VARIABLES DE LOS PROCESOS

PROCESOS Y VARIABLES DE LOS PROCESOS

Un proceso es cualquier operación o serie de operaciones que produce un cambio físico o químico en una sustancia o en una mezcla de sustancias. La sustancia o sustancias que entran en un proceso se conocen como entrada o alimentación y aquellas que salen de é1 se llaman salida o producto.

Una unidad de proceso es un aparato o equipo donde se lleva a cabo una de las operaciones que constituyen el proceso. Cada unidad del proceso está asociada con un conjunto de flujos o corrientes del proceso de entrada y salida, que constituyen las sustancias que entran y salen de cada unidad. En la Figura 1.a) puede observarse un esquema del proceso para obtener monoclorodecano (producto principal) y diclorodecano (producto secundario) a partir de cloro y decano (entradas o alimentaciones).

Se pueden diseñar unidades del proceso individuales (como reactores, columnas de destilación, intercambiadores de calor), puede supervisar la operación de un proceso, o bien modificar un diseño para efectuar un cambio en las características de la alimentación o del producto deseado. Como regla general, para hacer cualquiera de estas cosas, necesita conocer las cantidades, composiciones y condiciones de las sustancias que entran y salen de cada unidad del proceso.

MASA Y VOLUMEN
La densidad de una sustancia es la masa por unidad de volumen de la misma. Las unidades en que puede ser expresada son: kg/m3, g/cm3, lbm/ft3, etc. Del mismo modo, el volumen específico de una sustancia es el volumen por unidad de masa de la misma (m3/kg, ft3/lbm etc.) y es, por lo tanto, la inversa de la densidad. Las densidades de los sólidos y líquidos puros son relativamente independientes de la temperatura y la presión, y pueden encontrarse en la bibliografía clásica (como el R. H. Perry y D. W. Green, Eds., Perry's Chemical Engineers' Handbook, sexta edici6n, Mc- Graw Hill, Nueva York, 1984. pp. 3-6 a 3-44

La densidad de una sustancia puede utilizarse como un factor de conversión para relacionar la masa y el volumen de una cantidad de esa sustancia.

El peso específico de una sustancia es el cociente entre la densidad ρ de la misma y la densidad de una sustancia de referencia ρref en determinadas condiciones:
La sustancia de referencia más frecuentemente utilizada para sólidos y líquidos es el agua a 4.0°C, que tiene la siguiente densidad:

De este modo, la densidad de un líquido o de un sólido en g/cm3 es numéricamente igual al peso específico de esa sustancia. La notación significa que el peso específico de una sustancia a 20°C con respecto al agua a 4°C es 0.6.

De este modo, si posee el peso específico de una sustancia, multiplicándola por la densidad de la sustancia de referencia en cualquiera de sus unidades se obtiene la densidad de la sustancia en las mismas unidades.
Nota: Las unidades especiales de densidad conocidas como grados Baume (°Be), grados API (ºAPI) y grados Twaddell (ºTw) se utilizan ocasionalmente, en particular en la industria del petróleo. Las definiciones y los factores de conversión para estas unidades se proporcionan en la pagina 1-19 del Perry's Chemical Engineer's Handbook.

VELOCIDAD DE FLUJO
Velocidad de flujo másico y volumétrico Los procesos continuos involucran el movimiento de las sustancias de un punto a otro del sistema (corrientes), a1gunas veces entre unidades del proceso, otras desde las instalaciones de producción hasta el almacén de transporte o viceversa. La velocidad a la que se transporta una sustancia a través de una línea de un proceso es la velocidad de flujo de esa sustancia.

La velocidad de flujo de una corriente en un proceso puede expresarse como una velocidad de flujo másico (masa/tiempo), o bien como una velocidad de flujo volumétrico (volumen/tiempo).

Supongamos que un fluido (un gas o un líquido) fluye a través del tubo cilíndrico, donde el área sombreada representa una sección perpendicular a la dirección del flujo. Si la velocidad de flujo másico el fluido es m (kg/s), entonces m kilogramos de fluido pasan a través de la sección transversal cada segundo.

Si la velocidad de flujo volumétrico del fluido en esta sección transversal es V (m3/s), entonces V metros cúbicos del fluido pasan a través de la sección transversal cada segundo. Sin embargo, la masa m y el volumen V de un fluido (en este caso, el fluido que pasa a través de la sección transversal cada segundo) no son cantidades independientes, sino que están relacionadas mediante la densidad del fluido ρ

Por lo tanto: La densidad de un fluido puede utilizarse para convertir una velocidad de flujo volumétrico conocida de una corriente de un proceso en la velocidad de flujo másico de esa corriente o viceversa.

Medición de la velocidad de flujo
Un medidor de flujo es un dispositivo montado en la línea de un proceso, el cuál proporciona una lectura continua de la velocidad de flujo en la línea.

En Perry's Chemical Engineer's Handbook, páginas 5-7 a 5-17, se encuentra la descripción de muchos otros medidores de flujo.

El rotámetro es un tubo vertical que contiene un flotador; cuanto mayor sea la velocidad de flujo, tanto mayor será la altura que alcanza el flotador en el tubo. El medidor de orificio es una obstrucción en el canal del flujo que tiene una abertura estrecha, a través de la cual pasa el fluido.

La presión del fluido disminuye de la parte anterior al orificio a la parte posterior a él; la caída de presión (que se mide con un manómetro diferencial que se describe más adelante) varía con la velocidad de flujo: si la velocidad de flujo aumenta, la caída de presión será mayor.

COMPOSICION QUIMICA
Moles y masa molar El peso atómico de un elemento es la masa de un átomo en una escala que asigna una masa de exactamente 12 al 12C (el isótopo del carbono cuyo núcleo posee seis protones y seis neutrones).

La masa molar (usualmente llamada peso molecular) de un compuesto es la suma de los pesos atómicos de los átomos que constituyen la molécula del compuesto.
Por ejemplo: el oxígeno atómico (0), tiene un peso atómico de aproximadamente 16 y por lo tanto, la molécula de oxígeno (02) tiene una masa molar de aproximadamente 32. Un gramo-mol (g-mol, o mol en el sistema SI) de una sustancia es la cantidad de esa sustancia cuya masa en gramos es numéricamente igual a su masa molar. Si la sustancia es un elemento, es técnicamente correcto referirse a un gramo-átomo (atom) más que a un gramo-mol. No haremos esta distinción y utilizaremos los moles tanto para elementos como para compuestos. Otro tipo de moles (por ejemplo, kg-mol o kmol, lb-mol, ton-mol) se definen de modo similar. Por ejemplo, el monóxido de carbono (CO) tiene una masa molar de 28; 1 mol de CO contiene, por lo tanto, 28 g, 1 lb-mol contiene 28 1bm, 1 ton-mol contiene 28 toneladas y así sucesivamente.

Resumiendo: Si el peso molecular de una sustancia es M, entonces hay M kg/kmol, M g/mol y M lbm/lb-mol de esta sustancia. La masa molar puede utilizarse como un factor de conversión que relaciona la masa con el número de moles de una cantidad de sustancia. Por ejemplo, 34 kg de amoniaco (NH3: M = 17) son equivalentes a: y 4 lb-mol de amoniaco son equivalentes a:
(En las conversiones de masa a mol siempre es de gran ayuda incluir la fórmula química en la ecuación dimensional, como se mostró anteriormente.)

Los mismos factores que se utilizan en la conversión de masa de una unidad a otra pueden utilizarse para convertir las unidades molares equivalentes: por ejemplo, hay 454 g/lbm y por tanto hay 454 mol/lb-mol, sin importar cual es la sustancia involucrada.

Un gramo-mol de cualquier sustancia contiene 6.02 x 1023 moléculas de esa sustancia (que es el número de Avogadro.

FRACCIONES EN MASA, FRACCIONES MOLARES Y MASA MOLAR PROMEDIO
Ocasionalmente los flujos de los procesos contienen una sola sustancia y con frecuencia consisten en mezclas de líquidos o gases o de disoluciones de uno o más solutos en un disolvente líquido.


CONCENTRACIÓN
La concentración en masa de un componente en una mezcla o disolución es la masa de este componente por unidad de volumen de la mezcla (g/cm3, lbm/ft3, kg/in3,...).

La concentración molar de un componente es el número de moles del componente por unidad de volumen de la mezcla (mol/m3, kg mol/m3, lb-mol/ft3,…). La molaridad de una disolución es el valor de la concentración molar del soluto expresada en gramos-mol de soluto/litro de disolución.

La concentración de una sustancia en una mezcla o en una disolución puede utilizarse como un factor de conversión para relacionar la masa (o moles) de un componente en una muestra de la mezcla con el volumen de la muestra o para relacionar la velocidad de flujo másico (o molar) de un componente de un flujo continuo con la velocidad de flujo volumétrico del mismo.

PRESION
Presión de un fluido y columna hidrostática La presión es el cociente entre una fuerza y el área sobre la que actúa la fuerza. Por lo tanto, las unidades de la presión son las unidades de la fuerza divididas en las unidades de área (es decir,
N/m2, dinas/cm2 y lbf/in2 o psi). En el sistema SI es N/m2 que se conoce como pascal (Pa).

Consideremos un fluido (gas o líquido) contenido en un recipiente cerrado o fluyendo a través de un tubo y supongamos que en la pared del recipiente hay un orificio de área A, La presión del fluido puede definirse como el cociente F/A, donde F es la fuerza mínima que se debe ejercer sobre una tapa en el orificio para evitar que el fluido escape del recipiente.

Debemos presentar una definición adicional de la presión de un fluido para explicar el concepto de presión atmosférica y para discutir los métodos usuales de medición de presiones de los fluidos en tanques y tubos. Supongamos una columna vertical de fluido de altura h (m), que tiene un área de sección transversal uniforme A (m2). Supongamos, además, que el fluido tiene una densidad ρ (kg/m3) y que se ejerce una presión P0 (N/m2) sobre la superficie superior de la columna.

La presión P del fluido en la base de la columna, llamada presión hidrostática del fluido, es, por definición, la fuerza F ejercida sobre la base dividida por el área de la base A. F debe ser igual a la suma de la fuerza sobre la superficie superior y el peso del fluido en la columna. No es difícil demostrar que

Como A no aparece en esta ecuación, la formula se puede aplicar a una columna de fluido tan estrecha como un tubo de ensayo o tan ancha como el océano.
Además de que la presión puede expresarse como una fuerza por unidad de área, ésta puede escribirse como una columna de un fluido particular; esto es, como la altura de una columna hipotética de este fluido que ejercería una determinada presión en su base, si la presión en la parte superior de esta fuese cero. Se puede hablar entonces de una presión de 14.7 psi o en forma equivalente, de una presión (o columna) de 33.9 pies de agua (33.9 ft de H2O) o 76 cm de mercurio (76 cm Hg). La equivalencia entre una presión P (fuerza/área) y la columna correspondiente Ph (altura de un fluido) la proporciona la ecuación anterior con P0 = 0:

Nota De ahora en adelante usaremos una P sin subíndice para denotar la presión, expresada como (fuerza/área) o como la columna de un fluido.

La relación entre la presión en la base de una columna de fluido de altura h y la presión en la parte superior es particularmente simple si se expresan estas presiones como columnas de fluido; por ejemplo, si la columna es de mercurio, entonces Las unidades mm de Hg pueden sustituirse por cualquier otra unidad de longitud y cualquier otra sustancia.

Existen tablas de conversión que presentan valores de presión expresados en diferentes unidades usuales de fuerza/área y como columnas de mercurio y de agua. El uso de esta tabla para la conversión de unidades de presión se muestra con la conversión de 20 psi a cm de Hg.

Se ha designado el valor típico de la presión atmosférica al nivel del mar, 760 mm de Hg, como un valor estándar de 1 atmósfera.

Las presiones de los fluidos que hemos mencionado son todas presiones absolutas, ya que una presión de cero corresponde al vacío perfecto. Muchos aparatos de medición de presión proporcionan la presión manométrica de un fluido o la presión en relación con la presión atmosférica. Una presión manométrica de cero indica que la presión absoluta del fluido es igual a la presión atmosférica. La fórmula de conversión entre presiones absolutas y manométricas es

Pabsoluta = Pmanométrica + Patmosférica

Las abreviaturas psia y psig se utilizan frecuentemente para denotar presiones absolutas y manométricas, respectivamente, en lbf/pul2. También es usual referirse a presiones manométricas negativas (presiones absolutas menores que la atmosférica) como cantidades positivas de vacío; por ejemplo, una presión manométrica de -1 cm de Hg (75.0 cm de Hg absolutos, si la presión atmosférica es de 76.0 cm de Hg) puede denominarse también 1 cm de vacío.

MEDICIÓN DE LA PRESIÓN DE UN FLUIDO
Existen varios aparatos mecánicos que se utilizan para medir la presión de fluidos. El más común de estos equipos es el manómetro de Bourdon, que es un tubo hueco cerrado por uno de sus extremos y doblado en forma de C. El extremo abierto del tubo está expuesto al fluido cuya presión se desea medir. A medida que aumenta la presión, el tubo tiende a enderezarse produciendo el movimiento de rotación de una aguja unida al tubo. La posición de la aguja sobre un disco calibrado indica la presión manométrica del fluido. La figura 6 muestra un diagrama esquemático de un manómetro de Bourdon, este se utiliza para medir presiones de fluidos desde vacíos cercanos al perfecto hasta cerca de 7000 atm. Las mediciones de presión de mayor precisión, se realizan con otro tipo de manómetros.

Un manómetro es, en general, un tubo en forma de U parcialmente lleno con un líquido de densidad conocida (el fluido manométrico). Cuando los extremos del tubo están expuestos a diferentes presiones, el nivel del fluido disminuye en el brazo de alta presión y aumenta en el de baja presión.

La diferencia entre las presiones puede calcularse a partir de la diferencia medida entre los niveles del líquido en cada brazo.

Los manómetros se utilizan de varias formas, como se muestra en la figura 7. En cada diagrama, la presión P1 es mayor que la presión P2. La figura 7a muestra un manómetro abierto: uno de los extremos está expuesto a un fluido cuya presión se desea medir y el otro está abierto a la atmósfera.

La fórmula que relaciona la diferencia de presión P1 – P2 con la diferencia en los niveles de fluido en el manómetro se basa en el principio que establece que la presión del fluido debe ser la misma en dos puntos cualquiera que estén a la misma altura en un fluido continuo. En particular, la presión a la altura de la superficie inferior del fluido del manómetro es igual en ambos brazos del manómetro.

Si escribimos e igualamos las expresiones para las presiones en los puntos (a) y (b), se obtiene la ecuación general manométrica.

Ecuación general manométrica:
En un manómetro diferencial, los fluidos 1 y 2 son el mismo, y consecuentemente ρ1 = ρ2 = ρ. La ecuación general manométrica se reduce a

TEMPERATURA
La temperatura de una sustancia en un estado de agregación en particular (sólido, líquido o gas) es una medida de la energía cinética promedio que poseen las moléculas que forman la sustancia. Como esta energía no puede medirse directamente, la temperatura debe determinarse indirectamente midiendo alguna propiedad física de la sustancia cuyo valor depende de la temperatura de una manera conocida. Tales propiedades y los equipos de medición de temperatura basados en ellas, incluyen la resistencia eléctrica de un conductor (termómetro de resistencia), el voltaje en la unión de dos metales diferentes (termopar), el espectro de radiación emitida (pirómetro) y el volumen de una masa fija de un fluido (termómetro).

Un termopar es un aparato para medir temperatura que consiste en dos alambres de metal distintos unidos por un extremo.
El voltaje generado en la unión metálica se registra en un potenciómetro o milivoltimetro. Cuando se utilizan ciertos metales, el voltaje varía linealmente con la temperatura en la unión de los dos metales.

Las escalas de temperatura pueden definirse en términos de cualquiera de estas propiedades o en términos de fenómenos físicos, como la congelación y la ebullición, que tienen lugar a temperaturas y presiones constantes. Uno puede referirse, por ejemplo, a "la temperatura a la que la resistencia de un alambre de cobre es de 1.92 x 10-6 ohms/cm3" o a la "temperatura que está a dos tercios de una escala que empieza en el punto de ebullición del agua a 1 atm y que termina en el punto de fusión del NaCl".

Además de estas escalas físicas, es conveniente tener una escala de temperatura numérica simple, entre otras razones, para no tener que utilizar 25 palabras para dar un solo valor de temperatura.

Una escala de temperatura definida se obtiene asignando arbitrariamente valores numéricos a dos temperaturas medibles y reproducibles; por ejemplo, se asigna un valor de 0 al punto de congelación del agua y un valor de 100 a su punto de ebullición, a una presión de 1 atm. Esto especifica completamente la escala, ya que además de localizar estos dos puntos, aclara que la longitud de una unidad de intervalo de temperatura (llamada un grado) es l/100 de la distancia entre los dos puntos de referencia en la escala.

Las dos escalas más comunes de temperatura se definen utilizando el punto de congelación (Tf) y el punto de ebullición (Tb) del agua a una presión de 1 atm.

Escala Celsius (o centígrada): A Tf se le asigna un valor de 0 °C y a Tb se le asigna un valor de 100 °C. El cero absoluto (teóricamente la temperatura mas baja que se puede alcanzar en la naturaleza) en esta escala corresponde a -273.15 °C.

Escala Fahrenheit. A Tf se le asigna un valor de 32 °F y a Tb se le asigna uno de 212 °F. El cero absoluto corresponde a -459.67 °F.

Las escalas Kelvin y Rankine se definen de forma que el cero absoluto corresponde a un valor de cero y el tamaño de un grado sea igual a un grado Celsius (en la escala Kelvin) o a un grado Fahrenheit (en la escala Rankine).

Las siguientes relaciones pueden utilizarse para convertir una temperatura expresada en una unidad de una escala definida en su equivalente en otra.
T(K) = T(ºC) + 273.15 (E-1)
T (ºR) = T (ºF) + 459.67 (E-2)
T (ºR) = 1.8 T (K) (E-3)
T (ºF) = 1.8 T (ºC) + 32 (E-4)

Las ecuaciones como estas siempre se proporcionan en la forma de la ecuación de una recta (y = ax + b). Si (°A) y (°B) se encuentran en cualesquiera dos unidades de temperatura, para encontrar la ecuación para T(°B) en términos de T(°A) se deben conocer los valores equivalentes en cada escala de dos valores de temperatura, por ejemplo T1 y T2. Entonces
1. Escriba T(°B) = aT(°A) + b.
2. Sustituya T1(°B) y T1(°A) en la ecuación; tienes entonces una ecuación con dos incógnitas (a y b). Sustituya T2(°B) y T2(°A) para obtener la segunda ecuación con las mismas dos incógnitas, y resuelve para a y b.

Un grado es tanto un valor de temperatura como un intervalo de temperatura, hecho que a veces lleva a confusiones. Consideremos el intervalo de temperatura de 0°C a 5°C. Hay nueve grados Fahrenheit y Rankine en este intervalo y solo cinco grados Celsius y Kelvin. Un intervalo de 1 grado Celsius o Kelvin contiene, por tanto, 1.8 grados Fahrenheit o Rankine, lo que nos conduce a los factores de conversión

Nota: Estos factores de conversión se refieren a intervalos de temperatura, no a valores de temperatura.