Principios Esenciales de Procesos Industriales y Fenómenos Físico-Químicos
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Introducción a los Procesos Industriales
Un proceso industrial es la transformación controlada de materia prima para la obtención de productos determinados. Las corrientes de entrada son los insumos o materia prima, y las corrientes de salida son los productos deseados.
Si no existen flujos de entrada y salida, se habla de un sistema cerrado o aislado. Si, por el contrario, hay corrientes de entrada y salida, hablamos de un sistema abierto. Un sistema corresponde a cualquier porción determinada o total de un proceso.
Clasificación de los Procesos
Según la variación en el tiempo:
- Un proceso en estado estacionario es aquel donde las variables no cambian con el tiempo; todas las variables tienen el mismo valor en el tiempo.
- Un proceso transiente es aquel donde las variables de proceso cambian con el tiempo de forma regular.
Según la forma de operación:
- Un proceso continuo es aquel donde las corrientes de alimentación y producto del proceso entran y salen del sistema de forma constante.
- Un proceso batch (o por lotes) es aquel donde las corrientes de alimentación se introducen solo al inicio del proceso. El material alimentado es procesado a través de varias etapas y el producto final es retirado en un tiempo específico. Los pasos típicos son:
- Alimentación o carga al sistema.
- Comienzo del proceso.
- Monitoreo de variables, sin entrada ni salida de materia.
- Retiro del producto en condiciones fijas.
- El proceso semibatch es una combinación de los anteriores.
Fenómenos de Transferencia y Estados de la Materia
La destilación es un fenómeno de transferencia de masa de la fase líquida a la gaseosa.
Estados de la Materia y Cambios de Fase:
- Fusión: Paso de estado sólido a líquido.
- Solidificación: Paso de estado líquido a sólido.
- Vaporización: Paso de estado líquido a gaseoso.
- Condensación: Paso de estado gaseoso a líquido.
- Sublimación inversa (o deposición): Paso de estado gaseoso a sólido.
- Sublimación: Paso de estado sólido a gaseoso.
Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Calor
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas y átomos de un cuerpo.
El calor sensible es la energía calorífica que, aplicada a una sustancia, aumenta su temperatura sin cambiar su estado físico.
El calor latente es la energía absorbida o liberada por las sustancias al cambiar de estado físico a temperatura constante.
El calor latente de vaporización es la cantidad de energía necesaria para transformar un gramo de líquido a su fase gaseosa a temperatura y presión constantes.
Las expresiones para el calor sensible son: Qs = m · Cp · (T2 – T1) para calor específico a presión constante, y Qs = m · Cv · (T2 – T1) para calor específico a volumen constante.
La capacidad calorífica es la razón entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura correspondiente.
La evaporación es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, generalmente a una temperatura por debajo de su punto de ebullición.
La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso de forma tumultuosa, con formación de burbujas, a una temperatura específica.
El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido.
El calor se puede definir como la energía cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia, y que se transfiere de un cuerpo a otro como un flujo de energía, en virtud de la diferencia de temperatura entre dichos objetos.
Gases Ideales y Reales
Un gas ideal es una relación teórica que describe el comportamiento de un gas hipotético constituido por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas, y con choques elásticos que conservan el momento y la energía cinética de las partículas. Esta relación teórica vincula la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de un gas.
Un gas real se puede modelar como ideal a bajas presiones y altas temperaturas.
La ecuación de estado del gas ideal es: PV = nRT.
Operaciones Unitarias
Una operación unitaria consiste en el estudio de los procesos industriales de forma parcializada, donde muchos procesos individuales son comunes a diversas industrias.
La desorción corresponde a la extracción de un componente de una mezcla líquida mediante un flujo de gas.
Concepto Adicional
La ventosa: Al presionar la ventosa, expulsamos el aire que tiene dentro, creando un pequeño vacío en su interior. Por este motivo, el aire exterior presiona la ventosa contra la pared o cristal, evitando que se caiga.