INTRODUCCION A LOS FENOMENOS DE TRANSPORTE

1. GENERALIDADES Y EVOLUCION HISTORICA

2. FENOMENOS DE TRANSPORTE: DEFINICION

3. CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES BASICAS

3.1 Operaciones unitarias basadas en el transporte de cantidad de movimiento3.2 Operaciones unitarias basadas en el transporte de energía3.3 Operaciones unitarias de transferencia de materia3.4 Operaciones unitarias de transferencia de materia y calor

4 MECANISMOS DE TRANSPORTE

5 ANALISIS Y DISEÑO DE SISTEMAS

1. GENERALIDADES Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA

i.- Materias primas de composición muy compleja.

ii.- Partidas poco homogéneas: diferencias en su composición química, textura, tamaño y estado sanitario.

iii.- Materias primas y productos en el curso de la elaboración muy perecederos generalmente.

iv.- Las materias primas, productos en proceso y productos terminados constituyen frecuentemente un caldo de cultivo apropiado para el desarrollo de gérmenes patógenos o no patógenos.

v.- Las materias primas son estacionales y dependen de las circunstancias biológicas y meteorológicas.

vi.- Las materias primas son muy sensibles a determinados agentes físicos, como el calor por ejemplo.

vii.- Hay que extremar la limpieza e higiene.

Principales características de las industrias agroalimentarias

Grupos de constituyentes Nº de constituyentes Sólidos solubles totales(%)

Carbohidratos 10 76,00

Ácidos orgánicos 13 9,60

Aminoácidos libres 19 5,40

Iones inorgánicos 67 3,20

Vitaminas 14 2,50

Lípidos 26 1,20

Bases nitrogenadas 6 0,40

Flavonoides 24 0,81

Componentes volátiles 192 0,38

Carotenos 21 0,01

Enzimas 49 ---

Total = 441 99,50

Composición química aproximada del zumo de naranja

1. GENERALIDADES Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA

ETAPA I : IDENTIFICACIÓN

Se identifican las OB, limitándose a una mera descripción externa de las transformaciones que tienen lugar en el proceso.

1887 G.E. DAVIES (Manchester Technical School) imparte el primer curso sobre Ingeniería Química. “Hanbook of Chemical Engineering”

1908 Creación del A.I.Ch.E

1915 – 1923 A.D. LITTLE introduce el concepto de Operación Básica o Unitaria.

“todo proceso químico, conducido en cualquier escala, puede descomponerse en una serie ordenada de lo que pudieran denominarse operaciones unitarias, como molienda, mezclado, secado, evaporación, destilación, etc...”

“cada una de las etapas físicas que se repiten en los distintos procesos industriales se les denomina operaciones unitarias o básicas”.

ETAPA II : EXPANSION CLASICA O INGENIERIL

De 1922 a 1950.

Responde al gran desarrollo que experimenta la industria como consecuencia de la primera guerra mundial.

Se estudian las etapas de transformación independientemente del proceso del que forman parte.

Se establecen los principios teóricos que rigen las OB.

Se describen internamente los fenómenos físicos que tienen lugar y los principios básicos que los gobiernan.

Se determinan propiedades termodinámicas.

Se establecen correlaciones en forma de ábacos, gráficas, ecuaciones...

1. GENERALIDADES Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA

e

L 5200

D 0,025 = =

eL 5 (m)=

Válvula atajadera ½ cerrada

En una tubería de 2,5 cm de diámetro interno

iD 2,5 cm=

ETAPA III: GENERALIZACIÓN

De 1950 a 1960.

Se advierte que los principios teóricos en que se basan muchas operaciones básicas son los mismos.

Se agrupan las OB que se basan en un mismo principio de funcionamiento para ser estudiadas conjuntamente.

Tratamiento de sólidos

Transporte de fluidos

Transferencia de materia

Transferencia de calor

Otras

El nivel científico se desplaza de la descripción a la abstracción.

1. GENERALIDADES Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA

ETAPA IV: CIENTÍFICO O ABSTRACTIVO

Desde 1960

Se advierte que todas las OB se basan en procesos de transporte de tres propiedades (fenómenos de transporte)

Transporte de Cantidad de Movimiento

Transporte de Materia

Transporte de Energía

Se observa que se pueden realizar un tratamiento de los fenómenos de transporte con carácter general.

Se desarrolla una doctrina abstracta globalizadora.

1. GENERALIDADES Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA

Fuerza ImpulsoraFlujo de Propiedad Transferida α

Resistencia a la transferencia

2. FENOMENOS DE TRANSPORTE: DEFINICION

Fenómeno de transporte = "el fenómeno físico que se manifiesta cuando un sistema evoluciona hacia la situación de equilibrio".

Transporte de cantidad de movimiento

Transporte de energía

Transporte de materia

Todas las etapas físicas que componen los procesos de fabricación, se basan en estos tres fenómenos de transporte y se rigen por leyes similares.

2. FENOMENOS DE TRANSPORTE: DEFINICION

Fenómeno de transporte = "el fenómeno físico que se manifiesta cuando un sistema evoluciona hacia la situación de equilibrio".

Transporte de cantidad de movimiento

Transporte de energía

Transporte de materia

Todas las etapas físicas que componen los procesos de fabricación, se basan en estos tres fenómenos de transporte y se rigen por leyes similares.

Ecuación de velocidad generalizada

Cantidad de movimiento

(Newton)

si

µ = cte

Calor(Fourier)

si

ρ y Cp= cte

Materia(Fick)

si

ρ = cte

dy

dv xyx µ−=τ

dy

dTkqAy −=

( )dy

vd xyx

ρν−=τ

dy

dcDJ A

ABAy −=

( )dy

Tcdq p

Ay

ρα−=

FENÓMENOS DE TRANSPORTE

CANTIDAD DE MOVIMIENTO MATERIAENERGÍA

FLUJO INTERNO

-Circulación de fluidos por conducciones

FLUJO EXTERNO

-Filtración

-Sedimentación

-Circulación de fluidos a través de lechos porosos

-Agitación de líquidos

-Intercambio de calor sin cambio de estado

-Evaporación

-Condensación

-Congelación

-Extracción sólido-líquido

-Extracción líquido-líquido

-Rectificación

-Absorción-desabsorción

-Adsorción-desadsorción

ENERGÍA + MATERIA

-Humidificación

-Deshumidificación

-Secado

-Liofilización

3. CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES BASICAS

3.1 Operaciones unitarias basadas en el transporte de cantidad de movimiento

Fundamentalmente se ocupan del estudio del transporte de fluidos. Las podemos clasificar en dos grandes grupos:

i.- Flujo interno: Cuando el fluido circula por el interior de conducciones.

1.- Diseñar el sistema de tuberías, determinando el tamaño óptimo de las mismas y el material más adecuado.

2.- Medir la velocidad de flujo de los fluidos y controlarla.

3.- Determinar la potencia y el tipo de bombas a instalar.

ii.-Flujo externo: Cuando es el sólido el que se desplaza por el seno del fluido.

1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 3 12

Papilla

Filtrado

Tornillo

Raíl soporte

Placa móvil

Placa fija

Estribo para soportar las placasMedio filtrante

Filtración: Consiste en la separación de un líquido de su mezcla con un sólido a través de un medio poroso. Se basa en la retención de partículas de un tamaño superior a un valor dado por una malla filtrante. Se utiliza tanto para aprovechar el sólido presente en la suspensión a filtrar como para disminuir la turbidez de un líquido o eliminar las partículas suspendidas en un gas. El tamaño de las partículas retenidas por un filtro es muchas veces muy inferior al del paso de la malla filtrante, pues las propias partículas retenidas en bloque por la malla actúan como elemento filtrante.

Sedimentación: Tiene por objeto la separación de un sólido del líquido en el que está suspendido, en la que las partículas sólidas se separan debido a la diferencia de densidad entre las dos fases presentes.

Líquido

Fango

Suspensión

t = 2 h mínimoV agua = 1 a 2 cm/sReducción:55 a 70 % materia en suspensión40 a 45 % DBO5

http://www.youtube.com/watch?v=AaVA5pZgYao&feature=relatedEn 4,5 minutos planta depuradora 3D

Circulación de fluidos a través de lechos porosos: Consiste en el paso de un fluido (líquido o gas) a través de un lecho de sólidos granulares que permanece estático o bien queda suspendido en la corriente fluida.

Lecho fijo Lecho fluidizado Arrastre del lecho

http://rpaulsingh.com/animations/fluidized_frzr.html

http://rpaulsingh.com/animations/fluidized_dryer.html

http://rpaulsingh.com

3.2 Operaciones unitarias basadas en el transporte de energía

La transmisión de energía en forma de calor tiene lugar en casi todos los procesos industriales. Pero hay un número determinado de operaciones en las cuales la velocidad de transmisión de calor es la etapa controlante de todo el proceso.

Evaporación: Se entiende por evaporación aquella operación que tiene por objeto concentrar una disolución "evaporando" parte del líquido en recipientes calentados normalmente, por vapor de agua. Su objetivo principal es el de diseñar y calcular aparatos adecuados para realizar dicha concentración.

Alimento

Solución

concentrada

Vapor del disolvente

Vapor de

calefacción

Agua

condensada

Calor

Cámara de

calefacción

Cámara de

evaporación

Calor

Alimento

Vapor disolvente

CondensadoProducto

Vapor de

calefacción

http://rpaulsingh.com/animations/evap_single.htmlhttp://rpaulsingh.com/animations/evap_multi.html

Intercambio de calor sin cambio de estado: Tiene por objeto el calentamiento o enfriamiento de un fluido, poniéndolo en contacto indirecto con otro fluido calefactor o refrigerante a través de una pared metálica o de otro material conductor.

Fluido que circulapor la carcasaFluido que circula

por los tubos

http://rpaulsingh.com/animations/shell_tube.html

http://rpaulsingh.com/animations/triple_tube.html

3.3 Operaciones unitarias de transferencia de materia

Engloban todas las operaciones unitarias en las cuales la etapa controlante del proceso es la transferencia de materia. Tienen por objeto separar componentes o grupos de componentes de una fase, originalmente homogénea. Estas operaciones básicas se basan en la existencia de un fenómeno llamado difusión, por el que un componente de una mezcla se desplaza en el interior de la misma debido a un gradiente de concentración.

Equipo de separaciónCorriente de alimentoCorrientes de producto

Agente de separación (materia o energía)

Absorción - Desorción: Tiene como fin la separación de los componentes de una mezcla gaseosa mediante un líquido, disolvente ajeno a dicha mezcla, que absorbe preferentemente a uno de los componentes. La absorción puede ser física o química, según que el gas se disuelva en el líquido absorbente o reaccione con él dando un nuevo compuesto químico.

Mezcla gasosa (A+B)

Líquido Gas A

Líquido + B

Interfase

Gas Líquido

Adsorción-Desadsorción sólido-líquido: Es la separación de componentes de una mezcla líquida mediante un sólido adsorbente,el componente que se transfiere a través de la fase líquida no tiene la misma naturaleza que la fase sólida, sino que se fija a ella de forma superficial. Por ejemplo la decoloración de aceites, jarabes, etc.

Interfase

Sólido Líquido

Adsorción-Desorción sólido-gas: Análoga en todo, a la adsorción líquido-sólido, pero en este caso el componente que se transfiere está contenido en el gas en vez de en el líquido.

Interfase

Sólido Gas

Desorción

Adsorción

Destilación (Rectificación): Trata de la separación de componentes de una mezcla líquida o gaseosa, aprovechando las diferencias en sus presiones de vapor, por contacto de un vapor o líquido generados por calefacción o enfriamiento de la mezcla original. Las dos fases son vapor a la temperatura de condensación y líquido a la temperatura de ebullición, respectivamente.

Vapor de calefacción

Alimento

Residuo

Reflujo Destilado

Agua fría

Vapor Condensador

Columna

Calderín

Líquido

Vapor

Extracción líquido-líquido: Es la separación de componentes de una mezcla líquida por contacto con un disolvente específico, inmiscible con la mezcla original y ajeno a la misma. La transferencia de materia tiene lugar desde el seno de una fase a la otra.

Líquido (A+B)

Disolvente Líquido A

Disolvente + B

Interfase

Líquido Líquido

Lixiviación o extracción sólido-líquido: Se transfiere un componente desde una fase sólida al seno de una líquida ajena a la fase sólida. Se trata, por lo tanto, de una operación análoga a la de la absorción y a la de la extracción líquido-líquido si atendemos a la forma en que se desplaza el componente que se transfiere.

Interfase

SólidoLíquido

Aceite + Hexano

Extracto

Refinado Inertes + Aceite + Hexano

Harina de pescado

Hexano

Mezcla

Osmosis inversa: separa un soluto de una disolución forzando al disolvente a que fluya a través de una membrana, aplicándole una presión mayor que la presión osmótica.

Osmosis

Osmosis inversa

Membrana semipermeable

solución disolv ente

Membrana semipermeable

solución disolv ente

http://rpaulsingh.com/animations/reverseosmosis.html

http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/urbano/2006/05/25/152370.php

3.4 Operaciones unitarias de transferencia de materia y calor

Son una serie de operaciones unitarias en las que el transporte de calor acompaña siempre a la transferencia de materia, es tan importante en el desarrollo de la operación como la propia transferencia de materia.

Secado: Es una operación que tiene por objeto eliminar total o parcialmente un disolvente de un sólido que lo contiene. Se produce simultáneamente la transferencia de calor sensible y disolvente debido a dos fuerzas impulsoras (calor y materia) que aparecen. La transferencia de disolvente tiene lugar desde el seno del sólido hasta la fase gaseosa en contacto con el sólido.

Sólido húmedo

Aire húmedo

Sólido seco

Aire caliente seco

Agua

interfase

sólido gas

http://rpaulsingh.com/animations/counter_currentdrier.html

http://rpaulsingh.com/animations/cabinet_dryer.html

Liofilización: es una operación unitaria análoga al secado pero que sigue un proceso distinto. En liofilización, el disolvente contenido en el sólido se congela previamente y en la fase de secado el disolvente que se encuentra en estado sólido se sublima a baja presión y sus vapores se transportan hasta la fase gas. En cambio en el secado sin congelación previa, el disolvente líquido se vaporiza bien en la interfase sólido-gas o bien en algún punto del interior del sólido.

Salida del agua de la descongelación

Bandejas

P lacas calefactoras

Vacío

Refrigerante

Humidificación y deshumidificación: tiene por objeto aumentar o disminuir, respectivamente, el contenido de humedad de un gas en contacto con un líquido puro. En el caso más general la operación se verifica por el paso de vapor del líquido puro desde la superficie del líquido hasta el seno del gas o viceversa.

Agua caliente

Agua fria

Aire más húmedo

Aire ambiente

AGUA

CALOR

Gas húmedo

Gas seco

Agua caliente

Agua fría

Los mecanismos por los cuales pueden transportarse las propiedades que nos ocupan son dos completamente distintos:

El transporte molecular

Se basa en los desplazamientos e interacciones de las moléculas individuales; la transferencia de propiedad se efectúa molécula a molécula.

El transporte turbulento

Se produce cuando grandes grupos de moléculas se mueven en forma de agregados, transportando con ellos cantidad de movimiento, calor y materia.

Estos "racimos" de moléculas actúan como vehículo transportador y transfieren la propiedad a otros grupos de moléculas con los que interaccionan.

4. MECANISMOS DE TRANSPORTE

Velocidad de circulación baja

Velocidad de circulación media

Velocidad de circulación alta

4.1 Mecanismo de circulación de fluidos

i.- Transporte de materia. Experimento de Reynolds

http://rpaulsingh.com/animations/reynolds_expt.html

Modulo de Reynolds

vDRe

ρ=µ

Re: número adimensional de Reynolds

ρ: densidad del fluido (kg/m3)

v: velocidad media del fluido (m/s)

D: diámetro interior de la conducción (m)

µ: viscosidad del fluido (kg/m.s)

0 2100 4000 10000

Zona Laminar

Zona Crítica

Zona Transición

Zona Turbulenta

http://rpaulsingh.com

ii.- Transporte de cantidad de movimiento.

m (kg/s)

V = (m/s)

h

P1

P2

−∆P

Re2100

Representación de la pérdida de presión frente al Re

Laminar Turbulento

P1 = cte

Si m P2 −∆P

http://rpaulsingh.com/animations/orifice_plate.html

Agua caliente

m' (kg/s) = cte

Agua fría

m (kg/s)

T1 = cte T2

T’1= cte

T’2

iii.- Transporte de calor.

Laminar

Transporte de calor sin cambio de fase

q

Re2100

Turbulento

q' = m' Cp' (T1' - T2 ') m' = cte ; T1' = cte

q = m Cp (T2 - T1) T1 = cte q' = q

Si m T2 ' q

5.1 Obtención de las ecuaciones de diseño

En el estudio y análisis de un sistema basado en los fenómenos de transporte el Ingeniero necesita disponer de los datos necesarios contenidos en tres "bloques de información".

- Leyes de conservación.

- Leyes de velocidad (leyes cinéticas).

- Restricciones.

Una vez obtenidas las "informaciones" procedentes de estos bloques de información podremos realizar una formulación matemática del sistema, que podemos materializar en forma de una ecuación algebraica, gráfica o diferencial, y a partir de este "modelo matemático" podremos proceder al análisis o diseño del sistema.

5. ANÁLISIS Y DISEÑO DE SISTEMAS

5. ANÁLISIS Y DISEÑO DE SISTEMAS

Análisis y/o diseño de una operación unitaria/procesoAnálisis y/o diseño de una operación unitaria/proceso

LEYES DE CONSERVACIÓN

LEYES CINÉTICAS

RESTRICCIONES

MODELO MATEMÁTICO

ANÁLISIS Y/O DISEÑO

Leyes de la Conservación

A fin de deducir las ecuaciones de conservación de materia, energía y cantidad de movimiento debemos plantear para todo el sistema precisamente los Balances de Materia, Energía y Cantidad de Movimiento y, además en el caso de que exista reacción química, debemos conocer la estequiometría de la reacción.

Estos balances nos dan una idea de "cuanto" supuso el cambio en un sistema determinado.

Leyes Cinéticas

Ahora bien, no podremos resolver estas ecuaciones sin algún conocimiento e interpretación del mecanismo de transporte. Es decir, además de "cuanto" necesitamos conocer "con qué velocidad" se produce este cambio. Pues bien, la velocidad de cambio nos viene suministrada por las leyes cinéticas:

i.- Cinética física:

- Rozamiento (C. de M.)- Conducción - convección - radiación (Energía).- Difusión (Materia).

ii.- Cinética química, en el caso de que en el sistema se produzca una reacción química.

Restricciones

Un tercer ingrediente, y esencial, de un fenómeno de transporte es la información acerca de las restricciones naturales y/o ajenas a las leyes naturales. Estas restricciones pueden tomar la forma de:

- Equilibrio físico.

- Equilibrio químico.

- Condiciones de contorno.

- Otras (Economía, Seguridad, Legislación, etc.).

Conceptos:

Fenómenos de transporte:

Materia

Energía

Cantidad de movimiento

Mecanismos de transporte

Molecular

Turbulento

Análisis y Diseño de Sistemas

Leyes de conservación

Leyes cinéticas

Restricciones

Verificación de conocimientos V F

Un diagrama de flujo de un proceso agroalimentario es un esquema de los cambios que sufre la materia prima hasta convertirse en producto.

Una operación básica de un proceso se define como una etapa del proceso en la que la materia prima sufre un cambio químico, físico o bioquímico.

Un sistema cuyas propiedades físicas varían de un punto a otro, necesariamente está en régimen transitorio.

Un proceso está en régimen transitorio cuando las propiedades termodinámicas en un punto del mismo varían con el tiempo.

Un proceso que tiene lugar por cargas o de forma intermitente es más adecuado para producciones grandes.

Un proceso que tiene lugar por cargas o de forma intermitente es más adecuado para producciones limitadas.

En la circulación de fluidos el paso de régimen de circulación laminar a turbulento se rige por el número de Reynolds.

Los fenómenos de transporte se producen como consecuencia de gradientes de concentración de propiedad entre dos puntos.