos finales. Algunos
ejemplos de estos son los fenoles que sirven para alguna variedad de solventes
especializados, el cloruro de vinilo que sirve para la fabricación de pinturas o fibras
plásticas.

Los productos químicos finales: son aquellos que tienen las características
específicas tanto físicas, como químicas solicitadas por los clientes o
consumidores, se procesan en menor cantidad que los dos anteriores y a un costo
mayor. Algunos ejemplos de estos son: Los aromas, las pinturas, los colorantes,
etc.

Según lo anterior el concepto general de proceso se refiere a una transformación
de una o más etapas una material en otro con una o más salidas.

PROCESO SALIDAS
ENTRADAS

Figura 2. Proceso químico básico

Las entradas es lo que generalmente se denominan las materias primas que se
encuentran en la naturaleza o vienen de un proceso anterior; Estos materiales
dependiendo de su disponibilidad (escasos o abundantes) determinan el costo de
los mismos. Entre algunos ejemplos tenemos el aire, el agua dulce y salada, los
minerales, la vegetación, el petróleo, el gas, etc.
Durante el proceso es donde se logra la transformación o cambio de estas
entradas, estos cambios pueden ser de tipo físico, químico o ambos, es aquí
donde se presentan las operaciones unitarias, definiendo los tipos de equipos a
emplear, los controles a determinar y las velocidades de transformación.

13


Las salidas es donde se tiene el producto terminado o intermedio según donde se
encuentre el proceso en la gran unidad productiva, es donde se miden las
calidades de lo obtenido y en donde a los materiales se les acumula el costo de
transformación como es la mano de obra y los indirectos de fabricación como son
los consumos energéticos, degaste de equipos, etc.
El concepto de proceso es aplicable a todo tipo de labor o desarrollo, por ejemplo
los procesos administrativos como expedir un pase de conducción que requieren
como entrada una serie de documentos y dentro del desarrollo general se incluyen
etapas o tramites que finalmente conducen a obtener como salida o producto final
el pase; otro ejemplo es la digestión que tiene como entrada los alimentos, como
etapas intermedias están la masticación , el transporte por el tracto digestivo, la
descomposición y asimilación los alimentos, para finalmente obtener como salidas
la energía, las excreciones y las secreciones.
Como se puede ver el concepto de proceso es ya conocido y manejado tal vez
hasta ahora con otros enfoques, en el caso particular que nos corresponde los
procesos químicos se pueden definir como el conjunto de operaciones químicas
y/o físicas ordenadas a la transformación de unas materias iniciales (alimentación
o materias primas) en productos finales diferentes llamados también materiales de
salida o productos, subproductos y coproductos. Un producto es diferente de otro
cuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiado
sus condiciones.
La figura 2. Representa a grandes rasgos los componentes elementales de un
proceso químico, pero estos tienen otras derivaciones como se puede apreciar a
continuación.

Figura 3. Proceso químico general.
Fuente: www.uc3m.es

14


Como se puede ver en la figura 3. Los tres pasos básicos se expanden
dependiendo de la complejidad del proceso y el producto a fabricar, esta se
observa que las entradas al proceso además de la materia prima se necesita
energía, y en las salidas se tienen no solo los productos, subproductos o
coproductos, se debe disponer de los desechos, los cuales se deben determinar y
evaluar su esquema de vertido. Y en el interior del proceso se involucran todos los
necesarios para el cambio del material al producto deseado.

Lección 2. Diseño de un producto químico

Para la elaboración de un producto o proceso químico es necesario conocer las
etapas que este debe cumplir antes de iniciar la producción y evitar pérdidas o
fracaso en el proyecto.

Figura 4. Etapas de diseño de un producto químico.
Fuente: www.uc3m.es

IDEA DE PRODUCTO: En esta fase se concibe la idea de acuerdo a las
necesidades analizadas previamente debido a que todo proceso químico industrial
surge por la necesidad de satisfacer una demanda existente, bien de un producto,
de un servicio o de una tecnología. El interés social y/o la rentabilidad económica
de satisfacer dicha demanda lleva a examinar los parámetros del proceso tanto a
escala de laboratorio como industrial, es necesario conocer los parámetros
cinéticos (k, orden de reacción,…), termodinámicos (ΔH, ΔG, Keq,…) y de
equipos para el mismo. Sin embargo los procesos industriales involucran otros
estudios complementarios como la preparación de las materias primas y
acondicionamiento de los productos obtenidos (pureza, tamaño de partícula,

15


estado de agregación,…), además del estudio de viabilidad económica de todo el
proceso.

Como se puede observar una reacción química a escala industrial tiene unos
condicionantes económicos importantes que la diferencian de la que se puede
realizar a escala laboratorio. Por lo cual en toda reacción química podemos decir
en general que los reactivos se transforman en productos, en un proceso industrial
tiene que darse que LOS REACTIVOS SE TRANSFORMAN EN PRODUCTOS Y
BENEFICIO ECONÓMICO, en caso de que no exista beneficio económico el
proceso INDUSTRIAL no se realiza.

Figura 5. Factores de influyen en un proceso.
Fuente: www.uc3m.es

Según lo mencionado anteriormente para el desarrollo de un proceso químico a
escala industrial habrá que tener en cuenta los factores físico-químicos,
económicos, medioambientales y sociales del mismo.

Los factores físico-químicos se concretan en la aplicación de las ciencias básicas
al diseño de las etapas físicas y químicas necesarias en el proceso productivo.
Desde las materias primas hasta la obtención del producto, existen una serie de
etapas, que son englobadas y estudiadas bajo la denominación de operaciones
básicas o unitarias. En aquellas etapas donde se realizan reacciones químicas
será necesario el estudio cinético de las mismas. Este estudio está encuadrado
en la disciplina denominada Ingeniería de la reacción química.

El principio fundamental en un sistema de economía de mercado es el factor de
rentabilidad económica, de forma que la rentabilidad de un proyecto nos indicará
la viabilidad del mismo. En el caso de la economía dirigida, por contra, serán
factores como el desarrollo regional o la necesidad de ocupar mano de obra, por

16


encima de la obtención de un mínimo costo o de plusvalías, los que motivarán el
desarrollo de un proyecto.

El factor medioambiental interviene en cuanto al cumplimiento de las normativas
existentes, así como en el aumento de la conciencia de respeto medioambiental
del consumidor. Estos dos aspectos cada vez influirán más en la selección del
propio proceso productivo y afectarán al costo del mismo.

Finalmente existen una serie de factores sociales también importantes a la hora de
diseñar una estrategia de producción como son: el empleo de mano de obra de
una serie de grupos sociales concretos, por criterios de edad, étnicos o religiosos,
origen regional de las materias primas, desarrollo de nuevas modas de consumo,
creación de empleo indirecto, sectores productivos a desarrollar, etc.

Resumiendo, el desarrollo de cualquier proceso químico implica:

Figura 6. Requerimientos de un proceso químico.
Fuente: www.uc3m.es
Que en todo proceso químico las ciencias básicas (química, física, biología,
matemáticas, etc.) nos permiten conocer los parámetros termodinámicos, cinéticos
y de movimiento que gobiernan el mismo, de manera que se puedan paramétrizar
y generar expresiones algebraicas para su cálculo. Este conocimiento nos permite
evaluar los fenómenos de transferencia de materia, calor y cantidad de
movimiento que van a gobernar el proceso.

Necesitamos utilizar otras disciplinas como la economía, diseño y control de
procesos para que el proceso propuesto sea no solo técnicamente viable, sino
también económicamente. Además hay que tener permanentemente presente los
temas de seguridad de operarios, usuarios y población en general, tanto durante la
construcción de la instalación como durante la explotación de la misma, transporte

17


y almacenamiento de materias primas y productos elaborados o semielaborados y
por supuesto durante el uso final de los mismos y en caso de accidente o
catástrofe.

Hay que tener presente el medio ambiente durante todas las etapas del proceso,
de manera que la huella medioambiental del proceso productivo sea la menor
posible. Este planteamiento incidirá tanto en la sostenibilidad medio ambiental,
como en la económica y social del proceso.

MERCADO. Es esencial en cada proceso químico y su proyección industrial, por
lo tanto se estudiará en la lección 3.

DESARROLLO EXPERIMENTAL Y PLANTA PILOTO. Esta etapa es la descrita
en el grueso del curso con las operaciones unitarias necesarias y sus equipos.

ESCALA INDUSTRIAL. Es la etapa más importante porque se desarrolla el
análisis financiero para determinar la viabilidad o no de la producción.

Lección 3. Como determinar cuánto se debe producir.

Fuente: http://www.emprendedoresunam.com.mx/articulos.php?id_art=264

Para resolver el titulo anterior se debe acudir a un instrumento básico para todo
productor o persona que se piense dedica a la producción y comercialización de
cualquier producto como es la investigación de mercados que se utiliza para
conocer:

La oferta (cuáles son las empresas o negocios similares y qué beneficios ofrecen)
y para conocer la demanda (quiénes son y qué quieren los consumidores). Para
resolver las siguientes inquietudes: cuáles son las necesidades insatisfechas del
mercado, cuál es el mercado potencial, qué buscan los consumidores, qué precios
están dispuestos a pagar, cuántos son los clientes que efectivamente comprarán,
por qué comprarán, qué otros productos o servicios similares compran
actualmente. Por lo cual debe buscarse información sobre la demanda que
responda estas preguntas, sustentando la propuesta de diseño de un producto o
proceso químico. Fuentes como revistas y diarios especializados, cámaras
empresariales, internet, consultores o personas que ya están en el mercado
pueden aportar información valiosa.

18


Lo anterior se puede conseguir un instrumento tipo encuesta, la que se aplicará
especialmente en el área de influencia de las personas involucradas en el
proyecto de producción de un producto químico, para tener definido el universo a
cubrir, cuanto es el mercado potencial y cuál es el objetivo de penetración inicial.

Adicionalmente el análisis Swot (Strengths, Weakneses, Oportunities, Threatens)
o Foda (Fortalezas, Oportunidades, Debilidades y Amenazas) es una herramienta
estratégica que se utiliza para conocer la situación presente del producto. Es una
estructura conceptual que identifica las amenazas y oportunidades que surgen del
ambiente, así como las fortalezas y debilidades internas del proyecto.

El propósito fundamental de este análisis es potenciar las fortalezas del proyecto
para:

Aprovechar oportunidades.
Contrarrestar amenazas.
Corregir debilidades.

Las amenazas y oportunidades se identifican en el exterior de la futura empresa,
en su contexto. Esto implica analizar:

Los principales competidores y la posición competitiva que ocupa la
empresa entre ellos.
Las tendencias del mercado.
El impacto de la globalización, los competidores internacionales que
ingresan al mercado local y las importaciones y exportaciones.
Los factores macroeconómicos sociales, gubernamentales, legales y
tecnológicos que afectan al sector.

Las fortalezas y debilidades se identifican en la estructura interna del proyecto.
Deben evaluarse:

Calidad y cantidad de los recursos con que cuenta la empresa.
Eficiencia e innovación en las acciones y los procedimientos.
Capacidad de satisfacer al cliente.

Preguntas guía.

¿Qué se conoce sobre la demanda?
¿Quiénes son los consumidores?
¿Qué buscan?
¿Cómo se van a satisfacer sus necesidades?
¿Cuántos son los consumidores potenciales?
¿Y cuántos los que realmente comprarán?

19


Si bien un producto químico es el resultado de una infinidad de variables, siempre
pueden identificarse algunos factores que, por el tipo de emprendimiento o por
características particulares del mercado, determinarán que el negocio funcione.
Según el tipo de proceso, algunos de los factores críticos de éxito son:

Ventas: define la cantidad de producción a desarrollar inicialmente, siendo
la base para los balances de materia y energía, conociendo con esto los
materiales necesarios para la producción.
Costo promedio de insumos: sirve para determinar el costo directo de
nuestro producto y en últimas determinar el precio de venta, logrando con
esto hacer un análisis financiero.
tasa de penetración: nos define cuanto se inicia a producir y hasta dónde
puede llegar la producción o crecimiento de la planta.
plazo de entrega: Nos define que tipo de producción se puede desarrollar,
ya sea por cochadas, semicontinuo o continúo.
Logística: nos determina como se puede entregar y diseñar trazabilidad del
proceso.
Imagen: nos da la presencia y retención en la mente de los posibles
clientes.

Todo lo anterior se logra con un buen diseño del plan de marketing que es la
instrumentación de la estrategia de marketing. Sólo tiene sentido si previamente
han sido definidos el posicionamiento (lugar de ubicación) de la empresa y el
target (tipo de producto a desarrollar) al que apunta.

Una vez explicitadas las decisiones estratégicas, el plan de marketing debe
producir respuestas convincentes a cuatro preguntas fundamentales:

Producto/servicio: ¿Cuáles son los beneficios que el producto generará
para los potenciales clientes?
Precio: ¿A qué precio se va a ofrecer el producto y cuánto influye el precio
en la decisión de compra de los potenciales clientes?
Distribución: ¿Cómo y en qué lugar se va a vender el producto?
Comunicación: ¿De qué manera se va a comunicar el producto de modo tal
que los clientes potenciales se enteren de su existencia y deseen
comprarlo?

Teniendo definido todo lo anterior como es la cantidad a producir, presentación del
producto al cliente, área de influencia, la logística de entrega, se puede proceder a
los diseños en detalle de los procesos químicos.

La investigación le ayuda a identificar oportunidades en el mercado; Por ejemplo,
si usted planea iniciar la fabricación de un producto químico en cierta localización
geográfica y descubre que en ese lugar existe poca competencia, entonces usted
ya identificó una oportunidad. Las oportunidades para el éxito aumentan si la

20


región en la que piensa hacer negocio está altamente poblada y los residentes
reúnen las características de su grupo seleccionado.

La investigación de mercado minimiza los riesgos; Si en lugar de identificar
oportunidades en el mercado, los resultados de la investigación le indican que no
debe seguir con el plan de acción, entonces es el momento de hacer ajustes. Por
ejemplo, si los hallazgos reflejan que el mercado está saturado con el tipo de
servicio o producto que planifica ofrecer, entonces usted sabe que tal vez sea
mejor moverse hacia otra localización.

La investigación de mercado identifica futuros problemas; A través de la
investigación puede descubrir, por ejemplo, que en el lugar donde quiere
establecer su negocio, el municipio planifica construir un paso a desnivel o una
ruta alterna con el propósito de aliviar la congestión de tránsito. ¡Usted ha
identificado un posible problema! La investigación de mercado le ayuda a evaluar
los resultados de sus esfuerzos; Con la investigación puede determinar si ha
logrado las metas y los objetivos que se propuso al iniciar la empresa.

Datos demográficos: Es información específica sobre una población. Incluye:
1. edad
2. sexo
3. ingreso aproximado
4. preparación académica
5. estado civil
6. composición familiar
7. nacionalidad
8. zona residencial
Los datos demográficos están basados en los hallazgos del censo nacional,
agencias de gobierno y firmas privadas que se dedican a recopilar este tipo de
información. Usted puede obtener esta información en la Cámara de Comercio, en
el periódico local, en el Departamento de Comercio o en una biblioteca local. Por
ejemplo, para el censo del 1990 en los EEUU se encontró que la mayor parte de la
población se encontraba entre los 50 y 65 años de edad. Estos datos fueron
aprovechados por algunas empresas para desarrollar productos y servicios para
atender las necesidades de esta población. Como consecuencia, en los últimos
años se registró un alza en las ventas de productos y servicios para la salud.
Datos psicológicos: Estos datos recopilan la información que se encuentra en la
mente del consumidor:
1. actitudes
2. estilos de vida
3. intereses
21


4. valores
5. cultura

Con la obtención de esta información podríamos:
1. determinar qué factores motivan al consumidor a comprar nuestro producto o
servicio
2. identificar cualquier predisposición por parte del consumidor por razones
culturales o ambientales.
3. conocer las preferencias del consumidor
OJO…La obtención de datos demográficos y psicológicos ahorra mucho tiempo y
dinero a la compañía. La información sirve para delinear el perfil de nuestro
cliente.
Métodos para investigar un mercado:
1. La Encuesta: En este método se diseña un cuestionario con preguntas que
examinan a una muestra con el fin de inferir conclusiones sobre la población.
Una muestra es un grupo considerable de personas que reúne ciertas
características de nuestro grupo objeto. Es recomendable que las preguntas de la
encuesta sean cerradas [preguntas con alternativas para escoger].
Éste es el método que más se utiliza para realizar investigaciones de mercado.
Otro factor importante es la secuencia en la cual las preguntas son presentadas.
Las preguntas iniciales deben ser sencillas e interesantes.
Las preguntas se deben tocar desde lo general hasta lo específico.
El cuestionario debe ser fácil de leer. Por ejemplo,
¿Cuál es el factor que más influye al momento que usted compra un carro nuevo?
__ Garantía
__ Precio
__ Servicio
__ Experiencia previa.

2.- La Entrevista: Una vez diseñado un cuestionario se procede a entrevistar a
personas consideradas líderes de opinión. Generalmente, los participantes
expresan información valiosa para nuestro producto o servicio.
Por ejemplo,* ideas para promoción* estrategias de ventas / mercadeo

3.- La Observación: Otra opción que tenemos para obtener información es a través
de la observación. Con simplemente observar la conducta de nuestro público
primario podemos inferir conclusiones. Un ejemplo sería observar cómo las
personas se comportan al momento de escoger un producto en el supermercado.

4.-Grupo Focal: Los grupos focales son parecidos al método de la entrevista, con
la diferencia de que la entrevista se realiza a un grupo en vez de a un individuo.
22


Para el grupo focal se selecciona entre 10 a 12 personas con características o
experiencias comunes.OJO…Es necesario tener un moderador para que
conduzca la entrevista.

EJEMPLO 1. Para producir bebidas refrescantes en el área de influencia de
Girardot, se debe conocer los gustos en bebidas de la ciudad como por ejemplo
limonada 60% y naranja 40%, la población media de la ciudad es de 200000
habitantes, de los cuales el 65% es adulto mayor de 18 años, su consumo es de
1.5 litros de bebidas refrescantes en promedio día, la presentación de consumo es
de 300 mililitros. Con esta información que solo se obtiene con la investigación del
mercado y una encuesta se puede definir que para penetrar en el 50% del
mercado o sea:

200000 * 0.65 = 130000 adulto en la ciudad, se desea cubrir el 50% o sea 65000
personas.

Estas 65000 personas consumen en total 97500 litros de bebidas refrescantes en
el día o sea que consumen:

9750000 mililitros/ 300 ml. = 325000 bolsas de 300 ml. En bebidas.

Esta es nuestra base de cálculo para las cantidades a producir de limonada y
naranja, además de las materias primas necesarias.
Al ejemplo le faltan los costos y precios de venta para desarrollar el esquema
financiero.

Lección 4. Operaciones Unitarias y Clasificación de las Operaciones
unitarias

Fuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090002/docs_curso/pages/cap1/c1_4.htm

En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos
biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en
que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para
23


obtener, los materiales finales o productos químicos o biológicos. Es posible
considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos,
y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas
operaciones unitarias. Por lo tano se pueden definir como cada una de las etapas
con una función específica que se lleva a cabo sistemáticamente en la industria
química: destilación, extracción, evaporización, etc.

Las operaciones unitarias tienen las siguientes características:
• Son esencialmente las mismas con independencia del proceso en el que
se apliquen.
• Permite estandarizar el diseño de equipos con el mismo fundamento para
procesos distintos.
• Técnica de cálculos similares.
• Estudian principalmente la transferencia y los cambios de energía, la
transferencia y los cambios de materiales que se llevan a cabo por medios
físicos, pero también por medios fisicoquímicos.

EJEMPLO 2.
1. La operación unitaria conocida como destilación se usa purificar o separar
alcohol en la industria de las bebidas y también para separar los hidrocarburos
en la industria del petróleo.
2. El secado de granos y otros alimentos es similar al secado de maderas.
3. La operación unitaria absorción se presenta en el oxigeno del aire en los
procesos de fermentación o en una planta de tratamiento de aguas, así como
en la absorción de hidrogeno gaseoso en un proceso de hidrogenación liquida
de aceites.
4. La evaporación de salmuera en la industria química es similar a la evaporación
de soluciones de azúcar en la industria alimenticia.
5. La sedimentación de sólidos en suspensiones en las industrias de tratamiento
de aguas y minería, es una operación similar.
6. El flujo de hidrocarburos líquidos en refinerías de petróleo y el flujo de leche en
una planta de productos lácteos se llevan a cabo de manera semejante.
A continuación se describen las operaciones unitarias más importantes y que
corresponden a aquellas que se pueden combinar en diversas secuencias en un
proceso.
1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte
de cualquier fluido de un punto a otro.

24


2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios
que gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un
lugar a otro.

3. Operaciones gas-líquido y líquido-vapor

Absorción-desorción: Consiste en la transferencia selectiva de uno o más
componentes de una mezcla gaseosa a un disolvente líquido de reducida
volatilidad o viceversa.

Destilación. Separación de los componentes de una mezcla liquida por medio
de la ebullición basadas en las diferencias de presión de vapor.

Rectificación: En la destilación el contacto se realiza entre una mezcla en fase
líquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullición del líquido pero que
no se encuentran inicialmente en el equilibrio, a consecuencia de ello, la fase
vapor se condesa parcialmente y la fase líquida se vaporiza también
parcialmente de modo que tras el contacto entre ambas el vapor se enriquece
en los componentes más volátiles de la mezcla y el líquido lo hace en los
menos volátiles.

25


TABLA 1. Operaciones básicas de separación

4. Operaciones de interacción aire-agua:

Humidificación y deshumidificación de aire y enfriamiento de agua: En
ellas el vapor de agua (equivalente al componente volátil pasa de una fase a
otra con el consiguiente efecto térmico del elevado calor latente de
vaporización/condensación.

Evaporación: Consiste en eliminar parte del disolvente de una disolución por
ebullición de ésta, separando el vapor generado. Así la disolución resulta
concentrada en el soluto no volátil. La diferencia con la destilación/rectificación
es que sólo hay un componente volátil.

5. Operaciones líquido-líquido:

Extracción: Se ponen en contacto dos mezclas líquidas inmiscibles con objeto
de transferir uno o varios componentes de una fase a otra.

26


6. Operaciones líquido-sólido:

Lixiviación: es una extracción líquido-sólido, es la separación de uno o varios
solutos contenidos en una fase sólida mediante su contacto con un disolvente
líquido que los disuelve selectivamente.

Adsorción: esta puede ser también gas-sólido. Uno o más componentes de
una mezcla gaseosa o líquida se adsorben preferentemente sobre la superficie
de un sólido, separándose así del resto de los componentes. A diferencia de la
absorción donde los componentes se incorporan a toda la masa del líquido
aquí los componentes se incorporan solamente a la superficie de la fase
receptora.

Intercambio iónico: Es similar a la adsorción pero lo que se transfiere del
líquido al sólido son especies iónicas en la fase líquida.

Cristalización: aquí se produce la transferencia de un soluto desde una
disolución a una fase sólida cristalina del mismo mediante un cambio en la
temperatura y/o en la concentración.

Secado: en el secado se separa un líquido volátil de un sólido no volátil por
vaporización.

Separación de membrana: Este proceso implica separar un soluto de un
fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la
barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido.

Separaciones físico-mecánicas: Implica la separación de sólidos, líquidos o
gases por medios mecánicos tales como filtración, sedimentación o reducción
de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias
individuales.

Muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos o
fundamentales comunes. Por ejemplo, el mecanismo de difusión o de
transferencia de masa se presenta en el secado, absorción, destilación y
cristalización. La transferencia de calor es común al secado, la destilación, la
evaporación, etc. Por lo tanto, es conveniente establecer la siguiente clasificación
más fundamental de los procesos de transporte o transferencia.

TIPOS DE OPERACIONES UNITARIAS.
Estos se clasifican de acuerdo a la forma de manejarse como son continuos,
semicontinuos y por cochadas o discontinuas.

27


Lección 5: Procesos fundamentales de transporte

Cualquier proceso físico o químico tiene por objeto modificar las condiciones de
una determinada cantidad de materia, para adecuarla a nuestros fines. Esta
modificación se provoca alterando los valores de las variables que definen al
sistema, dando lugar al transporte de alguna de las tres propiedades intensivas
que se conservan en las colisiones moleculares: la materia, la energía o la
cantidad de movimiento.

1. Transferencia de la materia. Se refiere a la que se presenta en los materiales
cuando pasa cierta cantidad de un espacio a ocupar otro espacio, disminuyendo
en uno y aumentando en otro, como en operaciones unitarias de adsorción, y
absorción.

28


2. Transferencia de Energía. En este proceso fundamental se considera como tal a
la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las
operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y
otras.

3. Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en los
materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos,
sedimentación y mezclado.

Momentum, palabra de origen latino, se ha conservado en idiomas modernos
para significar la cantidad de movimiento definido en la aplicación de la primera ley
de Newton. La primera ley de Newton postula “Todo cuerpo continua en su estado
de reposo, o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea impelido a
cambiar dicho estado por fuerzas que actúan sobre él”. Esta ley es también
conocida como ley de la inercia o ley del movimiento de Newton.

Uno de los efectos de una fuerza es modificar el estado de movimiento de un
cuerpo y ello se establece en el enunciado de la segunda ley de Newton “La
rapidez de cambio de momentum de un sistema es igual a la fuerza neta que
actúa sobre el sistema y ocurre en la dirección de la fuerza neta”
Matemáticamente la ley se escribe en la forma:

Ecuación 0.

Donde:
F: las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.
m: la masa del cuerpo.
v: velocidad
P: Momentum ó cantidad de movimiento.

El principio se aplica en el manejo de fluidos y de sólidos.

La variación de una de estas propiedades es provocada por la existencia de un
gradiente de la misma, es decir, de una variación a lo largo de una o más
dimensiones (ejes de coordenadas espaciales y tiempo):
-Si en una mezcla fluida multicomponente existe un gradiente en la composición
de alguno de ellos, existirá un transporte de materia.
- Si existe en un medio un gradiente de temperatura, se producirá un transporte de
energía.
-Si existe un gradiente de velocidades entre diferentes partes de un fluido, se
generará un transporte de cantidad de movimiento.

29


Figura 7. Fenómeno de transporte.
Fuente: www.uc3m.es
En definitiva, para que exista un proceso debe existir un gradiente de la magnitud
independiente. Este gradiente es la fuerza impulsora y el fenómeno de transporte
se realiza en el sentido de alcanzar el estado de mínima energía (equilibrio) en el
que las magnitudes independientes son constantes en todas las direcciones, es
decir el sistema sufre un cambio en el sentido contrario al gradiente.

El objetivo del estudio de los fenómenos de transporte es pues, determinar la
velocidad con que se alcanza el equilibrio (de composición, de energía y de
cantidad de movimiento) en el sistema.
Los fenómenos de transporte pueden estudiarse a nivel macroscópico,
microscópico o molecular.

TRANSPORTE A NIVEL MOLECULAR

La descripción molecular se caracteriza porque trata un sistema macro o
microscópico como si estuviese compuesto de entidades individuales infinitamente
pequeñas, cada una de las cuales sigue ciertas leyes. En consecuencia, las
propiedades y las variables de estado del sistema se obtienen como suma de las
de todas las entidades que constituyen el sistema. La mecánica cuántica y la
mecánica estadística son métodos típicos de análisis molecular de las
propiedades de los sistemas, sin embargo, la complejidad de cálculo no hace
viable esta aproximación como método de cálculo de los fenómenos de transporte
en la mayor parte de los problemas, permitiendo al ingeniero utilizar estos
conceptos en el análisis y diseño.

TRANSPORTE A NIVEL MICROSCÓPICO

El transporte a nivel microscópico corresponde a un tratamiento fenomenológico
del problema y admite que el sistema puede considerarse como continuo,
obviándose las interacciones moleculares detalladas y planteando ecuaciones de
balance diferencial para materia, cantidad de movimiento y energía. Respondiendo
a la expresión general:

30


ΔFz=-δdπ/dz

Donde dπ/dz es la variación en la dirección z de la variable que gobierna el
transporte de la propiedad, δ es una variable característica de la resistencia que
pone el sistema al transporte de la propiedad en estudio, y ΔFz es el flujo de la
propiedad transportada.

•Ley de Newton de la viscosidad: En el caso de transporte de cantidad de
movimiento τZX es la fuerza que hay que ejercer para que se desplace una
porción de fluido con respecto al de sus inmediaciones, suponiendo régimen
laminar, η y ν son respectivamente la viscosidad y la viscosidad cinemática y vx la
velocidad cinemática.
•Ley de Fourier: El transporte de energía térmica se rige por la ley de Fourier
donde Qz es el flujo de calor K y α son la conductividad y difusibidad térmica
respectivamente y cp es la capacidad calorífica a presión constante.

•Ley de Fick: No habiendo agitación la transferencia de masa viene gobernada por
la ley de Fick donde Jiz es la densidad de flujo del componente “i” en la dirección
z, siendo Di el coeficiente de difusión de dicho componente y X1 su fracción molar.

Para procesos sin movimiento o con flujo laminar, el tratamiento a nivel
microscópico encuentra numerosas aplicaciones prácticas, aunque con frecuencia,
resulta excesivamente complicado. Para flujo turbulento y elevado grado de
mezcla no presenta mucha aplicación práctica y es necesario recurrir a otros
métodos de descripción.

TRANSPORTE MACROSCÓPICO

Figura 8. Transporte macroscópico.
Fuente: www.uc3m.es

31


El transporte macroscópico de una propiedad en un sistema es el cálculo de la
entrada (E), salida (S), acumulación (A), generación (G) y consumo (C) de dicha
propiedad en el sistema, el cual viene definido por unos límites físicos reales
(paredes exteriores del sistema) o conceptuales (limites imaginarios impuestos
para el cálculo). En cada sistema podemos aplicar al conjunto el principio de
conservación por el cual: LA SUMA DE ENERGÍA Y MATERIA SE CONSERVA
de manera que como puede haber entradas de reactivos, salida de productos y
subproductos, entrada y salida de inertes, refrigerantes, calefactores, etc. El
principio de conservación dice que:

Σ Entradas - Σ Salidas = Σ Consume + Σ Acumula - Σ Generación

TALLER.

1.- En su lugar de trabajo, residencia o estudio determine 5 ejemplos de procesos
naturales y artificiales.

2.- En su región de influencia, determine un producto químico de preferencia y
desarrolle una investigación de mercado donde determine las cantidades a
producir, la presentación que más gusta, los precios de venta y los posibles
competidores.

3.- Con una receta de cocina determine las operaciones unitarias que se alcanzan
a detectar y desarrolle el análisis para su proyección industrial.

32


CAPITULO 2: CONCEPTOS BASICOS

tubo venturi

Fuente:http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/venturi/index.html

Antes de empezar a estudiar los procesos lo que primero se debe hacer es revisar
los conceptos previos a manejar en este curso. Por lo cual el segundo capítulo
trata de manejar varios conceptos ya desarrollados en cursos previos, los cuales
son el sistema de unidades de medición, la ley de los gases ideales, las leyes de
conservación de la masa y al energía, y especialmente un repaso a los costos de
producción para ir teniendo a la par el componente financiero esencial para el
éxito de todo producto químico.

En el sistema de unidades de estudiará especialmente el sistema internacional
para estandarizar los procesos, Las leyes de gases, masa y energía para dar un
correcto manejo a los fluidos y más adelante a los sólidos. Por último el desarrollo
de costos para tener a la mano los balances de másicos y los costos directos
básicos para determinar el precio de venta de un producto químico.

Lección 6. El sistema SI de unidades y otros sistemas.

Fuente:www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/dinamic.

Los sistemas de medición son claves en el estudio de los procesos químicos ya
que estos permiten tener un control en el mismo y determinar eficiencia y
efectividades de las operaciones y procesos. Existen tres sistemas de unidades
fundamentales empleados actualmente en la ciencia y la ingeniería.

El primero y más importante es el sistema SI (Systeme International d‟unités),
cuyas tres unidades básicas son el metro (m), el kilogramo (kg) y el segundo (s).

Los otros son el sistema inglés: pie (ft) - libra (Ib) - segundo (s) o sistema pls (fps);
33


Y el sistema cgs donde las unidades básicas son el centímetro (cm) - gramo (g) -
segundo (s).

El sistema SI se adopto de manera oficial para usos en ingeniería y las ciencias,
aunque el sistema inglés y cgs todavía tienen bastante aceptación.

Muchos de los datos químicos y físicos, así como las ecuaciones empíricas, están
expresados en estos dos sistemas. Por tanto, el ingeniero no sólo debe conocer a
la perfección el sistema SI, sino además poseer cierto grado de familiarización con
los otros dos sistemas.

El sistema de unidades SI

Las unidades fundamentales del sistema SI son como sigue: la unidad de longitud
es el metro (m); la de tiempo es el segundo (s); la de masa es el kilogramo (kg); la
de temperatura es el Kelvin (K); y la de un elemento de materia es el kilogramo
mol (kg mol). Las unidades restantes se derivan de estas cantidades.

- La unidad de fuerza es el newton (N), que se define como: 1 newton(N) = 1
kg*m/s
- La unidad básica de trabajo, energía o calor es el newton-metro, o joule (J):
1 joule (J) = 1 newton * m (N . m) = 1 kg . m2/s.
- La potencia se mide en joule/s o watts (W): 1 joule/s (J/s) = 1 watt (W).
- La unidad de presión es el newton/m2 o Pascal (Pa): 1 newton/m2 (N/m2) =
1 Pascal (Pa). La presión en atmósferas (atm) no es una unidad estándar del
sistema SI, pero se usa en la etapa de transición.
- La aceleración de la gravedad se define como: 1 g = 9.80665 m/s2.
- Las temperaturas se definen en Kelvins (oK), como unidad estándar del sistema
SI. Sin embargo, en la práctica se usa mucho la escala Celsius (ºC) que se define
como:
T °C = T (oK) - 273.15
Nótese que 1 °C = 1oK cuando se trata de diferencias de temperatura:
ΔT ºC = ΔToK

- La unidad estándar de tiempo preferible es el segundo (s), pero también puede
expresarse en unidades no decimales de minutos (min), horas (h) o días (d).

- Algunos de los prefijos para múltiplos de las unidades básicas son:
Giga (G) = 109, Mega (M) = 106, kilo (k) =103, centi (c) = 10-2, mili (m) = 10-3, micro
(μ) = 10-6 y nano (n) = 10-9.

El sistema de unidades cgs

El sistema cgs se relaciona con el sistema SI como sigue:
- 1 g masa (g) = 1 x 10-3 kg masa (kg)

34


- 1 cm = 1 x 10-2 m
- 1 dina = 1 g * cms = 1 x 10-5 newton (N)
- 1 erg = 1 dina* cm = 1 x lO-7 joule (J).
- La aceleración estándar de la gravedad es g = 980.665 cm/s2

El sistema inglés de unidades

La equivalencia entre el sistema inglés y el SI es como sigue:

- 1 lb masa (lbm) = 0.45359 kg
- 1 pie = 0.30480 m
- 1 lb fuerza (lbf) = 4.4482 newtons (N)
- 1 pie. lbf = 1.35582 newton*m (N*m) = 1.35582 joules (J)
- 1 lbf/pulg2 abs = 6.89476 x 103 newton/m2 (N/m2)
- 1.8 °F = 1o K = 1 °C (centígrado o Celsius)
- El factor de proporcionalidad para la ley de Newton es
gc = 32.174 pie . lbm / lbf * s2
- El factor g, en unidades SI y cgs es 1.0 y se omite.

En el curso se emplea el sistema SI como conjunto primario de unidades. Sin
embargo, las ecuaciones importantes que se desarrollan en el transcurso del
mismo se expresan en dos sistemas de unidades, SI e ingles, cuando las
ecuaciones difieren. Algunos problemas de ejemplo y de estudio también usan
unidades inglesas.

Ecuaciones dimensionalmente homogéneas y con unidades consistentes:
Una ecuación dimensionalmente homogénea es aquella en la cual todos los
términos tienen el mismo tipo de unidades. Estas unidades pueden ser las básicas
o derivadas (por ejemplo, kg/s2*m o Pa).

Esta clase de ecuaciones puede usarse con cualquier sistema de unidades
siempre y cuando se utilicen idénticas unidades básicas o derivadas en toda la
ecuación. (No se requieren factores de conversión cuando se emplean unidades
consistentes.)

Se debe ser cuidadoso en el uso de ecuaciones, comprobando siempre su
homogeneidad dimensional, lo puede hacer así:

1. Seleccionar un sistema de unidades (SI, inglés, etc.).
2. Incluir las unidades de cada término y se comprueba su equivalencia, luego de
cancelar las que sean iguales en cada término

Formas de expresar Temperaturas y Composiciones:

Temperatura: Existen dos escalas de temperatura comunes en las industrias

35


química y biológica; los grados Fahrenheit (ºF) y Celsius (°C). Es muy frecuente
que se necesite obtener valores equivalentes de una escala a la otra.
Las temperaturas también se expresan en grados K absolutos (sistema SI) o
grados Rankine (°R) en vez de °C o °F, generalmente el valor de -273.15 °C se
redondea a -273.2 °C y el de -459.7 °F a -460 °F.

Celsius Farenheit Rankine Kelvin
Agua en
100 212 671.7 373.15
Ebullición
Fusión del
0 32 491.7 273.15
Hielo
Cero
- 273.15 -459.7 0 0
Absoluto
Tabla 2. Escalas y equivalencias de temperatura.

Para convertir de una escala a otra pueden usarse las siguientes ecuaciones:

°F = 32 + 1.8*(°C)

ºC=(1/1.8)(ºF-32)
Ecuación 1.
°R = °F + 460
K = °C + 273.15
Ecuación 2.

Unidades molares y unidades de peso y masa:

Existen muchos métodos para expresar las composiciones de gases, líquidos y
sólidos; Uno de los más útiles es el de las unidades molares, pues las reacciones
químicas y las leyes de los gases resultan más simples al expresarlas en unidades
molares. Además son necesarias e indispensables en el desarrollo de los
balances másicos.

Recordando un mol de una sustancia pura se define como la cantidad de dicha
sustancia cuya masa es numéricamente igual a su peso molecular. De esta
manera, 1 kg mol de metano, CH4, contiene 16.04 kg. Igal a 1.0 lbmol de metano
contiene 16.04 lbm de CH4.

La fracción mol de una determinada sustancia es el número de moles de dicha
sustancia dividido entre el número total de moles. Igualmente, la fracción en peso
o en masa es la masa de la sustancia dividida entre la masa total. Estas dos

36


composiciones que se aplican por igual a gases, líquidos y sólidos, pueden
expresarse como sigue para el componente A de una mezcla:

XA (Fracción mol de A)= moles de A / moles totales
WA (fracción másica de A) = masa de A/ masa total
Ecuación 3.

EJEMPLO 3: Un recipiente contiene 50 g de agua (B) y 50 g de NaCl (A). Calcule
la fracción en peso y la fracción mol de NaCl. Calcule también el valor lbm para
NaCl (A) y H20 (B).

Solución:
Se debe tomar como base de cálculo: 50 g de agua + 50 g de NaCl ó en otras
palabras 100 g de solución, luego se determinan los siguientes datos:
masa Fracción Peso Moles o Fracción
Componente
(g) Peso Molecular Gramos-mol molar
H2O (A) 50 WA= 50/100=0.5 18.02 50/18.02=2.78 XA=2.78/3.63=0.77
NaCl (B) 50 WB=50/100=0.5 58.5 50/58.5=0.85 XB=0.85/3.63=0.23
Solución
100 WA+B=100/100=1.0 2.78+0.85=3.63 0.77+0.23= 1.00
Total

Como se puede observar, XA = 0.23 y XB= 0.77 y XA + XB = 0.23 + 0.77 = 1.00.
Además, WA + WB= 0.5 + 0.5= 1.00.
Para calcular lbm de cada componente, el factor de conversión es 453.6 g por 1
lbm, Usando esto,

Nótese que los gramos de A en el numerador se cancelan con los gramos de A en
el denominador, quedando lbm de A en el numerador. Siempre debe tomarse la
precaución de incluir todas las unidades de la ecuación y cancelar las que
aparezcan en el numerador y en el denominador.

Los análisis de sólidos y líquidos generalmente se expresan como fracción en
peso o en masa o porcentaje en peso, y los gases en porcentaje o fracción mol. A
menos que se indique lo contrario.

Unidades de concentración para líquidos:

En general, cuando un líquido se mezcla con otro en el que sea miscible, los
volúmenes no son aditivos. Por consiguiente, las composiciones de los líquidos no
suelen expresarse en porcentaje en volumen sino como porcentaje en peso o
molar. Otra forma conveniente de expresar las concentraciones de los
37


componentes de una solución es la molaridad, que se define como el número de
g mol de un componente por litro de solución; Otras formas de expresar las
concentraciones como son: kg/m3, g/l, g/cm3, lbmol/pie3, lbm/pie3 y lbm/galón.

Todas estas medidas de concentración dependen de la temperatura, por lo que es
necesario especificarla. La forma más común para expresar la concentración total
por unidad de volumen es la densidad, kg/m3, g/cm3 o lb,/pie3. Por ejemplo, la
densidad del agua a 277.2 K (4 ºC) es 1000 kg/m 3 o 62.43 lb,/pie3.

Algunas veces la densidad de una solución se expresa como densidad relativa
(peso específico), que se define como la densidad de la solución a una
temperatura específica, dividida entre la densidad de una sustancia de referencia
a esa temperatura. Si la sustancia de referencia es el agua a 277.2oK, la densidad
relativa (peso específico) y la densidad de una sustancia son numéricamente
iguales.

Lección 7: Leyes de los gases y presión de vapor

Fuente:thermo.sdsu.edu/.../exClosedProcessesP.html

Las características a estudiar en esta lección tiene que ver con las propiedades de
los fluidos ya se los compresibles como son los gases e incompresibles como son
los líquidos, lo cual les da un comportamiento diferente a cada uno, por lo tanto lo
inicial es recordar las definiciones como presión y la ley de gases ideales.

Presión: Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y
sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre
una superficie; Existen muchas formas para expresar la presión ejercida por un
fluido o un sistema.

La presión absoluta de 1.00 atm es equivalente a: 760 mm de Hg a 0ºC, 29.921
pulg de Hg, 0.760 m de Hg, 14.696 lb fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg 2 abs),
o 33.90 pies de agua a 4 ºC.

La presión manométrica es la presión por encima de la presión absoluta. De esta
manera, una presión manométrica de 21.5 lb por pulgada cuadrada (lb/pulg2) es
igual a 21.5 + 14.7 (redondeando) o 36.2 lb/pulg2 abs.

38


En unidades SI, 1 lb/pulg2 abs = 6.89476 x 103 pascales(Pa)= 6.89476 x 103
newtons/m2. Además, 1 atm = 1.01325 x 105 Pa.

En algunos casos, en especial cuando se trata de evaporación, puede expresarse
la presión como pulgadas de vacío de mercurio. Esto significa la presión en
pulgadas de mercurio medida “por debajo” de la presión barométrica absoluta. Por
ejemplo, una lectura de 25.4 pulg de vacío de Hg es 29.92 - 25.4, o 4.52 pulg de
Hg de presión absoluta.

Ley de los gases ideales: Un gas ideal se define como aquel que obedece a
leyes simples. Además, las moléculas gaseosas de un gas considerado como
ideal son esferas rígidas que no ocupan volumen por sí mismas y que no se
afectan mutuamente; Ningún gas real obedece estas leyes con exactitud, pero a
temperaturas y presiones normales de pocas atmósferas, la ley de los gases
ideales proporciona respuestas con bastante aproximación. Por consiguiente, esta
ley tiene una precisión suficiente para los cálculos de ingeniería.

La ley de los gases ideales de Boyle indica que el volumen de un gas es
directamente proporcional a la temperatura absoluta e inversamente proporcional
a la presión absoluta. Esto se expresa como:

pV = nRT

Ecuación 4.

Donde p es la presión absoluta en N/m2, V es el volumen del gas en m3, n es el
número de kg mol de gas, T es la temperatura absoluta en °K, y R es la constante
de la ley de los gases y tiene un valor de 8314.3 kg * m2/kg mol. s2. °K.

Cuando el volumen se expresa en pie3, n en lb mol y T en °R, el valor de R es
0.7302 pie3atm/lb mol T =°K; Para unidades cgs, V = cm3, T = °K, R = 82.057
cm3atm/g mol.°K y n = g mol.

Para comparar diferentes cantidades de gases, se deben tener estos en las
condiciones estándar o normales de temperatura y presión (abreviadas TPE o
CE) se definen arbitrariamente como 101.325 kPa (1.0 atm) abs y 273.15 °K (0
ºC). En estas condiciones, los volúmenes son:

Volumen de 1.0 kg mol (CE) = 22.414 m3
volumen de 1.0 g mol (CE) = 22.414 litros = 22 414 cm3
volumen de 1.0 lb mol (CE) = 359.05 pies3

EJEMPLO 4.Calcule el valor de la constante de la ley de los gases, R, cuando la
presión está en lb/pulg2 abs, las moles en lb moles, el volumen en pie3 y la
temperatura en °R. Repita para unidades SI.

39


Solución: En condiciones estándar, p = 14.7 lb/pulg2 abs, V = 359 pies3 y T =460
+ 32 = 492 °R (273.15 °K). Sustituyendo en la ecuación 1-3 n = 1 .0 lb mol y
despejando R,

De la ecuación 4 puede obtenerse una relación muy útil para n moles de gas en
condiciones P1, V1, T1 y para condiciones P2, V2, T2. Sustituyendo en la
ecuación 4 se obtiene:

Ecuación 5.

Mezclas de gases ideales: La ley de Dalton para mezclas de gases ideales
enuncia que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las
presiones parciales individuales:

P = PA + PB + PC +. . .

Ecuación 6.

Donde P es la presión total y PA, PB, PC,. . . son las presiones parciales de los
componentes A, B, C,. . . de la mezcla. Puesto que el número de moles de un
componente es proporcional a su presión parcial, la fracción mol de un
componente es

Ecuación 7.

La fracción volumen es igual a la fracción mol. Las mezclas de gases casi siempre
se expresan en términos de fracciones mol y no de fracciones en peso.

Presión de vapor y punto de ebullición de los líquidos: Cuando un líquido se
introduce en un recipiente cerrado, las moléculas de dicho líquido se evaporan en
el espacio por encima de él y lo llenan por completo. Después de un tiempo se
establece un equilibrio. Este vapor ejerce una presión al igual que un gas y a esta
presión se le puede llamar presión de vapor del líquido. El valor de la presión de
vapor es independiente de la cantidad de líquido en el recipiente siempre y cuando

40


haya algo de líquido presente. La presión de vapor de un líquido aumenta
notablemente al elevarse la temperatura.

EJEMPLO 5. Sí la presión de vapor a 50 °C es 12.333 kPa (92.5 1 mm de Hg). A
100 °C, la presión de vapor aumenta en alto grado a un valor de 101.325 kPa (760
mm de Hg).

El punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura a la cual la
presión de vapor del líquido es igual a la presión total. Por lo tanto, si la presión
atmosférica total es de 760 mm de Hg, el agua hierve a 100 ºC. En la cumbre de
una montaña alta, donde la presión es considerablemente más baja, el agua
hierve a temperaturas inferiores a 100 °C. La gráfica de la presión de vapor PA de
un líquido en función de la temperatura corresponde a la expresión:

Ecuación 8.

Donde m es la pendiente, b una constante para el líquido A y T la temperatura en
°K.

Lección 8: Conservación de masa y Balance de materia.

Fuente:http://edimae.blogspot.com/2007/06/fundamentos-de-ingeniera-i-balances-de.html

Conservación de la masa: Una de las leyes básicas de física es la ley de la
conservación de la masa. Esta ley, expresada en forma simple, enuncia que la
masa total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual a
la de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que
se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulación
Ecuación 9.

41


En la mayoría de los casos no se presenta acumulación de materiales en el
proceso, por lo que las entradas son iguales a las salidas. Expresado en otras
palabras, “lo que entra debe salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso en
estado estacionario.

Entradas = Salidas (estado estacionario)
Ecuación 10.

Balances de Materia

Fuente:www.estrucplan.com.mx/articulos/verarticulo.
Antes de aplicar la ley de conservación de la masa, se debe definir el esquema a
mostrar el proceso de las operaciones unitarias como es el diagrama de flujo del
proceso que es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se
realizan para obtener un cierto producto.
En el deben estar indicadas todas las entradas y salidas del sistema y de cada
una de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja la
información sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas.

Figura 9. Diagrama de flujo.
Fuente: www.uc3m.es
Estos diagramas sirven para proporcionar información clara, ordenada y concisa
sobre el proceso global y sus diversas partes en el desarrollo de los balances de
masa y energía.

42


Un balance de materia es un inventario entre la masa que entra en el sistema y la
que sale. En estado estacionario (no hay variación con el tiempo) se plantea un
sistema de ecuaciones algebraicas lineales, mientras que en estado no
estacionario se planteará un sistema de ecuaciones diferenciales de 1 er orden con
el tiempo.

Lo primero que hay que determinar son los límites del sistema sobre el que se va
a efectuar el balance, sean estos reales o conceptuales. El balance se efectuará
sobre toda la materia que entre y salga del sistema (balance global) o sobre
aquellos compuestos, grupos atómicos o átomos (balances parciales) que
participen en el sistema. Aquellas sustancias que permanezcan invariantes
durante el proceso (gases inertes, sólidos no reactivos, etc.), servirán para
relacionar las entradas y salidas del sistema.

El número de ecuaciones a plantear debe ser igual al de componentes a
determinar (variables independientes), en caso de que se puedan plantear más
ecuaciones estas serán combinación lineal de otras.

Balances simples de materia: En esta sección se estudiarán los balances
simples de materia (en peso o en masa) en diversos procesos en estado estable
sin que se verifique una reacción química. Se pueden usar unidades kg, lb, lbmol,
g, kg mol, etc., conviene recordar la necesidad de ser consistentes y no mezclar
varios tipos de unidades en los balances.

Cuando intervienen reacciones químicas en los balances, deben usarse unidades
de kg mol, pues las ecuaciones químicas relacionan moles reaccionantes. Para
resolver un problema de balance de materia es aconsejable proceder mediante
una serie de etapas definidas, tal como se explican a continuación:

1. Trace un diagrama simple del proceso. Este puede ser un diagrama de
bloques que muestre simplemente la corriente de entrada con una flecha
apuntando hacia dentro y la corriente de salida con una flecha apuntando hacia
fuera. Incluya en cada flecha (en este caso una flecha por cada entrada)
composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente. Todos
los datos pertinentes deben quedar incluidos en este diagrama.

Figura 10. Diagrama para caldera
Fuente: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1851-30182005000100003

43


2. Escriba las ecuaciones químicas involucradas (si las hay).

Figura 11. Ecuación química. Fuente: http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Materiayenergia.htm

3. Seleccione una base para el cálculo. Que es la magnitud a la que referimos
todos los cálculos de un balance de manera arbitraria. La base de cálculo elegida
no influye en el valor de las variables intensivas (no dependen de la masa) y si en
el de las extensivas (dependen de la masa de referencia), aunque sobre lo que
afecta de una manera radical es en la complejidad de los cálculos a realizar.

Para la selección de una base de cálculo no hay unas reglas exactas, aunque hay
ciertas recomendaciones empíricas que ayudan en su selección:
a.- Se seleccionará aquella magnitud de la corriente de entrada o de salida de la
que más datos conozcamos.
b.- En sistemas discontinuos utilizar la masa o volumen (si no son gases) de
alguno de los componentes o corrientes que entra o sale del sistema en cada
ciclo.
c.- En estado estacionario usar como base de cálculo la unidad temporal a la que
se refieran las corrientes de entrada o salida.
d.- Cien unidades de alguna de las materias de entrada o salida, preferentemente
de aquella que no sufra reacción química.

4. Proceda al balance de materia. Las flechas hacia dentro del proceso
significarán entradas y las que van hacia fuera, salidas. El balance puede ser un
balance total del material, como en la ecuación 10, o un balance de cada
componente presente (cuando no se verifican reacciones químicas).

Algunos de los procesos típicos en los que no hay una reacción química son:
Secado, Evaporación, Dilución de soluciones, Destilación, Extracción; Y pueden
manejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendo
posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas.

EJEMPLO 5. En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién
extraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a un
evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos
aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h; Calcular la cantidad de
las corrientes de jugo concentrado y agua de salida.

Solución: Siguiendo las cuatro etapas descritas, se traza un diagrama de flujo del
proceso (etapa 1)

44


Figura 15. Flujo ejemplo 5.

Note que la letra W representa la cantidad desconocida o incógnita de agua y C es
la cantidad de jugo concentrado.

No hay reacciones químicas (etapa 2).

Base: 1000 kg/h de jugo de entrada (etapa 3).

Para llevar a cabo los balances de materia (etapa 4), se procede a un balance
total de materia usando la ecuación 10.

1000 = W + C
Ecuación 11.

Esto produce una ecuación con dos incógnitas. Por lo tanto, se hace un balance
de componentes con base en el sólido:

Ecuación 12.

Obsérvese que el término de la izquierda cuantifica los sólidos que entran con el
jugo, el primer término de la derecha representa los sólidos que salen con el agua
evaporada, que obviamente son cero; el segundo término de la derecha
corresponde a los sólidos que salen con el jugo concentrado. Para resolver estas
ecuaciones, primero se despeja C en la ecuación 12 pues W desaparece. Se
obtiene C = 122.07 kg/h de jugo concentrado.

Sustituyendo el valor de C en la ecuación 11:

1000 = W + 122.1

Despejando se obtiene W=877.93 kg/h de agua evaporada.

Para comprobar los cálculos, puede escribirse un balance del componente agua.

45


Al resolver se verifica la igualdad. En este proceso solo intervino una operación,
muchas veces se presentan varias de ellas en serie, en cuyo caso puede llevarse
a cabo un balance por separado de cada proceso y un balance para la totalidad
del proceso general.

Balance de materia y recirculación: En algunas ocasiones se presentan casos
en los que hay una recirculación o retroalimentación de parte del producto a la
corriente de alimentación.

Figura 13. Recirculación.
Fuente: http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/00071.htm

Por ejemplo, en una planta de tratamiento de aguas, parte de los lodos activados
de un tanque de sedimentación se recirculan al tanque de aireación donde se trata
el líquido. En algunas operaciones de secado de alimentos, la humedad del aire
de entrada se controla recirculando parte del aire húmedo y caliente que sale del
secador. En las reacciones químicas, el material que no reaccionó en el reactor
puede separarse del producto final y volver a alimentarse al reactor.

EJEMPLO 6. En un proceso que produce KNO3, el evaporador se alimenta con
1000 kg/h de una solución que contiene 20% de KNO 3, de sólidos en peso y se
concentra a 422 °K para obtener una solución de KNO3 al 50% de sólidos en peso.
Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311°K, donde se obtienen cristales
de KNO3 al 96% de sólidos en peso. La solución saturada que contiene 37.5% de
KN03 de sólidos en peso se recircula al evaporador. Calcular la cantidad de
corriente de recirculación R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h.

Solución:

46


Figura 14. Ejemplo 6.

Como base del cálculo usaremos 1000 kg/h de alimentación original.
No se verifican reacciones químicas.

Podemos efectuar el balance global del proceso (marco azul de la figura14) para
el KN03 y obtener directamente el valor de P,

1000(0.2) = W (0) + P (0.96)
P = 208.3 kg cristales/h

Para calcular la corriente de recirculación, podemos llevar a cabo un balance con
respecto al evaporador o al cristalizador (marco rojo de la figura 14). Efectuando el
balance en el cristalizador sólo existen dos incógnitas, S y R y se obtiene que:

S = R + P ----- S = R+ 208.3
Ecuación 13.

Para el balance de KN03 en el cristalizador,

S(O.50) = R(0.375) + 208.3(0.96)
Ecuación 14.

Sustituyendo el valor de S de la ecuación 13 en la 14 y despejando:

R = 766.6 kg, recirculado/h y S = 974.9 kg/h.

Resumiendo se tiene el siguiente cuadro; Donde E= entrada, C=consumo,
A=Acumulación, G=generación y S=salidas.

47


Lección 9: Energía y Calor

fuente:clisampa.com/imagenes/ciclo.jpg

Antes de estudiar la conservación de la energía (Unidad 2.), se dará una mirada a
los conceptos básicos de energía y calor como son;

Unidades de Energía: es necesario inicialmente comprender los diversos tipos de
unidades para la energía y el calor.

En el sistema SI, la energía se expresa en joules (J) o kilojoules (kJ). La energía
también se expresa en Btu, abreviatura de “British thermal units” (unidades
térmicas inglesas) o en cal (calorías).

La caloría gramo (abreviada cal) se define como la cantidad de calor necesaria
para calentar 1.0 g de agua 1.0 °C (de 14.5 °C a 15.5 °C). Otra unidad es la
kilocaloría, 1 Kcal = 1000 cal.

El Btu se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar 1 °F la
temperatura de 1 lb de agua.

48


1 btu = 252.16 cal = 1.05506 kJ

Capacidad calorifica: Se define como la cantidad de calor necesaria para
aumentar la temperatura un grado de una unidad de masa de una sustancia, esta
masa puede expresarse para 1 g, 1 lb, 1 g mol, 1 kg mol o 1 lb mol.

Figura 15. Capacidad calorífica.

Por ejemplo, una capacidad calorífica expresada en unidades SI es J/kg mol°K: en
otras unidades es cal/g ° C, cal/g mol.°C, kcal/kg mol.°C, Btu/lbm.°F o
Btu/lbmol.ºF.

Se puede demostrar que el valor numérico de la capacidad calorífica es el mismo
en unidades de masa y unidades molares. Es decir,

1.0 cal/g.°C = 1.0 btu/lbm.°F
1.0 cal/g mol.ºC = 1.0 btu/lb mol.°F

Por ejemplo, para comprobar esto, supóngase que una sustancia tiene una
capacidad calorífica de 0.8 Btu/lbm.°F. La conversión se obtiene tomando 1.8 °F
por 1 °C o 1 K, 252.16 cal por 1 Btu y 453.6 g por 1 lbm, de la siguiente manera:

Las capacidades caloríficas de los gases (también conocidas como calores
específicos a presión constante, Cp, están en función de la temperatura y, para
cálculos de ingeniería puede suponerse que son „independientes de la presión
cuando se trata de pocas atmósferas. En la gran mayoría de los problemas de
ingeniería el interés radica en determinar la cantidad de calor que se requiere para
calentar un gas de una temperatura T 1 a otra T2. Puesto que el valor de Cp varía
con la temperatura, es necesario integrar o bien usar un valor promedio adecuado
de Cpm.

49


Existen datos experimentales de estos valores medios para una T 1 de 298°K o
25°C (77 ºF) y diversos valores de T 2 (como los que se muestran en la tabla 3) a
101.325 kPa de presión o menos, con el valor de Cpm expresado en kJ/kg mol°K,
a diferentes valores de T2 en °K o °C.

EJEMPLO 7: Una cierta cantidad de N2 gaseoso a 1 atm de presión se calienta en
un intercambiador de calor. Calcule la cantidad de calor necesario expresado en J,
para calentar 3.0 g mol de N2 en los siguientes intervalos de temperatura:

a) 298-673 K (25-400 °C)
b) 298-1123 K (25-850 °C)
c) 673-1123 K (400-850 °C)

Solución:

Para la parte a), la tabla 3 muestra los valores de Cpm a 1 atm de presión o
menos, que pueden usarse hasta varias atmósferas. Para N2 a 673 K, Cpm = 29.68
kJ/kg mol.K o 29.68 J/g mol.K. Ésta es la capacidad calorífica media para el
intervalo 298-673 K.

Ecuación 15
Sustituyendo los valores conocidos,

calor necesario = (3.0) (29.68) (673 - 298) = 33390 J

Para la parte b), el valor de Cpm a 1123 K (obtenido por interpolación lineal entre
1073 y 1173 K) es 31.00 J/g mol.K.

calor necesario = 3.0 (3 1.00) (1123 - 298) = 76725 J

Para la parte c), no existe capacidad de calor media para el intervalo 673-1123 K.
Sin embargo, se puede utilizar el calor requerido para calentar el gas de 298 a 673
K en la parte a) y restarlo de la parte b), lo cual incluye que el calor pase de 298 a
673 K, más 673 hasta 1123 K.

Calor necesario (673 - 1123 K) = calor necesario (298 - 1123 K)- calor necesario (298-673)
Ecuación 16

Sustituyendo los valores apropiados en la ecuación,

Calor necesario = 76725 - 33390 = 43335 J

Al calentar una mezcla gaseosa, el calor total requerido se determina calculando
primero el calor necesario para cada componente individual y sumando los
50


resultados. Las capacidades caloríficas de sólidos y líquidos también dependen de
la temperatura y son independientes de la presión.

3
.

Fuente: 0. A. Hougen, K. W. Watson y R. A. Ragatz. Chemical Process Principles Parte 1, 2a. ed., Nueva York, John Wiley
and Sons, Inc,. 1954.

EJEMPLO 8: En un intercambiador de calor se calienta leche entera de vaca
(4536 kg/h) de 4.4 °C a 54.4 °C, usando agua caliente. ¿Cuánto calor se necesita?

Solución: La capacidad calorífica de la leche entera de vaca se asimila al del
agua es 3.85 kJ/kg.K.
La elevación de la temperatura es ΔT = (54.4 - 4.4) °C = 50 K.

Calor necesario = (4536 kg/h) (3.85 kJ/kg . K) (1/3600 h/s) (50 K) = 242.5 kW

La entalpía, H, de una sustancia en J/kg representa la suma de la energía interna
más el término presión-volumen. Cuando no hay reacción y se trata de un proceso
a presión constante y un cambio de temperatura, la variación de calor que se
calcula con la ecuación 15 es la diferencia de entalpía, ΔH, de la sustancia, con
respecto a la temperatura dada o punto base. En otras unidades, H = btu/lb, o
cal/g.

Calor latente y tablas de vapor: Cuando una sustancia cambia de fase se
producen cambios de calor relativamente considerables a temperatura constante.
Por ejemplo, el hielo a 0 °C y 1 atm de presión puede absorber 6014.4 kJ/kg mol.
A este cambio de entalpía se le llama calor latente de fusión.

51


Cuando una fase líquida pasa a fase vapor con su presión de vapor a temperatura
constante, se debe agregar cierta cantidad de calor que recibe el nombre de calor
latente de vaporización.

Para el agua a 25 °C y una presión de 23.75 mm de Hg, el calor latente es 44 020
kJ/kg mol. Por consiguiente, el efecto de la presión puede despreciarse para
cálculos de ingeniería. Sin embargo, el efecto de la temperatura sobre el calor
latente del agua es bastante considerable; además, el efecto de la presión sobre la
capacidad calorífica del agua líquida es pequeño y puede despreciarse.

EJEMPLO 9: Determine los cambios de entalpía (esto es, las cantidades de calor
que deben añadirse) en cada uno de los siguientes casos en unidades SI y del
sistema inglés.

a) Calentamiento de 1 kg (lb,) de agua: de 21.11 °C (70 °F) a 60 °C (140 °F) a
101.325 kPa (1 atm) de presión.
b) Calentamiento de 1 kg (lb,) de agua: 21.11 °C (70 ºF) a 115.6 °C (240 ºF) y
vaporización a 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs).
c) Vaporización de 1 kg (lb,) de agua a 115.6 °C (240 °F) y 172.2 kPa (24.97
lb/pulg2 abs).

Solución:
En la parte a), el efecto de la presión sobre la entalpía del agua líquida es
despreciable. De tablas de vapor del agua
A 21.11 °C = 88.60 kJ/kg o a 70 ° F = 38.09 btu/lb,
A 60 °C = 251.13 kJ/kg o a 140 °F = 107.96 btu/lb,

El cambio de H = ΔH = 251.13 - 88.60 = 162.53 kJ/kg = 107.96 - 38.09 = 69.87
btu/lb,

En la parte b), de las tablas de vapor se encuentra que la entalpía a 115.6 °C (240
ºF) y 172.2 kPa (24.97 lb/pulg2 abs) de vapor saturado es 2699.9 kJ/kg o 1160.7
btu/lb,

El cambio de H = ΔH = 2699.9 - 88.60 = 2611.3 kJ/kg= 1160.7 - 38.09 = 1122.6
btu/lb

El calor latente del agua a 115.6 °C (240 °F) en la parte c) es 2699.9 - 484.9 =
2215.0 kJ/kg=1160.7 - 208.44 = 952.26 btu/lb.

Lección 10. Fundamentos de costos de producción

Para tener éxito con un producto industrial se debe desarrollar siempre la
estructura financiera por esto es muy importante definir y calcular el presupuesto
de producción, el cual, va desde la adquisición de la materia prima hasta la
transformación de la misma, con la utilización de los recursos técnicos,
52


tecnológicos y humanos que sean para la obtención de un producto útil. Esta
actividad termina con el almacenamiento de estos productos.

El Presupuesto de producción planea las siguientes actividades:
1.- Cantidad de unidades a producir de cada tipo de producto de materiales, mano
de obra y CIF necesarios para su elaboración. Estos están basados en los
balances de masa, la distribución de planta, los balances energéticos y
determinación de equipos auxiliares.
2.- El Presupuesto de producción es una estimación, con objetivos definidos, de la
cantidad de bienes a ser fabricados durante el periodo que abarca el presupuesto.
Para lo cual es necesaria la investigación de mercado.

3.- El presupuesto de producción es la base principal para la planeación de
necesidades de materias primas, necesidades de mano de obra, necesidades de
efectivo y costos de fabricación.
Un plan de producción debe contener:
1. Las necesidades totales de producción por producto.
2. Las políticas de inventarios de producción y productos en proceso.
3. La capacidad de la planta en funcionamiento y los límites de desviaciones
permisibles.
4. Políticas de expansión o contratación de la capacidad de la Planta.
5. Las compras de materias primas, su política de inventarios y disponibilidad de
MO.
6. El efecto de la duración del tiempo de procesamiento.
7. Los lotes económicos.
8. La programación de la producción a través del periodo de presupuesto.

Política de inventarios: Consiste en determinar el nivel de existencias
económicamente más convenientes para las empresas. Para llegar a establecer
una buena política de inventarios, se debe considerar los siguientes factores:

1. Las cantidades necesarias para satisfacer las necesidades de ventas.
2. La naturaleza perecedera de los artículos
3. La duración del periodo de producción.
4. La capacidad de almacenamiento
5. La suficiencia de capital de trabajo para financiar el inventario
6. Los costos de mantener el inventario
7. La protección contra la escasez de materias primas y mano de obra
8. La protección contra aumento de precios.
9. Los riesgos incluidos en inventario=> Bajas de precios.=> Obsolescencia de las
existencias.=> Pérdida por accidentes y robos=> Falta de demanda.

53

332569 procesos quimicos_2010

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a 332569 procesos quimicos_2010

Similar a 332569 procesos quimicos_2010 (20)

Último

Último (20)

332569 procesos quimicos_2010