FUNDAMENTOS DE PROCESOS INDUSTRIALES

FUNDAMENTOS DE PROCESOS INDUSTRIALES

WILLIAM ANDRÉS OCAMPO DUQUE

INGENIERO QUÍMICO, MSc.

SANTIAGO DE CALI

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

2002

Introducción

Este documento pretende centralizar los conceptos básicos planteados en el curso de Procesos y Equipos dictado a los Estudiantes de la carrera de Ingeniería Industrial, materia que es abordada luego del curso de Termodinámica.

Procesos y Equipos está dividida de acuerdo a tres grandes áreas de la ingeniería, a saber la mecánica de fluidos, los balances de materia y energía y la transferencia de calor. Cada una de estas áreas es por sí misma al menos una materia semestral en los planes de estudio de ingeniería mecánica o química; por tal razón tienen una amplísima bibliografía y un nivel de profundización considerable.

Como el propósito de la materia para el plan de estudios de Ingeniería Industrial es impartir los conceptos fundamentales sobre la ingeniería de los procesos industriales, se hace necesario condensar la información encontrada en la literatura, con la idea de manejar un único texto para el curso, pues de otra manera su objetivo puede dispersarse en los textos dedicados exclusivamente a cada área. Así, siguiendo esta carta de navegación, el estudiante puede revisar otros textos y aprovecharlos mejor.

El capítulo 1 presenta los conceptos básicos de la industria de procesos, su clasificación, su entorno económico y su impacto ambiental. Se hace especial énfasis en el papel de la ingeniería en el control de la contaminación del ambiente. También se muestran las principales operaciones unitarias de los procesos y la forma de representar procesos esquemáticamente.

El capítulo 2 explora las variables de proceso, haciendo hincapié en el uso del sistema internacional de unidades y en la importancia del análisis dimensional. El capítulo 3 expone los conceptos básicos de la mecánica de fluidos: la ecuación hidrostática, la ecuación de Bernoulli, la ecuación de energía aplicada en fluidos y los métodos de calcular pérdidas en tuberías y accesorios.

El capítulo 4 es una descripción de los balances de materia en procesos industriales. Se hace énfasis sólo en las transformaciones físicas. En el capítulo 5 se presenta la forma general de los balances de energía y sus aplicaciones en equipos de transformaciones físicas; también se presenta brevemente un punto de vista global de la problemática mundial actual de la energía y los efectos ambientales involucrados.

En el capítulo 6 se realiza un estudio detallado de operaciones de humidificación y secado, que involucra los conceptos de los dos capítulos anteriores. Se estudian estos fenómenos, enfatizando en los procesos de acondicionamiento de aire, ya que son de uso común en la industria y en la vida cotidiana.

El capítulo 7 expone los aspectos básicos de la transferencia de calor, mostrando el uso de las leyes de conducción, convección y radiación aplicada a equipos de proceso.

Finalmente, en el capítulo 8 se exponen algunos conceptos teóricos acerca del comportamiento de los materiales sólidos en la industria, pues a lo largo del curso se encuentran ejemplos que manejan las fases fluidas (líquida y gaseosa) principalmente; con esto se logra abarcar un conocimiento general de los principales estados macroscópicos de la materia.

Deseo que encuentren agradable la lectura de este documento y que sirva de eficaz ayuda en el estudio de estas emocionantes áreas de la tecnología, las cuales han sido y siguen siendo de mucha utilidad en el mejoramiento de la calidad de vida de todos. Bienvenidos.

1 Conceptos Generales

1.1 Lo que hacen los ingenieros de procesos.

Alguien dijo una vez: “Los científicos hacen que se conozcan las cosas; los ingenieros hacen que las cosas funcionen”. Este axioma está bien ilustrado por el afortunado descubrimiento accidental y el tortuoso desarrollo del teflón. En los primeros meses de 1928, Anthony Benning, jefe de grupo, Roy Plunckett, químico y Jack Rebok, técnico de laboratorio, llevaban a cabo una investigación sobre refrigerantes a base de freón en el laboratorio duPont Jackson, en New Jersey. Al Dr. Plunckett se le había asignado producir una nueva composición basada en el tetrafluoroetileno (TFE). De acuerdo con la historia, el Dr. Plunckett había preparado varios cilindros llenos de gas y los había almacenado en hielo seco. En la mañana del 6 de Abril de 1938, Rebok notó que no había presión en uno de los cilindros, lo cual indicaba que estaba vacío. Sin embargo, pesaba lo mismo que cuando estaba casi lleno. Plunckett y Rebok quitaron la válvula del cilindro y lo inclinaron. Salió de él algo de polvo blanco.

Decidieron cortar el cilindro, pero primero consultaron con Benning, a quien le desagradaba que se malgastaran los activos de la corporación. Encontraron más material sólido dentro del cilindro. Plunckett se dio cuenta de que se había efectuado una polimerización espontánea del gas, creándose un nuevo material. Benning sugirió tratar de disolverlo, pero ninguno de los disolventes conocidos lo afectó, a estas pruebas siguieron otras que revelaron propiedades más extrañas de este nuevo material.

El desarrollo comercial del politetrafluoroetileno (PTFE), tan espectacularmente hecho por accidente en el laboratorio, estuvo lleno de obstáculos de ingeniería. El proceso de producción del monómero TFE en sí se desarrolló en forma deficiente, dando como resultado una mezcla compleja de compuestos tóxicos y potencialmente explosivos. La uniformidad y la calidad del producto polimerizado fueron difíciles de lograr. La dificultad para fundirlo y su alta temperatura de descomposición aún cuando eran las ventajas superiores del producto, crearon graves problemas de producción que necesitaron técnicas de fabricación metalúrgica ajenas a la tecnología de los plásticos.

Según lo registró el Dr. Plunckett: “los costos de manufactura eran terribles”. Sin embargo, con el comienzo de la segunda guerra mundial, la singular resistencia química y la fuerza dieléctrica del PTFE, junto con otras propiedades superiores, crearon demandas urgentes del mismo para el proyecto Manhattan y la industria de la defensa.

La producción de la planta piloto comenzó en 1943. La producción a escala comercial no ocurrió sino hasta 1948, o sea 10 años después de su descubrimiento en el laboratorio. Cuando se le preguntó acerca del papel de los ingenieros en este drama, el Dr. Plunckett escribió: Estaban íntima y extensamente involucrados en el desarrollo de la planta piloto… en cada fase del diseño del proceso… desarrollando técnicas para separar, purificar, almacenar y manejar el TFE… desarrollando procedimientos de seguridad para prevenir accidentes al personal y al equipo...

Según lo muestra esta anécdota, la transformación de procedimientos exploratorios o de investigación a pequeña escala en procesos comerciales a gran escala es una responsabilidad importante y de reto para el ingeniero. La definición del material y los balances de energía, el cálculo de las caídas de presión, los gastos en los sistemas de tubería, la determinación del tamaño de las bombas, la identificación de las áreas de transferencia de calor, el cálculo del tamaño de los equipos, la determinación del tamaño y tipo de reactores, son pasos en la definición de un proceso comercial.

Si considera el futuro, un estudiante podría preguntarse “¿por qué debo tomar un curso de procesos? yo deseo estar en ventas… en finanzas... en mercadeo… en la gerencia” quienes tienen más experiencia contestarían que aún el personal de ventas, para que sea eficiente, debe entender los procesos que generan sus productos. Deben conocer el costo y las limitaciones de capacidad más las variaciones que puedan anticipar la calidad del producto. El ingeniero de operación debe saber hacia dónde están enfocados los costos importantes del proceso, qué partes del equipo son las más importantes para lograr capacidad y calidad, y qué áreas de problemas justifican mayor atención. Los supervisores, en especial, deben tener un conocimiento básico de la planta si desean manejarla con eficiencia.

El investigador eficiente, en particular se encamina conscientemente o de alguna manera hacia los caminos que prometen una recompensa práctica o comercial. Un ingeniero que trabaje en investigación frecuentemente debe diseñar sus propios equipos y generalmente mostrar resultados en un año para justificar la continuación del proyecto de investigación. Se puede desperdiciar una cantidad considerable de tiempo valioso de investigación debido a errores en el diseño de los aparatos. Hay muchos factores impredecibles en un proyecto de investigación que no pueden quedarse detenidos debido a errores de diseño. Probablemente algunos de los desengaños en la productividad de la investigación puedan ser provocados por un mal diseño de los equipos. De cualquier modo, la única manera en que un ingeniero investigador puede aumentar su productividad es convirtiéndose en un diseñador hábil de equipo. Generalmente se descuida la importancia del diseño de procesos y equipos en la investigación y desarrollo.

1.2 Procesos químicos.

Los procesos químicos transforman

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