Variables de proceso
Introducción
¡Hola!
Me da gusto poder saludarte de nuevo y que continúes en este camino que vas comenzando para desarrollar tus habilidades en el curso Balance de Materia.
En esta clase abordaremos los temas relacionados con las variables de proceso empleadas en balance de materia, para qué son útiles y algunas formas de convertir unidades de cantidad como, mol, masa y volumen.
En esta clase también trabajaremos con los diferentes tipos de representación de diagramas de proceso químicos, modos de operación y régimen de operación.
¡Adelante, comencemos!
Desarrollo del tema
Variables de proceso
Antes de iniciar este tema, primero debemos preguntarnos y responder ¿Qué es un proceso? Bueno, desde un ámbito general, un proceso es una serie de pasos que nos permiten realizar un cambio deseado. En el caso de un proceso químico este puede incluir diversos pasos como la preparación de las materias primas, la transformación de moléculas a través de reacciones químicas, unidades de separación y purificación, formulación de productos, el tratamiento de residuos y su descarga entre otros (Ver Figura 1). Un ingeniero químico debe tener la capacidad de diseñar un proceso químico y operarlo, la diferencia radica en que el diseñar significa generar un nuevo proceso químico y el operar es manipular un proceso que ya está instalado.
En el caso de los procesos químicos, al momento de realizar un cambio, es necesario mantener ciertas condiciones para que se pueda obtener el producto deseado. Entre las diversas variables de proceso que podemos encontrar son:
- Presión
- Temperatura
- Volumen
- Velocidad de flujo (másico, volumétrico y molar)
- Masa
- Moles
- Composición
- Concentración
Además de algunas maneras de transformar moles a masa y masa a volumen empleando el peso molecular y la densidad, respectivamente.
En apoyo a tu aprendizaje te invito a consultar el siguiente material:
Tipos de diagrama de flujo
Los diagramas de flujo de proceso son diagramas compactos y precisos que representan una gran cantidad de información técnica acerca de los procesos químicos un lenguaje que los ingenieros deben aprender a traducir con facilidad.
Los principales tipos de diagramas de proceso químicos se dividen en 3 formas, como se describe en la Tabla 1.
| Diagrama | Información |
|---|---|
| Diagramas de flujos de entradas-salidas | Materias primas Reacción estequiométrica Productos |
| Diagramas de flujo de bloques | Todo lo anterior más Balances de materia Principales unidades de proceso Especificaciones del desempeño de unidades de proceso |
| Diagrama de flujo de proceso (PDF) | Todo lo anterior más Balances de energía Condiciones del proceso (T, P) Especificaciones de equipos de proceso principales |
| Diagramas de instrumentación y tubería | Todo lo anterior más Instrumentación para control de procesos |
Los cuatro tipos de diagramas tienen en común:
- Materias primas
- Cambios físicos y químicos que tienen lugar
- Productos que salen
En el siguiente video se muestran tres tipos de diagramas empleados en ingeniería química. Por el momento, nosotros en la meterá de balance de materia sólo emplearemos los diagramas de bloques para la representación de procesos y su uso para generar modelos matemáticos…porque uno de los grandes usos de los diagramas de bloques es precisamente ser la base para poder generar modelos matemáticos que representen procesos y esos puedan ser empleado para realizar cálculos de cantidades de productos obtenido, cantidad de materia prima requerida para producir algún producto, etc.
Te dejo el enlace de dicho video:
Modos de operación
Existen 3 modos de operación que se pueden encontrar en el procesamiento de materia prima para la obtención de productos deseados.
Operación por lote:
- Todas las corrientes de entrada entran a la vez en la unidad de proceso, y tiempo más tarde las corrientes de salida se retiran todas a la vez de la unidad de proceso.
- Las corrientes de entrada y salida se cuantifican en dimensiones de masa o moles.
- Se trata de una determinada cantidad de materia en un periodo determinado.
- Ejemplo: tomar una cantidad de masa de maíz, hacer una tortilla, cocinarla y obtener el producto.
Operación en continuo:
- Las corrientes de entrada fluyen continuamente hacia el interior de la unidad de proceso y las corrientes de salida fluyen continuamente hacia fuera de la unidad.
- Las corrientes de entrada y salida se cuantifican en función de la velocidad del flujo de masa o velocidad de flujo molar.
- Ejemplo: la máquina de una tortillería, la cual se está alimentando continuamente y se está obteniendo producto. En comparación con hacer una tortilla a mano, la producción en continuo produce una mayor cantidad.
Operación en semicontinuo o semilote:
- Son una combinación de procesos por lotes y continuo; por ejemplo, las corrientes de entrada podrían agregarse todas a la vez y las corrientes de salida ser removidas continuamente.
- Cualquiera de las unidades de proceso: mezcladores, reactores, separadores o divisores pueden operarse por lotes, continuos o semicontinuos. Es posible mezclar diferentes modos de operación en un diagrama de flujo; por ejemplo, un reactor podría operarse por lotes mientras un separador podría operarse continuamente.
- Los modos mixtos de operación requieren instalaciones de almacenamiento intermedio.
- Ejemplo casero: al cocinar un caldo, primero cocinamos la carne y después vamos agregando las verduras de acuerdo con su orden de cocción.
Te invito a revisar el siguiente material:
Regímenes de operación
Existen dos regímenes de operación:
- Operación en estado estacionario (ver Figura 5):
- Los procesos en estado estacionario o régimen permanente son independientes del tiempo: las variables del proceso no cambian con el tiempo.
- Por ejemplo, si la velocidad de flujo hacia un reactor es la misma hoy a las 9 a.m. que mañana a las 10 p.m. (y todo el tiempo intermedio), entonces esa velocidad de flujo se encontrará en estado estacionario.
- Operación en estado transitorio (ver Figura 5):
- En los procesos en estado no estacionario o régimen transitorio, una o más variables del proceso cambian con el tiempo. Los procesos por lotes y semicontinuos, por su naturaleza, están en estado no estacionario. Los procesos de flujo continuo casi siempre operan en condiciones de estado estacionario, excepto durante el arranque y el apagado, cuando se encuentran en estado no estacionario.
- La calidad del producto es más constante, y los costos de operación por lo general son más bajos, con una operación en estado estacionario.
Nota: En los tres casos, se mezclan los compuestos A y B y reaccionan para formar C, pero la manera que se manejan las entradas y salidas es diferente, dependiendo del tiempo del proceso.
La Figura 6 muestra una curva de producción de acetona, butanol y etanol a partir de xilosa, donde se puede observar el consumo de la xilosa y como va aumentando la concentración de acetona, butanol y etanol. En la imagen se muestra el régimen estado estacionario en el área en color azul y el régimen transitorio en color amarillo.
En el régimen en estado estacionario no existe un cambio de las variables con respecto al tiempo, es decir, la pendiente de la trayectoria es igual a cero ya que la derivada de la concentración con respecto al tiempo es cero.
En el régimen en estado transitorio, existe un cambio de una variable con respecto al tiempo, por lo tanto, la derivada es diferente de cero.
Te invito a revisar el siguiente material de apoyo:
Conclusión
Para concluir, en esta clase pudimos analizar qué es un proceso y cuáles son las variables involucradas en el ámbito de la ingeniería química, en una de las consignas que desarrollarás, profundizarás aún más ya que podrás incluir las formas en cómo realizar la medición de estas variables.
Una forma de presentar un proceso es a través de imágenes en forma de diagramas, los cuáles no únicamente sirven para representar el proceso, sino que son de gran utilidad para la generación de los modelos matemáticos que representan ese proceso y así poder realizar cálculos matemáticos. Por el momento, sólo emplearemos los diagramas de bloques y sólo trabajaremos con balances de masa, por el momento no emplearemos ni la presión ni la temperatura, esa está reservada para balance de energía.
Tenemos 3 tipos de modos de operación los cuales son ampliamente empleados en ingeniería química. El saber cómo funciona, nos ayuda a saber la forma de representar el proceso a través de un modelo matemático, para poder entender los diferentes tipos, les recomiendo recurrir a ejemplos caseros. En los procesos es posible encontrar dos tipos de regímenes, los cuales se emplean en proceso químicos de acuerdo con el tipo de proceso.
Hemos llegado al final de la clase, vas por buen camino, todavía falta terreno por recorrer ¡Sé persistente, no desistas! Para concluir la clase te invito a que realices y mandes como corresponde la tarea asignada, te espero en la próxima sesión.
Fuentes de información
- Murphy, R.M. (2007). Introducción a los procesos químicos: principios, análisis y síntesis. USA: McGraw-Hill. ISBN: 978-970-10-6199-2. En español ISBN: 970-10-6199-3.
- Felder, R.M. y Rousseau, R.W. (2006). Principios Elementales de los procesos Químicos. (3ª ed.). Limusa-Wiley. ISBN: 968-18-6169-8