Los
y el medio ambiente Un nuevo paradigma
Fernando Méndez Delgado
Los procesos industriales y el medio ambiente Un nuevo paradigma
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363.731 M538p
Méndez Delgado, Fernando Fernando Los procesos industriales y el medio ambiente / Fernando Méndez Delgado. Ibagué: Universidad de de Ibagué. 2011. 282 p. ISBN 978-958-754-014-7 ISBN 978-958-754-015-4 Descriptores: Procesos industriales y medio ambiente; procesos productivos y medio ambiente.
Facultad de Ingeniería Programa Programa de Ingeniería Industrial Universidad de Ibagué Ibagué, Colombia Enero de 2011 © Universidad de Ibagué, 2011 © Fernando Méndez Delgado, 2011 Diseño, diagramación e impresión León Grá�cas, Ltda., PBX 2630088, Ibagué I bagué Universidad de Ibagué, Carrera 22, Calle 67, Barrio Ambalá, Ibagué, Colombia Tel (57-8) 2709400 www.unibague.edu.co
[email protected] Esta obra no puede reproducirse sin la autorización expresa y por escrito de la Universidad de Ibagué
A la memoria de Maria Elvia Delgado, madre especial y educadora incansable; ejemplo para toda mi vida. A Luisa Fernanda y Juan Sebastián, mis hijos y mi razon de ser. A todas las personas que toman decisiones sobre la forma de producir. A los ingenieros que ejercen y a los que están en vía de formación. A todos ellos: no se trata de ser ecologista o de no serlo. Esto es mas que una realidad.
Los procesos industriales y el medio ambiente Un nuevo paradigma Tomo I
Segunda edición
Fernando Méndez Delgado
2011
Tomo I Contenido Prólogo ................................................................................................................................................13 Introducción..........................................................................................................................................15 Capítulo 1. Procesos productivos .......................................................................... 19
1.1. 1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.2.4. 1.2.5. 1.3. 1.3.1. 1.3.2. 1.4. 1.4.1. 1.4.2.
Introducción.......................................................................................................................19 Proceso productivo .........................................................................................................19 Cadena productiva .......................................................................................................... 23 Diagrama de proceso......................................................................................................23 El proceso y sus componentes ....................................................................................27 Operación Unitaria .......................................................................................................... 27 Proceso Unitario ............................................................................................................... 27 Proceso................................................................................................................................. 28 Metabolismo industrial ..................................................................................................30 Diagrama de bloques .....................................................................................................34 E�ciencia, e�cacia, efectividad y productividad ...................................................38 Indicadores unitarios ......................................................................................................38 Sectores de la producción ............................................................................................ 40 Recursos y producción ...................................................................................................41 Recursos naturales ........................................................................................................... 41 Análisis general .................................................................................................................43 Ejercicios propuestos...................................................................................................... 43 Bibliografía .........................................................................................................................47
Capítulo 2. Conceptos básicos, variables y condiciones de operación .............. 49
2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5. 2.2.6. 2.3. 2.3.1.
Sistemas de unidades .....................................................................................................49 Variables de proceso. ......................................................................................................54 Temperatura.......................................................................................................................54 Presión..................................................................................................................................58 Viscosidad ...........................................................................................................................60 Densidad .............................................................................................................................61 Densidad relativa o gravedad especí�ca .................................................................63 Volumen especí�co .........................................................................................................65 Unidades moleculares y estequiometría .................................................................66 Clasi�cación de la materia ............................................................................................ 66
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2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. 2.3.5. 2.3.6. 2.3.7. 2.4. 2.4.1. 2.4.2. 2.5. 2.5.1. 2.5.2. 2.5.3. 2.5.4. 2.5.5.
Estequiometría.................................................................................................................. 70 Reactivo límite y reactivo en exceso ......................................................................... 73 Grado de conversión.......................................................................................................73 Rendimiento ......................................................................................................................73 Productividad ....................................................................................................................73 Pureza................................................................................................................................... 74 Flujo ......................................................................................................................................75 Flujo másico y volumétrico........................................................................................... 75 Tiempo de retención.......................................................................................................76 Estado de los materiales. ............................................................................................... 77 Gases.....................................................................................................................................77 Líquidos ............................................................................................................................... 83 Sólidos .................................................................................................................................. 87 Soluciones...........................................................................................................................89 pH ..........................................................................................................................................98 Ejercicios resueltos ........................................................................................................100 Ejercicios propuestos....................................................................................................106 Bibliografía........................................................................................................................110
Capítulo 3. Energía, combustibles y combustión............................................... 111
3.1. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.2.1. 3.2.2.2. 3.2.2. 3.2.3. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.5.
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Introducción.....................................................................................................................111 Conceptos básicos .........................................................................................................112 Calor sensible...................................................................................................................117 Calor latente.....................................................................................................................117 El calor de vaporización ...............................................................................................118 El calor de fusión ............................................................................................................118 Calor latente.....................................................................................................................117 Calor especí�co...............................................................................................................118 Combustible, poder calorí�co y combustión.......................................................120 Combustible.....................................................................................................................120 Poder calorí�co ...............................................................................................................123 Combustión......................................................................................................................124 Caldera ...............................................................................................................................129 Termoquímica. ................................................................................................................133 Calor de reacción............................................................................................................134 Calor de formación ........................................................................................................134 Calor normal de combustión .....................................................................................134 Combustión y medio ambiente ................................................................................136 Problemas resueltos......................................................................................................138
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Ejercicios propuestos ...................................................................................................153 Bibliografía........................................................................................................................156 Capítulo 4. Operaciones y procesos unitarios .................................................... 157
4.1. Operaciones Unitarias ..................................................................................................158 4.1.1. Absorción ..........................................................................................................................158 4.1.2. Adsorción ..........................................................................................................................161 4.1.3. Agitación ...........................................................................................................................165 4.1.4. Briquetizado o Aglomerado .......................................................................................169 4.1.5. Centrifugación ................................................................................................................171 4.1.6. Cristalización....................................................................................................................174 4.1.7. Desorción ..........................................................................................................................176 4.1.8. Destilación ........................................................................................................................177 4.1.9. Evaporación .....................................................................................................................179 4.1.10. Extracción líquido-líquido...........................................................................................182 4.1.11. Filtración............................................................................................................................184 4.1.12. Flotación............................................................................................................................188 4.1.13. Lio�lización ......................................................................................................................189 4.1.14. Lixiviación .........................................................................................................................190 4.1.15. Reducción de tamaño ..................................................................................................194 4.1.16. Secado................................................................................................................................197 4.1.17. Sedimentación ................................................................................................................202 4.1.18. Tamizado ...........................................................................................................................203 4.2. Procesos Unitarios .........................................................................................................206 4.2.1. Combustión......................................................................................................................207 4.2.2. Escaldado ..........................................................................................................................208 4.2.3. Esterilización ....................................................................................................................210 4.2.4. Fermentación ..................................................................................................................213 4.2.5. Hidrogenación ................................................................................................................215 4.2.6. Hidrólisis ............................................................................................................................216 4.2.7. Pasteurización .................................................................................................................217 4.3. Mezclas de gas y vapor ...............................................................................................219 4.3.1. Curva de presión de vapor..........................................................................................221 4.3.2. Mezclas de vapor con gas ...........................................................................................225 4.3.2.1. Humedad absoluta (HA) ..............................................................................................225 4.3.2.2. Humedad absoluta de saturación (HAs) ................................................................227 4.3.2.3 Mezclas de vapor y gas no saturadas......................................................................227 4.3.2.3.1. Temperatura de bulbo seco (T) .................................................................................227 4.3.2.3.2. Temperatura de rocío ...................................................................................................227
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4.3.2.3.3. 4.3.2.3.4. 4.3.2.3.5. 4.3.2.3.6. 4.3.2.3.7. 4.3.2.3.8. 4.3.3. 4.3.3.1. 4.3.3.2.
Temperatura de bulbo húmedo (Tbh)....................................................................227 Humedad relativa (HR) .................................................................................................228 Porcentaje de Saturación (%S) ..................................................................................228 Volumen especí�co (Ve) ..............................................................................................228 Capacidad calorí�ca húmeda (Cch) .........................................................................229 Entalpía (H) .......................................................................................................................229 Carta sicrométrica ..........................................................................................................230 Proceso de saturación adiabática (secado)...........................................................231 Transferencia de calor a humedad absoluta constante (calentamiento o enfriamiento) ................................................................................233 4.3.3.3. Humidi�cación ................................................................................................................234 4.3.3.4. Deshumidi�cación.........................................................................................................234 Evaluación.........................................................................................................................236 Bibliografía........................................................................................................................241 Anexos ................................................................................................................ 243
Prólogo Nuestras empresas, hoy más que nunca, están obligadas a ser más competitivas para aprovechar las oportunidades que se presentan en una economía globalizada que plantea verdaderos retos. Las relaciones comerciales con países desarrollados, hacen de las certi�caciones en calidad, seguridad y medio ambiente, temas prioritarios para mantenerse en un mercado con unas condiciones de cambio bastante dinámicas. Como es bien sabido, los actuales procesos industriales, el transporte y en general, cualquier actividad antrópica, generan una variedad de residuos que terminan por afectar el entorno y, por consiguiente, el bienestar del hombre. Esto implica una gran responsabilidad para la sociedad actual, la cual debe formar personas integrales que se preocupen no solo por la e�ciencia y la e�cacia de las organizaciones, sino que, desde el punto de vista productivo, involucren el concepto de desarrollo sostenible y responsabilidad social empresarial en todas sus actividades, logrando garantizar un mundo igual o mejor para las futuras generaciones. El autor, tratando de explorar de una manera conjunta el tema de los procesos productivos y su relación con el medio ambiente, ha desarrollado los conceptos principales que permiten interpretar y analizar las variables que condicionan el buen funcionamiento de dichos procesos. A su vez, da las bases para que los ingenieros formados y sus futuros colegas, comprendan el efecto que las operaciones unitarias y los procesos unitarios, integrados como procesos, pueden tener sobre el medio ambiente. Se observa a través de los temas tratados en el libro, que toda la temática es de gran importancia no solo para la Ingeniería, sino para muchas otras profesiones. Esto resalta su importancia, pues bajo esta estructura, son escasos los textos que se encuentran disponibles para estudiantes y profesores. Por otro lado, presenta en cada capítulo, una serie de problemas resueltos y propuestos que
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permiten al lector un mejor entendimiento de los temas y que complementan bien la teoría expuesta. Además, el lenguaje empleado en el desarrollo del libro es sencillo, con ejemplos prácticos, lo cual facilita el entendimiento de la idea que en esencia se pretende transmitir, como es el que no solo se debe pensar en producir, sino en producir conscientemente desde el punto de vista ambiental. Finalmente, se pretende entregar los argumentos necesarios para que las personas encargadas del manejo de los procesos productivos, desde el punto de vista técnico y administrativo, comprendan que la responsabilidad ambiental con la que hoy en día se producen los bienes y servicios, constituye un factor más de competitividad. Fernando Méndez Delgado
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Introducción El nuevo paradigma de la contaminación ambiental hace necesario conocer el funcionamiento interno de los procesos productivos, para evitar, en lo posible, el manejo de soluciones al �nal del tubo. Es mejor aplicar el concepto de Producción Más Limpia (PML), para manejar la dimensión ambiental como uno de los factores de competitividad. La globalización de la economía, representa un reto para la economía del país en general y, obviamente, para el sector productivo en particular. Ya no se produce para un mercado interno donde la competencia tiene, básicamente, las mismas condiciones de tecnología; ahora, el concepto de competencia implica tener que enfrentar tecnologías de avanzada, donde la mínima diferencia en la forma de producir o en la forma de disponer de los residuos, signi�ca un nuevo factor de competitividad. Cuando un ingeniero está encargado de tomar decisiones en un proceso productivo, es importante que comprenda y que tenga el conocimiento de todos los componentes de dicho proceso. Las operaciones unitarias y los procesos unitarios son los eslabones que componen la cadena llamada proceso productivo . Nadie puede tomar una buena decisión sobre algo que no conoce y mucho menos, si no tiene claro que es en el proceso productivo donde buena parte de los recursos de la empresa pueden multiplicarse, o dilapidarse, en el intento de dar valor agregado a los insumos y a las materias primas. Si el ingeniero está en capacidad de comprender el proceso productivo, y no lo maneja como una caja negra, los conceptos de e�ciencia, e�cacia, productividad y desarrollo sostenible, pueden ser alcanzados y manejados en un menor tiempo y con un gasto mínimo de recursos. Así, se puede contribuir a obtener la tan anhelada competitividad sin olvidar que si se quiere sobrevivir en este mundo de fronteras abiertas, o mejor, sin fronteras, es necesario ser innovador. El texto, en general, tiene como uno de sus objetivos principales, dar las herramientas necesarias al ingeniero para que pueda estudiar el proceso pro-
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ductivo desde adentro, no como una caja negra, donde el proceso productivo se estudia sin ningún tipo de contacto interior. El nuevo paradigma de la producción industrial implica que no debe desligarse, desde ningún punto de vista, la producción y el impacto que dicha actividad causa en el medio ambiente. Por esta razón, en cada capítulo se aborda el tema pertinente con el enfoque de la ingeniería de producción, pero siendo consciente de las implicaciones que sobre el medio ambiente puede tener dicha actividad. En ningún momento existe congruencia entre el ingeniero y sus decisiones, si éste no se encuentra capacitado en el tema de la relación que existe entre industria y medio ambiente, entre proceso industrial e impacto ambiental; es decir en el marco de la responsabilidad social empresarial. En el primer capítulo se estudian los aspectos generales sobre los procesos productivos. Se muestra la ubicación del proceso productivo en el entorno, se de�nen los conceptos de operaciones unitarias y procesos unitarios a la vez que se estudian las etapas que componen un proceso productivo, incluyendo la nueva versión de los procesos y el medio ambiente. Se de�ne el concepto de metabolismo industrial y se compara con el concepto de metabolismo natural. En este primer capítulo, también se de�nen los conceptos de e�ciencia, e�cacia y efectividad, para dar un enfoque de productividad teniendo en cuenta los indicadores de producción junto a los relacionados con el entorno. Se analizan los recursos naturales y su relación con el abastecimiento de materias primas e insumos necesarios para la producción, a la vez que se relacionan los residuos del proceso y el entorno. En el segundo capítulo se desarrollan los conceptos básicos, las variables y las condiciones de operación de la producción. Además, se da a entender que debe haber claridad en las unidades de todas y cada una de dichas variables y condiciones de proceso, se hace énfasis en el sistema internacional de medidas. Se analizan las condiciones de proceso y se deja claro el concepto y la incidencia que pueden tener en la calidad del producto �nal, en la productividad y en el impacto ambiental. Este enfoque se realiza desde el punto de vista físico y desde el punto de vista químico; igualmente, desde el estado de agregación de los materiales. El tercer capítulo presenta los conceptos de energía, combustibles y combustión; se describen los tipos de combustibles y su poder calorí�co. Se estudia el concepto de calor sensible y calor latente al igual que las fórmulas utilizadas para su cálculo. A raíz de la tremenda incidencia ambiental que conlleva el uso
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
de combustibles fósiles en la industria, se analiza el efecto de invernadero, la lluvia ácida y el impacto en los ecosistemas. En el capítulo cuarto se estudia cada una de las principales operaciones y procesos unitarios, indicando el principio de la separación o funcionamiento, el tipo de material que se maneja, el proceso productivo donde se puede utilizar la operación o proceso unitario, el equipo usado, los problemas que se pueden presentar en su funcionamiento normal y su incidencia ambiental. Se analiza la importancia que tiene para la industria el uso del aire como materia prima o como insumo. El aire en la naturaleza tiene un componente importante como es la humedad, motivo por el cual se utiliza la carta sicrométrica para establecer el comportamiento de una mezcla conformada por vapor y por gas. De acuerdo con los requerimientos de los procesos productivos, el aire debe tener ciertas condiciones, por lo cual, se analiza la humidi�cación, la deshumidi�cación, el calentamiento, el enfriamiento y el secado a partir del aire del medio ambiente. Como recomendación al docente que imparta la cátedra de procesos industriales y que se fundamente en el presente texto, es de suma importancia que tenga claro que debe existir una simbiosis entre la práctica y la teoría. Difícilmente sus estudiantes se van a poder imaginar una centrífuga o un �ltro de prensa, y si se imaginan una caldera lo más probable es que el término que quede gravado sea el de una olla pitadora. Se debe conocer la industria, hay que ir a diferentes procesos, pero siempre bajo dos ópticas: la producción y el medio ambiente.
El presente trabajo también da las primeras herramientas al ingeniero para que pueda entrar a un campo que se puede considerar el corazón de la organización y donde una mala decisión pone en serio peligro los recursos escasos de que se dispone. Ya no se debe pensar solamente en producir, sino producir bajo el concepto de la responsabilidad ambiental. Bienvenidos, entonces, al mundo de los procesos productivos y su sinergia con el medio ambiente.
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Capítulo
1 Procesos productivos 1.1. Introducción 1.1.1. Proceso productivo. Es la transformación de un material que se encuen-
tra en un estado inicial llamado materia prima, a través de una serie de etapas que, en su conjunto, se denominan proceso; todo esto, para llevarlo a un estado �nal denominado producto. La clasi�cación de los procesos se puede realizar desde diferentes puntos de vista. Uno de ellos es de acuerdo al carácter del producto que se obtiene: puede ser un bien o mercancía, el cual es tangible y materializado (cemento o aceite), o puede ser un servicio, el cual es intangible y se concreta en un resultado de naturaleza fundamentalmente no material (mensajería o asesoría). No se tiene una frontera claramente de�nida entre ellos, por lo cual, existen muchas posibilidades intermedias. Hay empresas de producción de bienes que también suministran servicios (mantenimiento, capacitación, etc.) y empresas de servicios, que suministran bienes complementarios (material didáctico, por ejemplo). En los procesos de producción de bienes o mercancías se pueden encontrar tres categorías: por proyecto, por función y por producto. Los procesos por proyecto son de carácter único o de gran envergadura y el producto se fabrica por etapas (un avión, un buque, una represa, etc.). Los procesos por función se caracterizan por obtener múltiples artículos en una misma instalación, tienen alta �exibilidad, baja automatización y maquinaria universal (torno, fresadora, dobladora, etc.). Los procesos por producto se pueden clasi�car de acuerdo al tipo de sistema que manejen. Existen sistemas de manufactura de piezas discretas (discontinuas) en los cuales, cada pieza de material individual es manejada separadamente y cada una de ellas puede cortarse, arreglarse o manipularse
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para un posterior ensamble, simple o complejo, para un todo. Otro sistema es el procesamiento de líquidos, gases, sólidos, soluciones o emulsiones, los cuales se manejan de una manera global pudiendo llegar a encontrar, en un mismo proceso, varios de los estados anteriores. Otra clasi�cación es por integración, por desintegración y por servicios. La integración consiste en tomar más de un tipo de materia prima y obtener un producto por unión de ellas (gaseosa, pintura, mermelada); la desintegración toma una materia prima (petróleo) y obtiene de ella varios productos (gasolina, aceite, etc.). Los servicios implican transformaciones no tangibles desde el punto de vista material. A continuación se presenta una clasi�cación según actividades, en la cual aparecen las más representativas de la industria y que cubre, prácticamente, la mayoría de los sectores industriales. Industria papelera Industria maderera Fabricación de jabones Fabricación de detergentes Fabricación de pólvora Industria del caucho Fabricación de productos Fabricación de plaguicidas Fotográ�cos Industria de la fermentación Fabricación de �bras Fabricación de plásticos Carboquímica Destilación seca del carbón Petroquímica Industria de la química inorgánica Industria de la química Industria del vidrio Orgánica Industria del cemento Metalurgia Fabricación de harinas Fabricación de cerámica Fabricación de azúcar Fabricación de conservas Destilación seca de carbón Fabricación de cerveza Industria textil Fabricación de pilas y baterías Industria de la descontaminación Existe además, una clasi�cación internacional por actividades económicas, conocida como Clasi�cación Industrial Internacional Uni�cada (CIIU)1 . Los siguientes, son ejemplos de esta clasi�cación con el código y la actividad correspondiente.
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http://www8.madrid.org/iestadis/ciiurev21.htm
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0111 Producción especializada del café. 0114 Producción especializada de caña de azúcar. 0115 Producción especializada de cereales y oleaginosas. 0122 Cría especializada de ganado porcino. 0130 Actividad mixta (agrícola y pecuaria). 0201 Silvicultura y explotación de la madera. 0501 Pesca y cultivo de peces en criaderos y granjas. 1020 Extracción y aglomeración de carbón. 1110 Extracción de petróleo crudo y de gas. 1320 Extracción de metales preciosos. 1421 Extracción de minerales para la fabricación de abonos y productos químicos. 1511 Producción, transformación y conservación de carne y de derivados cárnicos. 1512 Transformación, conservación de pescado y derivados de pescado. 1522 Elaboración de aceites y grasas de origen vegetal y animal. 1530 Elaboración de productos lácteos. 1571 Fabricación y re�nación de azúcar. 1591 Destilación, recti�cación y mezcla de bebidas alcohólicas; producción de alcohol etílico a partir de sustancias fermentadas. 1594 Elaboración de bebidas no alcohólicas; producción de aguas minerales. 1710 Preparación e hilatura de �bras textiles. 1910 Curtido y preparado de cueros. 2101 Fabricación de pastas de celulosas; papel y cartón. 2321 Fabricación de productos de la re�nación del petróleo. 2411 Fabricación de sustancias químicas básicas. 2412 Fabricación de abonos y compuestos inorgánicos nitrogenados. 2413 Fabricación de plásticos en formas primarias. 2421 Fabricación de plaguicidas y otros productos químicos de uso agropecuario. 2422 Fabricación de pinturas y barnices. 2424 Fabricación de jabones y detergentes. 2610 Fabricación de vidrio y de productos de vidrio. 2694 Fabricación de cemento, cal y yeso. 2710 Industrias básicas de hierro y de acero. 3710 Reciclaje de desperdicios y desechos metálicos. 3720 Reciclaje de desperdicios y desechos no metálicos.
En la siguiente clasi�cación, igualmente de la CIIU, se agrupan las actividades por categorías económicas. Categoría A: Agricultura, ganadería, caza y silvicultura. Categoría B: Pesca. Categoría C: Explotación de minas y canteras. Categoría D: Industrias manufactureras. Categoría E: Suministro de electricidad, gas y agua. Categoría F: Construcción Categoría G: Comercio Categoría H: Hoteles y restaurantes. Categoría I: Transporte, almacenamiento y comunicaciones. Categoría J: Intermediación �nanciera.
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Categoría K: Categoría L: Categoría M: Categoría N: Categoría O: Categoría P: Categoría Q:
Actividades inmobiliarias. Administración pública y de defensa. Enseñanza. Servicios sociales y salud. Actividades de servicios comunitarios y sociales. Hogares privados con servicio doméstico. Organizaciones territoriales.
Los procesos productivos también se clasi�can de acuerdo a la continuidad o no de los materiales, cuando entran o cuando salen de la planta productiva o de una unidad de proceso. De acuerdo con este criterio, los procesos químicos pueden ser continuos, discontinuos o semicontinuos. Los procesos continuos son aquellos en los cuales hay un �ujo continuo de materia tanto en la entrada como en la salida, en el tiempo que dure el proceso. Para efectos de mayor comprensión considere un tanque al que está entrando permanentemente un �uido (agua, por ejemplo) pero también está saliendo, sin que necesariamente sean iguales las cantidades de entrada y salida. Los procesos discontinuos o por lotes son aquellos en los cuales no entra ni sale materia, en el tiempo transcurrido entre la carga de materias primas y la salida del producto; considere un tanque que se carga con agua y azúcar para someterlo al proceso de agitación: el proceso es discontinuo mientras se esté agitando, siempre y cuando no entre agua ni azúcar, ni salga solución azucarada. Un proceso semicontinuo es aquel en el cual las entradas de materia son nulas o de una manera intermitente y las salidas son continuas; o las entradas de materia son continuas y las salidas nulas o de manera intermitente. Los procesos discontinuos pueden combinarse para formar uno continuo. Esto se puede lograr manejando varios lotes (tres, por ejemplo) de tal manera que, cuando uno está listo se empieza a desocupar y cuando éste se está agotando, se empieza a desocupar el segundo lote dando continuidad a la obtención del producto, entendiendo por producto lo que sale de cada lote. Cuando el segundo lote se está agotando, se empalma con el tercero y cuando el tercero está terminando, el primer lote debe estar listo para empezar de nuevo el proceso. Los procesos continuos se usan generalmente para producción considerable de productos y tienen la ventaja de mantener constante la calidad dada sus condiciones de estado estable (no cambia sus condiciones de operación con el
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
tiempo). Lo contrario se presenta con los procesos discontinuos, aunque es claro que la automatización de los equipos y en general de los procesos, ha permitido manejar calidad constante de una u otra forma. Son muchos los ejemplos que la industria muestra para cada uno de ellos. 1.1.2. Cadena productiva. Actualmente se está manejando el concepto de cadenas productivas y dentro de ellas se encuentra el concepto de cadena/ producto. Cadena productiva es el conjunto de agentes económicos que par-
ticipan directamente en la producción, en la transformación y en el traslado hasta el mercado de realización de un mismo producto2 . Cadena productiva es la integración de varios procesos productivos donde el producto del proceso anterior es la materia prima del siguiente. Ejemplo de cadena productiva es la del algodón, textil, confección: desmotadora, hilatura, textiles, confecciones; y con la semilla, que se obtiene en la desmotadora, se pueden integrar otros sistemas productivos como el de aceites, margarinas, concentrados para animales, repostería, etc. La importancia de esta organización de procesos en cadena radica en que se debe trabajar en equipo, realizar alianzas, cooperar con los proveedores de materias primas e insumos, es decir, no se debe pensar exclusivamente en una empresa sino en todas de una manera integral ya que si una empresa dentro de la cadena tiene problemas, los tienen las demás que participan en la cadena productiva. Así mismo, los residuos de una industria pueden ser aprovechados por otra industria y así crear una verdadera cadena para permitir que, lo que era considerado un residuo o problema, se convierta en una oportunidad para investigar. 1.1.3. Diagrama de proceso. Un proceso productivo se puede representar me-
diante un diagrama donde se integran las operaciones unitarias y los procesos unitarios, a la vez que se pueden colocar las condiciones con las cuales opera cada uno de los equipos: presión, temperatura, pH, concentración, etc. También se puede indicar la cantidad de materia que entra y sale de cada equipo; esta información es de vital importancia para el desarrollo del balance de materia del proceso.
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Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura IICA.
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El diagrama de un proceso se puede enfocar desde varios puntos de vista: unos analizados de una manera muy general y, otros, que entran más en detalle. Algunos de ellos son: Medio Ambiente
RP Producción MP
RC Consumo
Figura 1.1. Diagrama general de la producción y el consumo sin reciclaje.
En el diagrama se puede observar la forma de producción que no tiene en cuenta el medio ambiente ni los conceptos de productividad: se extraen las materias primas (MP) del medio ambiente y se usan en los sistemas productivos dando un valor agregado, para luego descargar al medio ambiente los residuos de la producción (RP) y los residuos del consumo (RC). Otra clase de diagrama es el de proceso especí�co: Productos
Materia prima
Energía
Insumos
P R O C E S O
Sub-Productos Energía Residuos
Figura 1.2. Diagrama del proceso productivo sin reciclaje ni recuperación de energía.
Esta clase de diagrama no tiene en cuenta conceptos importantes como productividad y producción limpia, ya que los materiales que salen pueden causar un impacto negativo en el medio ambiente. Además, cantidades apreciables
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
de recursos que fueron invertidos en materias primas e insumos están siendo desaprovechados y arrojados como desechos, al medio ambiente. Los anteriores diagramas pueden considerarse desde otro punto de vista, así como se muestra en la Figura 1.3. Los elementos que aparecen dentro del óvalo punteado son parte del sistema económico, los cuales se encuentran inmersos dentro del ambiente natural. La economía diferencia claramente dos sectores: los productores y los consumidores. La categoría productores incluye a todas las empresas que toman materias primas e insumos y los convierten, dándoles un valor agregado, en productos útiles y en servicios. Todos los bienes y servicios producidos son derivados de materiales y de la aplicación de los insumos energéticos empleados en la producción. Los bienes y servicios producidos �uyen luego hacia los consumidores. En la Figura 1.3 se observa que se puede reciclar o reutilizar material hacia los sistemas productivos y de consumo, minimizando la cantidad de material que se arroja al medio ambiente. Por un simple balance de materia sencillo, se observa que disminuye la cantidad de recursos extraídos del medio ambiente para una determinada cantidad de producción.
Figura 1.3. Diagrama general de la producción y el consumo con reciclaje.
Un balance general al sistema muestra que lo que entra es igual a lo que sale (principio fundamental de todo balance de materia y energía): MP = RnP + RnC
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(1.1)
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Si se realiza un balance de materia considerando solamente el sistema de producción, se obtiene la siguiente ecuación: MP + ReP + ReC = B + RbP
(1.2)
Despejando las materias primas (MP) se tiene que: MP = B + RbP – (ReP + ReC)
(1.3)
La ecuación anterior indica que la cantidad de materias primas es igual a la producción de bienes B, más los residuos de la producción RbP, menos las cantidades que se reciclan por parte de los productores ReP y de los consumidores ReC. Uno de los principales objetivos es disminuir el impacto causado al medio ambiente. Esto se logra al disminuir la cantidad de materias primas consumidas en los procesos productivos y, por consiguiente, al disminuir la cantidad de materiales extraídos del medio ambiente. Hay esencialmente tres formas de lograr esta reducción: aumentando el reciclado de la producción (ReP), aumentando el reciclado del consumo (ReC), o bien disminuyendo la producción de bienes (B) y/o residuos de la producción (RbP). El otro diagrama, bajo los mismos principios mencionados, es el siguiente: Energía recuperada
Materiales recuperados
Figura 1.4. Diagrama del proceso productivo con reciclaje y con recuperación de energía
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Los residuos generados en un proceso pueden provenir de las operaciones unitarias o procesos unitarios, o de actividades inherentes al proceso productivo (embalaje de materia prima o insumos, papelería de o�cina, mantenimiento de maquinaria o equipo, etc.). Estos residuos pueden convertirse en un problema para la industria desde el punto de vista de disposición de ellos y más, si son contaminantes, ya que pueden causar impactos ambientales por los cuales la empresa tiene que responder. La idea no es buscar la forma de disponer de ellos de una manera adecuada o darles un valor; la idea es no generarlos, como lo dice el interesante concepto de Producción Más Limpia (PML), ya que de lo contrario, se tendría que pensar en soluciones al �nal del tubo. Estas son acciones correctivas, como plantas de tratamiento de aguas residuales, sistema depurador de gases o sistema de tratamiento de residuos sólidos; esto implica, naturalmente, más consumo de recursos. En términos generales se puede decir que los materiales que salen de un proceso pueden ser líquidos, gaseosos o sólidos como sustancias puras o bajo la forma de soluciones o mezclas. Desde el punto de vista de la contaminación ambiental, las descargas de líquidos son vertimientos, la de sólidos son residuos y la de gases son emisiones. La energía que sale de un proceso puede ir con cualquiera de las tres formas en que sale el material: agua caliente, gases calientes (aire), gases combustibles (CO, H2S, CH4), o sólidos combustibles (aserrín, viruta de madera o cascarilla de arroz), por ejemplo.
1.2. El proceso y sus componentes 1.2.1. Operación Unitaria. Etapa que compone un gran número de procesos
en la cual se realizan cambios o transformaciones físicas. Es independiente del proceso en particular donde se realiza y se cumple, siempre, bajo el mismo principio, en todos los procesos. La destilación que se realiza en la separación de los componentes de un petróleo tiene el mismo principio de la destilación que se realiza para obtener alcohol de la fermentación del jugo de caña. Son ejemplo de operación unitaria: �ltración, sedimentación, secado, centrifugación, destilación, tamizado, lixiviación, etc. 1.2.2. Proceso Unitario. Etapa que compone los procesos de producción en la
cual se realizan cambios químicos o bioquímicos. Es independiente del proceso
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donde se realice y se cumple bajo el mismo principio en todos los procesos; el tratamiento biológico de aguas residuales en condiciones anaerobias está relacionado con la fermentación de la lactosa para producir yogur. Son ejemplo de proceso unitario: cloración, combustión, fermentación, hidrogenación, etc. Estas de�niciones tienen un carácter relativo en algunas ocasiones y se recomienda, tener mucho cuidado en el momento de su aplicación. Una operación considerada unitaria puede tener el carácter de las dos; una mezcla de dos sustancias se puede considerar operación unitaria vista como una actividad puramente mecánica, pero puede convertirse en proceso unitario, si se realiza la mezcla con adición simultánea de calor, con lo cual puede haber cambio químico de uno de los dos componentes. Diferenciar especí�camente si se trata de un proceso unitario o de una operación unitaria no debe ser lo determinante. Lo realmente importante es tener la visión y claridad para saber cual es el objetivo con el que fue diseñada la operación unitaria o el proceso unitario dentro del proceso productivo. El diagrama general de un proceso se puede representar como muestra la siguiente �gura, sin que esto implique, que todos los procesos tienen todas las etapas indicadas. Algunos, por ejemplo, pueden manejar la �losofía del justo a tiempo y para ellos el almacenaje no es signi�cativo. Para otros, la adecuación de materiales o la puri�cación de productos son etapas que pueden no existir. Merece especial atención el hecho de que las emisiones, los residuos son materiales que pueden contener energía y, como tal, son dignos de ser tenidos en cuenta ya sea como fuente de recursos o como futuros problemas. 1.2.3. Proceso. Es una serie de etapas llamadas operaciones unitarias y procesos
unitarios en una secuencia lógica, donde materias primas de buena calidad y que han sido obtenidas sin hacer daño al ambiente, se transforman de una manera segura, económicamente rentable y ambientalmente amigable, en productos de buena calidad que satisfacen las expectativas del cliente y que durante su uso y posterior a él, no causan un impacto negativo en el medio ambiente. En términos estrictos, en un proceso no deberían existir residuos, y si los hay, éstos deben poder integrarse al mismo proceso productivo o a otro; este otro puede ser la misma naturaleza (siempre y cuando sean compatibles). El nuevo concepto de proceso implica minimizar al máximo el �ujo de materiales y energía que sale de las etapas de adecuación, obtención o extracción y puri�cación de productos, tomados como residuos. Estos �ujos pueden convertirse en un
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Materiales Energía
Análisis y recibo de materiales
Almacenaje
Adecuación de materiales Materiales Energía
Materiales Energía Obtención o extracción de producto Puri�cación de productos
Almacenaje de productos
Materiales Energía Figura 1.5. Estructura general de un proceso productivo.
problema desde el punto de vista de disposición de residuos, o ser económicamente un gasto de recursos, cuando la verdad es que pueden generar recursos ya que, fácilmente, están formados por materiales que se pueden involucrar nuevamente en el mismo proceso productivo o en otro. Además, puede ser energía recuperable a un costo más bajo que el de los combustibles fósiles que se compran y se usan en la empresa (gas natural, petróleo o carbón).
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El diagrama general de un proceso está conformado básicamente por la estructura que se muestra en la Figura 1.5. En ella, se puede evidenciar que un proceso productivo es el permanente �ujo de materia a través de la línea de producción, bien sea en las materias primas, los insumos, los productos, los subproductos o los residuos. De igual manera, es el consumo energético de la maquinaria requerida para efectuar la operación y/o proceso unitario o para el transporte de los materiales de un equipo a otro. Un estudiante preguntó en clase si con esta de�nición, los procesos productivos existían; realmente no, pero la idea es llegar a ellos, tal y como están de�nidos, como una visión o como un objetivo que posiblemente nunca se alcance, pero que se debe tratar de lograr, por nuestro propio bien. Las etapas del proceso están formadas por operaciones unitarias y/o procesos unitarios: la obtención del producto implica un proceso unitario, mientras que la extracción es realizada, generalmente, por una operación unitaria. La obtención del kumis mediante principio enzimático y la obtención del aceite de la semilla de girasol por lixiviación con solvente, son ejemplos claros que permiten diferenciar obtención y extracción. Sin embargo, se puede presentar el caso de una obtención de producto a nivel industrial que sea una secuencia de proceso unitario con operación unitaria; por fermentación de melaza se obtiene el alcohol, pero se requiere de la destilación para puri�carlo. Generalmente, las etapas que componen la adecuación de las materias primas y la puri�cación del producto son las que más residuos producen en la mayoría de los procesos productivos. Esto, es ocasionado por la di�cultad que implica obtener materias primas o productos con alta pureza, ocasionando la inevitable adecuación y puri�cación. Por lo tanto, se debe centrar la atención del encargado del proceso en tomar las operaciones y/o los procesos que conforman estas etapas, como serias candidatas para aplicar el concepto de Producción Más Limpia (PML). Sin embargo, no se puede olvidar que las otras etapas, muchas veces, también producen residuos de una manera signi�cativa. 1.2.4. Metabolismo industrial. Como se explicó anteriormente, las etapas que
componen el proceso productivo, están formadas por operaciones y/o procesos unitarios. No obstante lo anterior, otra forma de ver el proceso productivo es desde el punto de vista del metabolismo industrial . Sin embargo, es importante que el lector responda los siguientes interrogantes: ¿Sabe qué signi�ca metabolismo? ¿Sabe cuáles son las etapas que conforman el metabolismo? ¿Sabe
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
qué proceso industrial utiliza el metabolismo de ciertos microorganismos, para obtener productos importantes a nivel alimenticio o médico? ¿Sabe qué microorganismos son usados a nivel industrial y qué productos se obtienen? Un individuo se caracteriza por su metabolismo. El metabolismo de un individuo es un intercambio complejo de materiales entre dicho individuo y el medio exterior (entorno). Comprende las siguientes fases: consumo, asimilación, desasimilación y expulsión. Se puede a�rmar que las sustancias que salen del individuo en la desasimilación y expulsión son utilizadas en el metabolismo de otro ser vivo: el dióxido de carbono producido en la respiración del hombre es usado en la fotosíntesis de las plantas, el alcohol etílico producido por las levaduras es usado por bacterias para producir ácido acético, los compuestos orgánicos sencillos producidos por hidrólisis en el tratamiento de aguas residuales son asimilados por las bacterias generadoras de ácidos y los ácidos son usados como alimento por otra generación de bacterias que producen metano y dióxido de carbono. En términos generales, el metabolismo industrial es un proceso a través del cual, el hombre transforma materiales y energía en productos (bienes y servicios), que le son necesarios para su vida, su desarrollo y, obviamente, para su bienestar. Se puede establecer un paralelo entre el metabolismo industrial del hombre y los procesos que ocurren en la naturaleza, como metabolismo biológico. En el metabolismo biológico se realiza la fotosíntesis donde se usa el dióxido de carbono (CO2), el agua, los minerales y la energía del sol para la producción de macromoléculas altamente energéticas, con la producción de oxígeno como un “residuo”. Estas moléculas altamente energéticas como los carbohidratos, por ejemplo, son usadas por seres aerobios, mediante el proceso de respiración para liberar dicha energía y producir su propia biomasa, tomando el oxígeno (O2) que había sido liberado en el proceso de fotosíntesis. Se puede, entonces, a�rmar que en el metabolismo biológico los residuos y productos de una actividad son la materia prima de otra actividad, sin que existan residuos o desperdicios como tal. El proceso industrial humano o metabolismo industrial depende de unos procesos para transformar unas reservas heredadas, en materiales industriales (a similitud de la biomasa), usando unas moléculas ricas en energía (combustibles fósiles). El sistema industrial produce también residuos, especialmente dióxido de carbono en cantidades considerables. Es importante mencionar que existen unos procesos industriales que son más depredadores que otros en cuanto al
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consumo de recursos, otros que generan más residuos y otros, en términos generales, que son menos e�cientes. Un análisis del sistema productivo de alcohol carburante, por ejemplo, muestra cómo el mayor porcentaje de los materiales que se usan como materia prima o como insumo, son luego arrojados al medio. Sin embargo, desde el punto de vista ambiental, no se puede a�rmar que un proceso por integración puede generar más o menos residuos que un proceso por desintegración ¿qué diferencia existe entre un proceso por integración y uno por desintegración? Exploración y extracción de materias primas
Exploración y extracción de fuentes de energía
Residuos
Residuos Transformación
Transformación
Residuos
Residuos Proceso productivo Producto
Consumidor doméstico
Consumidor Industrial Residuos Residuos
Disposición Esta disposición puede generar más residuos vertidos y emisiones Figura 1.6. Estructura general del metabolismo industrial
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
En el metabolismo biológico existe una etapa llamada anabolismo o formación de biomasa y una llamada catabolismo o desasimilación de algunos materiales. En el sistema industrial existen etapas equivalentes. Así, en el caso de los fenómenos biológicos, la energía es transportada por moléculas especializadas como el Difosfato y el Trifosfato de Adenosina (ADP y ATP), mientras que en el sistema industrial, la energía es transportada por el vapor, la electricidad o los productos químicos intermedios. Por otra parte, el proceso de síntesis en los sistemas biológicos permite obtener macromoléculas de elementos químicos sencillos y en el proceso de síntesis industrial, sucede algo similar (fábricas). A pesar de existir notables similitudes, también existen profundas diferencias en cuanto a su funcionamiento. Los sistemas biológicos cuentan con procesos de digestión de los animales que descomponen las macromoléculas en sus diferentes elementos, para una reutilización más e�caz de los mismos; es decir, existe toda una serie de organismos especializados en la descomposición. En cambio, en los sistemas industriales actuales, esta función está atro�ada o subdesarrollada; los sistemas industriales, a diferencia de los sistemas biológicos, no han logrado crear un ciclo cerrado, basado únicamente en fuentes de energía renovable, procedente, en últimas, del sol. El sistema de metabolismo industrial actual del hombre aparece, desde el punto de vista ambiental, como un sistema derrochador y contaminante. Derrochador, porque funciona empleando grandes cantidades de materia y energía, amenazando los recursos no renovables. Contaminante, porque es generador de sustancias que crean un desbalance o un desequilibrio en el aire, el agua y en general, en la tierra; todo esto ocurre en todas las fases del metabolismo industrial. Faltaría mencionar la contaminación y los residuos producidos por los sistemas de transporte, que hacen funcionar dicho metabolismo. Es importante por lo tanto, que el hombre trate de imitar el funcionamiento de los sistemas naturales y que recuerde las leyes de la ecología: “todo está relacionado con todo”, “nada es gratuito en la naturaleza”, “todo va a parar a alguna parte” y “la naturaleza sabe lo que hace” .
El “diagrama de proceso”, también conocido como “grá�cos de proceso” provee una descripción sistemática de un proceso o ciclo de trabajo con su�ciente detalle como para hacer análisis orientados a mejorar los métodos. Cada diagrama de proceso está diseñado para permitir que el analista vea claramente el procedimiento actual y para que varias personas puedan ver los problemas conjuntamente, lo que estimula un intercambio o creación conjunta de ideas.
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Los diagramas son excelentes instrumentos para la presentación de propuestas orientadas a encontrar perfeccionamiento de los procesos. De acuerdo con la norma para diagramas de proceso adoptada por la American Society of Mechanical Engineers en 1.9473 , las actividades del diagrama de proceso se conocen con cinco denominaciones, así:
Demora
Operación
Inspección
Inspección Operación
Almacenaje
El transporte ( ) es considerado una operación unitaria dentro del campo de la ingeniería química, sin embargo, a nivel de la ingeniería industrial, el transporte es considerado separado de las operaciones. 1.2.5. Diagrama de bloques. Una forma didáctica de estudiar los procesos es
mediante las etapas que componen su línea principal de transformación (columna vertebral). El diagrama de bloques muestra de una manera secuencial las operaciones y procesos unitarios, mediante cuadros o rectángulos que indican los �ujos de materiales que entran y salen por esa línea principal. Estos diagramas contienen el nombre de la operación o del proceso que se realice, los �ujos cuanti�cados de materia y energía, y en muchas oportunidades, contienen las condiciones de operación determinantes como la temperatura, la presión, la concentración, el pH, etc. Son una gran herramienta para visualizar y analizar balances de materia y energía; por consiguiente, sirven para llevar la contabilidad del proceso y para calcular índices de productividad y de contaminación ambiental (por ejemplo: toneladas de producto �nal obtenido, por cada tonelada de materia prima consumida; también puede ser toneladas de contaminante generado, por cada tonelada de producto �nal obtenido). Además, es importante recordar que cada operación o proceso unitario está asociado con un equipo que puede sobreentenderse o especi�carse: �ltración con �ltro, tamizado con tamiz, centrifugación con centrífuga, fermentación con reactor.
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MAYNARD, H. B: Manual de Ingeniería y Organización Industrial. Editorial Reverté Colombiana, SL. 1.988
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Del mismo modo, el diagrama de bloques permite al ingeniero analizar los problemas que se estén presentando en el proceso, por la forma integral como puede mirarse. Se puede analizar la secuencia de efectos que una modi�cación o perturbación introducida en el sistema, puede ocasionar. Ahora bien, el ingeniero puede clasi�car el proceso por temas, ayudándose con el diagrama de bloques, es decir: en un diagrama de bloques situar la información sobre el balance de materia; en otro diagrama de bloques colocar la información sobre condiciones de operación; en otro, información sobre residuos, vertimientos y emisiones del proceso, etc. Un ejemplo de diagrama de bloques para el balance de materia es el siguiente: 40 Centrifugación 30
70
Filtración
Agitación 70
230
100 160
90 Mezclado
Figura 1.7. Diagrama de bloques para balance de materia y/o energía.
En la Figura 1.7, los números pueden representar toneladas, por ejemplo. También son usados los símbolos de los equipos, para diagramas de proceso; los siguientes, son algunos ejemplos:
Silo
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Bomba Centrífuga
Elevador
Filtro prensa
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Los diagramas o grá�cos que representan un proceso describen las unidades constitutivas del mismo con un detalle, que es determinado por el objetivo que se esté buscando: desarrollar mejoras, ver el procedimiento actual, dar un lenguaje común, expresar cantidades de masa y/o energía, condiciones de operación o propuestas de mejora. Igualmente, un diagrama de bloques de un proceso, por ejemplo, puede ser usado para hacerle el seguimiento a una sola sustancia (agua), o a un tema especí�co (sustancias contaminantes). En el proceso, los equipos y las líneas de conducción están asociados con una numeración y un color que permiten identi�carlos y ubicarlos rápidamente; además, permite mejorar el control del equipo desde el punto de vista de mantenimiento, identi�car la línea principal de proceso, controlar de una manera más e�ciente las condiciones de operación del proceso y por lo tanto, la seguridad y la calidad del proceso y del producto. El código de colores usado en la industria, en términos generales, se aplica a muy pocas sustancias, dada la gran cantidad de materiales usados (verde para agua, azul para aire, rojo para ácido). Lo recomendable es aprender el código particular de cada empresa que, sin embargo, respeta cierta estandarización.
Para la numeración de equipos, el primer paso consiste en dividir en áreas el proceso y asignar un código numérico para cada una de estas áreas, siguiendo la línea principal de proceso (100, 200, 300, etc.). Se pueden tomar como punto de referencia las áreas típicas que conforman un proceso así: Unidad 100 = Análisis y recibo de materia prima. Unidad 200 = Almacenamiento de materia prima. Unidad 300 = Adecuación de materia prima. Unidad 400 = Obtención o extracción de producto. Unidad 500 = Puri�cación del producto. Unidad 600 = Almacenamiento del producto. Unidades adicionales y que no están en la línea principal de proceso, pueden ser: Unidad 700 = Tratamiento de aguas industriales Unidad 800 = Generación de calor y energía. Unidad 900 = Tratamiento de aguas residuales. En lo posible, las aguas residuales deben tratarse para volver a ser usadas en la industria, no obstante el alto costo que esto signi�ca en la actualidad.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Si el tamaño de las áreas es considerable, estas se pueden subdividir bajo el mismo número principal así: Unidad 100 = 110, 120, 130, 140, etc. Luego, se asocia una letra con cada equipo que generalmente es la primera letra del nombre de cada equipo o la primera, asociada con una letra intermedia o terminal: Cf = Centrífuga Fl = Filtro Bomba = B Tanque = T Compresor = Co
Si la planta se dividió en áreas como por ejemplo la 100 o la 200, entonces se inicia por la unidad 100 siguiendo la línea principal de proceso. El primer tanque de la unidad 100 será entonces el T-101; el segundo tanque que se encuentre en la unidad 100, siguiendo la línea de proceso, será el T-102; si las áreas se subdividieron, entonces el T-111 será el primer tanque de la unidad 110. En la industria los equipos se pueden encontrar en paralelo o en serie; cuando los equipos se encuentran en paralelo, es lógico pensar que cumplen la misma función y que tienen la misma capacidad. Cuando se encuentran en serie, generalmente cumplen funciones diferentes. Los equipos en paralelo pueden trabajar en forma alternada y son de mucha utilidad cuando se presenta un daño en uno de ellos, ya que se tiene la alternativa del reemplazo. Sin embargo, es muy costoso tener la otra alternativa. Si los tanques se encuentran en paralelo, entonces el primer par de tanques en paralelo de la unidad 100, siguiendo la línea principal de proceso, serán los T-101 A y T-101 B respectivamente. Para mayor comprensión, en la siguiente �gura se muestra el sistema en serie y en paralelo:
A1 A
B
A 2
Sistema en serie
Sistema en paralelo Figura 1.8. Sistema en serie y sistema en paralelo.
Como se dijo con anterioridad, la idea es evitar que el proceso productivo se maneje como una caja negra, pero ¿qué es una caja negra en producción? En términos generales, se considera una caja negra aquel proceso en el cual es
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muy difícil descubrir exactamente cómo los insumos se transforman en productos terminados4 :
Entradas
Salidas Figura 1.9. Diagrama de un sistema de caja negra
1.3. E�ciencia, e�cacia, efectividad y productividad Es importante recordar que el proceso productivo pertenece a una organización, y como tal, es muy importante conocer los vínculos y la posición que él tiene dentro de ella. Igualmente, en los sistemas de producción se usan con mucha frecuencia palabras como e�ciencia, e�cacia, efectividad y productividad, pero ¿qué signi�ca cada una de ellas? Muchas veces las empresas se conforman con elaborar los productos, pero no se realiza un análisis de cómo se logró la producción, es decir, cómo se usaron los recursos. La e�ciencia es la encargada de relacionar el grado de aprovechamiento de los recursos en el proceso productivo (cómo se aprovecharon la materia prima y los insumos). El producto debe cumplir con las exigencias del cliente en calidad, servicio y precio, dándole a la empresa el cumplimiento de los objetivos o la e�cacia. Es posible ser solamente e�cientes o solamente e�caces; ser efectivos signi�ca que se logran los objetivos a través del mejor método y el más económico, es decir, se logra la satisfacción del cliente con la óptima utilización de los recursos (la efectividad es producto de la e�ciencia y la e�cacia). La de�nición del término productividad varía ligeramente según la actividad de quien la dé; pero, en su de�nición más general, es la relación entre lo producido y lo consumido. Cuantitativamente la productividad es la razón entre la cantidad producida y la cantidad de recursos empleados en dicha producción. 1.3.1. Indicadores unitarios. La productividad generalmente se mide por índices (índices de productividad o indicadores unitarios), los cuales pueden calcu-
larse para cada uno de los productos relacionados con cada uno de los recursos 4
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BELTRAN Jaramillo, Jesús Mauricio. Indicadores de Gestión. 3R Editores, Bogotá. 1.998.
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
consumidos a través del proceso. La importancia del concepto de productividad en la gestión de producción y especí�camente en el proceso, justi�ca analizar un ejemplo, para una mejor comprensión de su signi�cado. Los siguientes son los resultados para un determinado periodo de producción: Producto terminado (vino)= $5’000.000 Mano de obra= $1’500.000 Materias primas= $1’000.000 Insumos= $200.000 Energía= $300.000 Se pueden calcular los siguientes indicadores unitarios de producción: Humana = $5’000.000 / $1’500.000 = 3,33 Materia prima= $5’000.000 / $1’000.000 = 5,00 Insumos = $5’000.000 / $200.000 = 25,00 Energética = $5’000.000 / $300.000 = 16,66 No se puede olvidar que el proceso está inmerso en un medio y que por lo tanto se encuentran elementos que, aunque no forman parte de él, pueden llegar a afectar su desempeño. Es el caso del componente ambiental, desde el punto de vista de normas para agua, aire y suelo, resaltando, aún más, el concepto de Producción Más Limpia (PML). Hoy en día, el componente ambiental toma mucha fuerza ya que las materias primas e insumos son suministradas de una manera directa o indirecta por la naturaleza (recursos) y a su vez, es la fuente receptora de los vertidos, emisiones y residuos generados por el proceso. Debido a la globalización de los mercados y teniendo en cuenta la importancia de la dimensión ambiental en la producción, la empresa debe actuar de una manera proactiva y no reactiva, si quiere ser competitiva. De acuerdo con esto, en la gestión se debe empezar a manejar el concepto de indicadores de contaminación o de consumo de recursos críticos a nivel local, regional y mundial (indicadores unitarios ambientales).
Los siguientes son ejemplos de indicadores unitarios ambientales que una industria, de acuerdo con su sistema productivo, puede calcular: • Toneladas de CO2 producidos/Tonelada de producto obtenido. • Metros cúbicos de agua residual generada/Tonelada de producto obtenido. • Kilogramos de DBO generados/Tonelada de producto obtenido.
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• Toneladas de residuos sólidos generados/Tonelada de producto obtenido. • Kilovatios - hora consumidos/Tonelada de producto obtenido. • Metros cúbicos de agua consumida/Tonelada de producto obtenido. • Energía desperdiciada/Tonelada de producto obtenido. • Masa de metales pesados en agua residual/Tonelada de producto obtenido. • Hectáreas de bosque sembradas/Tonelada de CO2 producido. • $ (pesos gastados)/Metro cúbico de agua residual tratada. Los indicadores unitarios son usados en gestión de los procesos productivos, lo mismo que en su seguimiento; es más, son de obligatorio cálculo en la industria. Qué puede responder un ingeniero ante el requerimiento de una producción de 500 toneladas de aceite. Seguramente pensará en la cantidad de materia prima que se va a consumir, los insumos, las horas-hombre y las horasmáquina, por ejemplo. Todos estos datos los obtiene de los indicadores unitarios tradicionales, sin tener en cuenta los indicadores unitarios ambientales, que en muy contados años, por no decir que ya, serán determinantes como factores de competitividad de la industria de bienes y servicios. Pero ¿por qué se diseña y construye un proceso productivo? Todo esto tiene que estar ligado, necesariamente, a la existencia de un consumidor, el cual tiene unas necesidades insatisfechas (demanda por un bien o servicio) de tal forma que si se satisface dicha demanda, se tiene una oferta. La carencia de un restaurante o local de venta de alimentos, en las inmediaciones de una fábrica, por ejemplo, genera una necesidad. Si cerca de una universidad no se encuentra una fotocopiadora, es otra demanda más que se encuentra insatisfecha. La producción de betún, ropa, acero, vidrio, papel, azúcar, aceite, vino, pilas, maletines, etc., son el resultado de la existencia de un grupo de consumidores o compradores que requieren estos productos y por los cuales, están dispuestos a pagar una determinada cantidad de dinero. 1.3.2. Sectores de la producción. Estas oportunidades de satisfacer nece-
sidades están ligadas al concepto de ganancia, es decir, el costo inherente a la producción debe ser inferior al precio de venta. Para la producción de un producto, sea un bien o un servicio, se requiere de una organización que es la unión de personas, elementos (equipos), procesos (tal y como se de�nió con
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
anterioridad) y actividades, integrados todos de una forma que sea rentable. Las organizaciones pueden emplear como materias primas los recursos naturales: a este tipo de organización se le considera como integrante del sector primario de la economía. Son ejemplo de ellas, las actividades de extracción minera,
pesquera, de bosques o petróleo. Las organizaciones que utilizan los recursos naturales que vienen del sector primario y que además, utilizan maquinaria y equipo para convertirlos en bienes, conforman el sector secundario o industrial (sectores nombrados en páginas anteriores como el textil, el cervecero o el del vidrio), aunque también, puede utilizar como materias primas ciertos productos elaborados en el mismo sector secundario. Finalmente, el sector terciario de la economía es el relacionado con los servicios, como el transporte, la salud o la mensajería. Resumiendo, el sector primario realiza la extracción de los recursos naturales y puede dar un valor agregado mediante alguna transformación, siendo éstos utilizados posteriormente como materia prima para el sector secundario o industrial (los bienes elaborados en el sector secundario pueden reingresar al mismo sector, como es el caso de las cadenas productivas, donde se pretende dar un valor agregado mayor), mientras que las organizaciones de servicio se encargan de llevar los productos hasta las personas y las organizaciones que las van a consumir, teniendo en cuenta que el sector �nanciero sirve para permear el sistema global del dinero requerido para su funcionamiento.
1.4. Recursos y producción 1.4.1. Recursos naturales. Los recursos naturales son los que se encuentran,
como su nombre lo dice, en la naturaleza y a los cuales se les atribuye un valor. El recurso existe, siempre y cuando se tenga sobre él una demanda; de lo contrario, es decir, si no tiene valor, no se considera recurso. Los recursos naturales se clasi�can en continuos, almacenados y en movimiento. Los continuos son los que se encuentran disponibles en la naturaleza independiente de la actividad del ser humano, pero que éste los puede manipular (energía solar, eólica, marina). Los recursos almacenados son no renovables, por lo menos comparados con la edad del hombre, y dentro de los cuales están los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas), los minerales metálicos (plata, cobre, oro, hierro) y los minerales no metálicos (feldespato, arcilla, arena, caliza). Los recursos en movimiento son los que pueden ser mantenidos o incrementados por el hombre (bosques,
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animales y suelo). Si el lector analiza lo anterior, puede concluir que la población humana está determinada por los recursos. Además, se pueden considerar otros recursos arti�ciales como la maquinaria, y el recurso humano como la mano de obra5 . En la naturaleza existen recursos con un inmenso valor que el hombre no reconoce ni respeta. Ecológicamente hablando, la naturaleza está formada por verdaderas redes y cada componente de ella, tiene una función. No conocerla o ignorarla puede ser catastró�co. El hombre no debe olvidar que una de las leyes de la ecología dice: “Todo está relacionado con todo lo demás” 6 ; de tal modo que cualquier cambio o cualquier modi�cación que una actividad antrópica haga sobre un ecosistema, puede causar cambios en muchos otros ecosistemas, con consecuencias desconocidas por el hombre. La siguiente �gura muestra los diferentes tipos de recursos explicados con anterioridad y de los cuales el hombre depende: Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Recursos naturales
Figura 1.10. Clasi�cación de los de recursos naturales.
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LUDEVID Anglada, Manuel. El Cambio Global en el Medio Ambiente Marcombo, Barcelona.1.997 ROLDAN, Gabriel. Ecología. La Ciencia del Ambiente. Editorial Norma, Bogotá. 1.981.
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
1.4.2. Análisis general. Cambios bruscos del clima no son la única o mayor
amenaza. A medida que los ecologistas estudian las causas de la aparición de enfermedades, están encontrando que la actividad humana es una fuerza impulsora signi�cativa. Una actividad antrópica que alter el medio ambiente natural, puede aumentar la movilidad de los microbios patógenos. “En los años 80`s, agricultores del estado de Portuguesa de Venezuela, despejaron millones de hectáreas de bosques para convertirlos en tierra de cultivo; las �ncas atrajeron mucha gente, pero también ratas y ratones las cuales infectaron la población con el virus que ellas portaban (virus Guanarito) que causó �ebre, parálisis y hemorragia causando posteriormente la muerte. En 1.999 en Malasia, después de empezar a talar los bosques, encontraron que a medida que los corrales reemplazaban la selva, los murciélagos de la fruta que eran desplazados comenzaron a alojarse en los techos contaminando el agua que los cerdos tomaban contaminándolos con el virus Nipah que posteriormente se propagó a los granjeros causando la in�amación del cerebro y la muerte a un 40% de los infectados”7 Los casos mencionados permiten resaltar la importancia de los recursos naturales para el progreso y el desarrollo de la humanidad, pero igual, también hay que resaltar el riesgo que representa alterar o modi�car esos mismos ecosistemas que suministran los recursos naturales. Es muy probable que el SARS (Síndrome Respiratorio Agudo Severo, más conocida como Neumonía Atípica), sea también producto de algún tipo de interacción con algún componente, de algún ecosistema.
Ejercicios propuestos 1. Nombrar los principales recursos naturales de la región y del país. 2. Realizar un listado de las principales industrias de la región y del país. 3. Relacionar las industrias de la región con el uso de los recursos naturales. 4. Nombrar las principales operaciones unitarias y procesos unitarios de un proceso de la región y de un sistema de descontaminación de aguas. 5. A partir de la industria regional y, atendiendo a la de�nición de proceso, explicar si la teoría se ajusta a la práctica. 6. ¿Qué es y para qué se usa un diagrama de bloques?
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Periódico El Tiempo, Domingo 4 de Mayo de 2.003.
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7. Según la Ecuación 1.3, la materia prima (MP) extraída de la naturaleza alimenta la industria pero, causa daños irreparables al medio ambiente. ¿Qué se debe hacer para que disminuya la cantidad de materias primas usadas en la industria? 8. ¿Qué relación existe entre metabolismo industrial y metabolismo biológico? 9. Nombrar y analizar dos cadenas productivas de la región y dos cadenas productivas del país. 10. Identi�car dos posibles nuevas cadenas productivas de la región y dos del país. 11. Analizar cómo están vinculados al proceso productivo los departamentos de control de calidad, mantenimiento, producción, mercadeo, medio ambiente, seguridad industrial y salud ocupacional. Pensar, si algunos de ellos se pueden fusionar. 12. Decir por qué es importante el código de colores y la numeración de los equipos en la industria. 13. ¿Qué diferencia existe entre equipos en serie y equipos en paralelo? 14. Para el proceso de elaboración de gaseosas, ¿cuales indicadores unitarios pueden calcularse? Realizar el mismo ejercicio para el proceso de extracción de aceite de soja y para la producción de clinker, en las fábricas de cemento. 15. Un empresario nacional hace el siguiente comentario: “Si la demanda regional de un producto ya se encuentra satisfecha por la oferta de una fábrica del extranjero, de�nitivamente no tiene sentido instalar una fábrica nacional en la región para tratar de competir en el mercado local con miras a satisfacer la misma demanda”. ¿Qué opinión le merece el comentario del comerciante? 16. ¿Qué se conoce como valor agregado? 17. ¿Qué diferencia existe entre producto, subproducto y residuo? ¿Puede una sustancia, considerada subproducto en una industria, convertirse en un residuo o en un producto de acuerdo con los cambios del mercado? Justi�car la respuesta. 18. ¿Los recursos naturales existentes en la región pueden abastecer la industria local? ¿Será necesario traer recursos de otras partes del país o del exterior? Escoger una industria y hacer el análisis.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
19. ¿Qué consecuencias trae la globalización de la economía, para la industria de la región? Hacer el análisis tomando un sector productivo conocido. 20. De los residuos que se producen en la casa y que se están botando como “basura”, ¿cuales se pueden reusar, cuales reciclar y cuales pueden ser reducidos en cuanto a la cantidad producida? Justi�car la respuesta. 21. ¿Cómo se puede economizar energía y agua en la casa? ¿Por qué es importante hacerlo? 22. Nombrar una empresa de la región que esté incluida en el sector primario, una, en el sector secundario y una, en el sector terciario. 23. En la región ¿qué sector de la economía es el predominante? ¿Por qué puede ocurrir esto? 24. En la región ¿qué empresas tienen fama de contaminantes? Justi�car la respuesta. 25. ¿Qué se entiende por Producción Más Limpia? 26. ¿Qué se debe tener en cuenta para calcular el precio de venta de una torta de chocolate? 27. ¿Por qué se debe cuanti�car y caracterizar todo lo que entra y todo lo que sale de un proceso productivo? Discutir ampliamente esto. 28. Explicar por qué el ingeniero de producción no debe manejar el proceso como una caja negra. 29. ¿Qué se entiende por Industria de la Descontaminación? Discutir y explicar con ejemplos prácticos. 30. Del proceso para la obtención de alcohol, se tiene la siguiente información, con respecto a la producción mensual: Producto: alcohol industrial = 540.000 litros. Subproducto: alcohol de mal gusto = 15.000 litros. Materia prima consumida: melaza = 1.404 ton. Insumos: urea (3 ton), combustible (24.000 galones), acido sulfúrico (1 ton), levadura (100 kg.) Horas-hombre = 5.760. Vertimientos: vinaza = 6’480.000 litros. Emisiones: dióxido de carbono = 238.433 kg. Calcular y analizar todos los indicadores unitarios posibles de la producción. Explicar la importancia de cada uno de los indicadores en el proceso de producción de alcohol.
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31. De las actividades que se realizan a nivel doméstico (en su casa) identi�car tres operaciones unitarias y tres procesos unitarios. 32. En su casa, realizar una aproximación a un balance de materia del agua. Identi�car entradas y salidas. 33. Identi�car la cantidad de productos sólidos que entran a una casa con miras a satisfacer las necesidades básicas. 34. Identi�car la cantidad de sólidos que salen como residuos, según el punto anterior. ¿Lo que entra es igual a lo que sale? ¿Qué porcentaje de lo que entra se tiene luego como residuo? 35. En el proceso de producción de una bebida, usan como materias primas agua, azúcar, colorantes y preservantes. El producto se prepara disolviendo inicialmente el azúcar en agua y �ltrando la solución formada. Luego, se adiciona el colorante y se agita la mezcla obtenida. Por ultimo, se agregan los preservantes y se agita nuevamente, para pasar luego a embotellado y tapado de la bebida. Realizar el diagrama de bloques y numerar los equipos. Tener en cuenta que las materias primas, se encuentran almacenadas inicialmente. Los líquidos se transportan por tubería y con bombas, mientras que los sólidos se transportan por bandas transportadoras. 36. En el proceso anterior, de�nir dónde está el valor agregado y qué se debe tener en cuenta para determinar el costo de una unidad de producto. 37. En el proceso de producción de bebidas (punto 35) ¿qué se entiende por Producción Más Limpia? Discutir el proceso bajo este concepto. 38. Analizar la cadena productiva de: arroz, algodón, ajonjolí, yuca, plátano, café, cacao, caña de azúcar, uva, naranja, mora, �que, papa y leche. ¿Cuál es su estado actual y cómo se podría ampliar? 39. ¿Qué relación tienen con los procesos productivos (empresas) las siguientes instituciones: ANDI (Asociación Nacional de Industriales), Ministerio del Medio Ambiente, de Vivienda y de Desarrollo Territorial, Corporaciones Autónomas Regionales, SENA (Servicio Nacional de Aprendizaje), ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas), Cámara de Comercio, ONG’S y universidades? 40. ¿Qué relación tienen las comunidades cercanas a las instalaciones de una industria, con los procesos productivos? 41. ¿Qué son los stake holders de una industria?
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Bibliografía AVELLANEDA Cusaría, Alfonso. Gestión Ambiental y Plani�cación del Desarrollo. ECOE EDICIONES, Bogotá (Colombia). 2.002 BELTRÁN Jaramillo, Jesús Mauricio. Herramientas para lograr la Competitividad. Editores 3R, Bogotá (Colombia). 1.998 DOMINGUEZ Giraldo, Gerardo. Indicadores de Gestión y Resultados, Un Enfoque Sistémico. Biblioteca Jurídica Diké. Bogotá (Colombia). 2.002 EPSTEIN, Marc J. El Desempeño Ambiental en la Empresa. ECOE EDICIONES, Bogotá (Colombia). 2.002 HARRISON, Roy M. El Medio Ambiente: Introducción a la Química Medioambiental y a la Contaminación. Editorial Acribia S.A. Zaragosa (España). 1.999 OSPINA Torres, Alejandro. Capacitación de Docentes Universitarios en Educación Ambiental. Tomo I, II y III. Ministerio del Medio Ambiente, Bogotá (Colombia). 2.000 REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Editorial Universidad del Valle, Cali (Colombia). 1.990 ROLDAN, Gabriel. Ecología, la ciencia del medio ambiente. Editorial Norma, Bogotá (Colombia). 1.981. SAWYER, Clair N. Química para Ingeniería Ambiental. Editorial Mc Graw-Hill, Bogotá (Colombia). 2.001 SEOANEZ Calvo, Mariano. Ecología Industrial: Ingeniería Ambiental Aplicada a la Industria y a la Empresa. Ediciones Mundi Prensa, Barcelona (España). 1.998 SEOANEZ Calvo, Mariano. Ingeniería Medio Ambiental Aplicada. Ediciones Mundi Prensa, Madrid (España). 1.997 TEGEDER Y MAYER. Métodos de la Industria Química. Tomo I y II. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.975 ULRICH, G. D. Procesos de Ingeniería Química. Editorial Interamericana, Ciudad de México (Mé xico). 1.988 VASQUEZ Torres, Guadalupe Ana María. Ecología y Formación Ambiental. Editorial Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.996 VIAN Ortuño, Angel. Intruducción a la Química Industrial. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.996
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Capítulo
2 Conceptos básicos, variables y condiciones de operación El estudio de un proceso implica para las personas encargadas de manejarlo, además de comprenderlo y concluir de él, tener el conocimiento de los conceptos básicos para poder interpretar las diferentes variables y condiciones de operación. Lo anterior para ejercer a cabalidad las funciones de supervisión, control y modi�cación, cuando así se requiera. La productividad que se puede alcanzar en el proceso, es directamente proporcional al conocimiento que de él se tenga: por lo general, no se obtiene el mismo resultado cuando una operación se realiza a 25 °C, que cuando se realiza a 28 °C.
2.1. Sistemas de unidades El sistema de unidades que se escoja para el manejo y control de un proceso, está relacionado con la tecnología usada en cada una de las etapas que conforman el sistema productivo. La forma de medir las condiciones de operación, la manera como control de calidad reporta los datos o la medida de las variables ambientales, tienen diferentes alternativas de expresión. Por lo tanto se puede usar el sistema ingles, el sistema decimal o el sistemas métrico como los más representativos. Es muy normal, sin embargo, encontrar dentro de un mismo proceso una mezcla de estos sistemas de medición: la temperatura en una sección del proceso se mide en 0C, en otra sección se mide en 0F, mientras que en otra sección la medida es en K. Esto, puede ser consecuencia de una situación muy particular como es la de la compra de equipos a países con diferente tecnología, por sus diferentes especializaciones. Por ejemplo: Alemania tiene tecnología de punta en centrifugación de aceites vegetales, Brasil tiene buena
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tecnología para la extracción de aceites por lixiviación; Italia se especializa en la re�nación de aceites. Las unidades usadas en los equipos de medición no están estandarizadas, motivo por el cual se encuentran diferentes escalas. Sumado a lo anterior, la industria practica el “facilismo” y la antiestética en lo que tiene que ver con el diseño del proceso; se compran equipos sin tener en cuenta, que es pertinente uni�car o estandarizar; tienen el criterio de que es lo mismo medir la presión en atmósferas que en pascales. Esta misma situación se presenta en cuanto al código de colores usado en los equipos y tuberías del proceso. Cuando se requiere pintar, se usa la pintura que se tenga a mano, sin pensar que el código de colores es un sistema no solo estético, sino de seguridad. Las plantas industriales deben tener el código de colores, para poder identi�car las sustancias que se están manejando y reconocer el grado de riesgo que implica cada una de ellas; además, éste debe estar en un lugar visible de la planta. Son pocas las industrias que muestran de una manera uni�cada los sistemas de medición de las condiciones de proceso (presión, temperatura, volumen, etc.) y el código de colores. Todo esto ha creado la necesidad de uni�car criterios en las unidades con las cuales se manejan las condiciones de operación resumidas en el Sistema Internacional de medidas (SI). Los sistemas ingles, decimal y métrico tienen unidades básicas de longitud, masa y tiempo, las cuales se muestran en la siguiente tabla: Tabla 2.1 Unidades básicas de los sistemas ingles, C.G.S y M.K.S
Sistema
Masa
Longitud
Tiempo
Ingles
Libra
Pie
Segundo
C.G.S
Gramo
Centímetro
Segundo
M.K.S
Kilogramo
Metro
Segundo
Debido a que el mundo cientí�co buscaba un solo sistema de unidades que resultara práctico, claro y de acuerdo con los avances cientí�cos y técnicos, en una reunión en Ginebra (Suiza) se acordó adoptar el llamado Sistema Internacional de Unidades, también denominado Sistema Internacional de medidas. Este es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en la mayoría de los países y es la forma actual del Sistema Métrico Decimal Las unidades básicas son las siguientes:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla 2.2 Unidades básicas del Sistema Internacional (SI)
Propiedad física
Nombre
Símbolo
Longitud
Metro
m
Masa
Kilogramo
kg
Tiempo
Segundo
s
Temperatura
Kelvin
K
Cantidad de sustancia
mol-gramo
mol-g
Tabla 2.3 Múltiplos y Sub-múltiplos del SI 1
Prefijo
Abreviatura
Significado
Exa
E
1x1018
Peta
P
1x1015
Tera
T
1x1012
Giga
G
1x109
Mega
M
1x106
Kilo
k
1x103
Hecto
H
1x102
Deca
D
1x101
deci
d
1x10-1
centi
c
1x10-2
mili
m
1x10-3
micro
µ
1x10-6
nano
n
1x10-9
pico
p
1x10-12
femto
f
1x10-15
atto
a
1x10-18
Los pre�jos del SI se emplean para nombrar los múltiplos y submúltiplos de cualquier unidad del sistema internacional, ya sean unidades básicas o derivadas; estos pre�jos se anteponen al nombre de la unidad. 1
EBBING Darrell, D. Química General. Editorial Mc Graw-Hill. México 1.997.
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Ejemplos: 1 Megámetro
Mm
1x106 m
1 Kilómetro
Km
1x103 m
1 decímetro
d
1x10-1 m
1 centímetro
cm
1x10-2 m
1 milímetro
mm
1x10-3 m
1 nanómetro
nm
1x10-9 m
1 picómetro
pm
1x10-12 m
1 Gigagramo
Gg
1x109 g
1 Hectogramo
hg
1x102 g
1 centigramo
cg
1x10-2 g
1 miligramo
mg
1x10-3 g
1 femtogramo
fg
1x10-15g
1 Exalitro
EL
1x1018 L
1 Petalitro
PL
1x1015 L
1 Teralitro
TL
1x1012 L
1 Gigalitro
GL
1x109 L
1 decilitro
dL
1x10-1 L
1 centilitro
cL
1x10-2 L
1 mililitro
µL
1x10-3 L
1 microlitro
mL
1x10-6 L
1 nanolitro
nL
1x10-9 L
1 picolitro
pL
1x10-12L
1 femtolitro
fL
1x10-15L
1 attolitro
aL
1x10-18L
Los siguientes, son factores de conversión de unidades de longitud, volumen y masa, en diferentes sistemas de unidades: 1 pie
= 12 pulgadas
1 galón (americano)
= 3,785 L
1 pulgada
= 2,54 cm
1 libra
= 453,6 g
1 yarda
= 3 pies
1 tonelada métrica
= 1.000 kg
1 libra
= 16 onzas
1 gramo
= 15,43 granos
1 m3
= 1.000 L
1 kilogramo
= 2,2046 libras
Las unidades derivadas del sistema internacional son:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Area
m2
Volumen
m3
Velocidad
m/s
Densidad
kg/m3
Aceleración
m/s2
Fuerza
kg . m/s2
Newton
Presión
kg/m . s2
Pascal
Energía
kg . m2/s2
Julio
Potencia
kg . m2/s3
Vatio
En un proceso se debe medir permanentemente el conjunto de variables que permiten su control para así, obtener la calidad requerida, mantener la productividad deseada y evitar el desperdicio de tiempo y de materia prima por situaciones de reproceso. Es importante entender que las condiciones con las cuales se diseñó el proceso deben conservarse: no es lo mismo operar un reactor a 30 °C que a 35 °C ya que se pueden presentar serias irregularidades con graves consecuencias, como puede ser el cambio en la velocidad y en equilibrio de la reacción, por ejemplo. Igualmente, esto puede ocasionar la generación de residuos, emisiones y vertidos no esperados. En una columna de destilación, el cambio de la temperatura en tan sólo unos pocos grados centígrados, puede ocasionar la inundación de la columna. El cambio de la presión interna de la columna puede ocasionar un cambio en la composición en los productos de cima y de fondo, perdiendo objetividad la operación. Esto no signi�ca que el ingeniero se convierta en un celador de producción y que no se puedan realizar cambios al proceso; si esto fuera así, el concepto de reingeniería no existiría. Lo que debe estar claro es que es importante familiarizarse con las variables que gobiernan el proceso y saber el comportamiento y el tipo de respuesta que tiene el proceso, ante cambios en dichas variables. Además, es claro que lo que no se puede medir, difícilmente se puede controlar ; por el contrario, una vez medida la variable, el ingeniero debe ser capaz de realizar el análisis y tomar la decisión correcta en el momento justo, de tal suerte que se siga la buena marcha del proceso. Claro está, que la situación más probable que tiene que enfrentar el ingeniero es saber lo contrario, es decir, ante cierto comportamiento que no es normal o deseado, ¿qué cambio se debe realizar en las variables para tomar nuevamente el rumbo deseado? Obviamente, es la prueba de fuego para cualquier ingeniero que se encuentre al frente de un proceso. La mayor muestra de responsabilidad, frente a un proceso, se da cuando
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no se mueve ninguna válvula, ni se modi�ca una sola variable, sin antes tener pleno convencimiento de lo que puede pasar en el proceso y todo su entorno, como respuesta al cambio planteado en las condiciones de operación.
2.2. Variables de proceso. Son las condiciones que permiten controlar un proceso y obtener el resultado esperado; es la carta de navegación, lo que implica ir en la dirección correcta. Entre ellas están: 2.2.1. Temperatura. Es una medida arbitraria de la intensidad del calor que posee una sustancia. Igualmente, podemos de�nir la temperatura como la fuer za guía para que ocurra una transferencia de calor. Cuando se habla de fuerza
guía en procesos industriales se re�ere a la dirección en que �uye la energía. Pero, no es sólo un concepto aplicable a la energía; también se habla de fuerza guía para la materia o la electricidad, por ejemplo. Para visualizar el concepto de fuerza guía, se puede analizar la situación mostrada en la siguiente �gura:
h
Figura 2.1. Fuerza guía para la transferencia de un �uido no compresible.
¿Qué hace que el agua pase del tanque a la vivienda? La diferencia de altura h, entre el tanque y la casa; es decir, es la fuerza guía para que el agua �uya ¿verdad? En su municipio, ¿donde está ubicada la planta de tratamiento de agua del acueducto? Lo mismo ocurre con la diferencia de voltaje como fuerza guía para la transferencia de energía eléctrica (V2–V1) y lo mismo ocurre para la transferencia de calor entre dos cuerpos (T2–T1). Igual ocurre cuando es una diferencia de concentración entre soluciones, (C2–C1). A diferencia de la temperatura, el calor es una forma de energía; cuanto más calor posee un cuerpo, mayor es su temperatura. Sin embargo, no se puede
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
a�rmar que un cuerpo posee más calor que otro, por el hecho de tener más temperatura: un litro de agua a 90 °C no posee más calor que dos mil litros de agua a 85 0C, ni posee igual calor en el caso que los dos mil litros se encuentren a 90 0C. Pero sí se puede a�rmar que cuando hay diferencia de temperatura se presenta transferencia de calor del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Si la temperatura a la que se descarga un agua residual es de 80 0 C, se puede a�rmar que se bota más calor en un agua residual que se descarga a la misma temperatura, sólo si el caudal de agua en el segundo caso, es mayor que en el primero. Las escalas de temperatura se determinan asignando valores de una manera arbitraria a dos puntos de referencia: punto de ebullición normal del agua y punto donde coexisten el hielo y el agua en estado líquido. Para las diferentes escalas, los valores de punto de ebullición y de coexistencia del hielo y del agua en estado líquido son: Escala
Punto de ebullición
Coexistencia
373 212 100 672
273 32 0 492
Kelvin Farenheit Centígrado Rankin
No existe un límite teórico para la temperatura más alta posible; sin embargo la temperatura más baja posible se puede determinar y se llama cero absoluto. Estos valores se alcanzan en la escala Rankin y la escala Kelvin por lo que se puede a�rmar que las escalas absolutas de temperatura son estas dos (0R y K). Además, se puede encontrar una ecuación que relacione dos diferentes escalas de temperatura, simplemente conociendo los puntos de ebullición y de coexistencia del agua en estado líquido con el hielo para las dos escalas. Esto implica que se pueden encontrar ecuaciones diferentes para diferentes escalas. A manera de ejemplo, se puede encontrar la ecuación que relaciona las escalas Kelvin y Celsius: 100
373 0
K
C
273
0
Figura 2.2. Escalas de temperatura.
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Como se observa, la escala Kelvin tiene 100 divisiones entre el punto de ebullición del agua y el punto donde coexisten el agua en estado líquido con el hielo (373 - 273). Igual ocurre con la escala centígrada que también tiene 100 divisiones (100 - 0). La escala centígrada empieza en 0 y la Kelvin en 273; entonces, por proporciones: °C - 0 K - 273
100
=
100
(2.1)
De igual manera se puede encontrar la relación entre las escalas de 0R, 0F y 0C. Las ecuaciones son: °C 5
°F =
=
° F - 32 9
° R - 460
(2.2)
(2.3)
El calor, que es una forma de energía y, además, un concepto diferente a la temperatura, se puede expresar en diferentes unidades. Unas de ellas son: el julio, la caloría, la kilocaloría y el BTU (Unidad Térmica Británica). Una caloría equivale a 4,184 julios mientras que un BTU equivale a 252 calorías. Como se expresó anteriormente, la unidad de temperatura para el SI es el Kelvin, mientras que para el calor la unidad base es el julio. El calor se puede transferir de un cuerpo a otro por lo que se puede utilizar el concepto de transferencia de calor por unidad de tiempo y aparece el concepto de potencia expresado, para el SI, en vatios. En la industria, se tienen equipos como las torres de enfriamiento, donde se realiza una transferencia de calor para refrigerar generalmente agua, la cual es medida en toneladas de refrigeración. Una tonelada de refrigeración es equivalente a 12.000 BTU/h. A nivel industrial se usa el concepto de temperatura y de calor en los procesos de oxidación de combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo). En equipos como las columnas de destilación, también se usa la transferencia de calor para separar componentes volátiles. En operaciones de pasteurización, en calderas, en esterilizaciones, en vertimientos de aguas residuales que involucran contaminación térmica, en tinturado de telas, en producción de leche en polvo y de café lio�lizado, en la extracción de sacarosa a partir del jugo de caña por
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
lixiviación con agua caliente o en la elaboración de acero; en todas ellas, se encuentra la aplicación del concepto de temperatura y de transferencia de calor. Se presenta contaminación térmica cuando los vertimientos de aguas residuales tienen una temperatura superior a los 40 °C, lo que puede afectar de una manera signi�cativa la corriente de agua que recibe la descarga. Una de las principales consecuencias del aumento de la temperatura en el agua es la disminución de los niveles de oxígeno disuelto, dada la relación inversamente proporcional entre solubilidad y temperatura. Igualmente, y como consecuencia del aumento de la temperatura, un incremento en la velocidad de las reacciones que consumen oxígeno disuelto en el agua, puede disminuir su presencia. Como consecuencia global, se presenta un cambio en el ecosistema receptor, ya que se puede presentar la muerte o desplazamiento de varias especies. La trucha es uns especie de agua dulce que requiere baja temperatura, abundante oxígeno y poca o nula contaminación, de tal suerte, que si se presentan cambios térmicos en el agua, éstas pueden morir o emigrar a aguas donde se adapten según sus exigencias naturales de metabolismo. Desde otro punto de vista, la atmósfera está conformada básicamente por cuatro zonas; éstas son, en orden ascendente: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. La troposfera, se caracteriza por presentar un per�l de temperatura decreciente desde el suelo, con una temperatura promedio de15 0C, hasta los 12 km que tiene aproximadamente de espesor, donde la temperatura es –56 0 C. Este gradiente negativo hace que se presenten movimientos verticales de la masa de aire, los cuales son causados por la diferencia de densidad que existe entre el aire frío más denso (parte alta) y el aire caliente menos denso (parte baja). Las masas de aire también pueden tener movimientos horizontales, los cuales son gobernados por los vientos predominantes; sin embargo, los edi�cios y la estructura en general de una ciudad pueden limitar considerablemente este tipo de movimiento, de tal suerte que la disolución y mezcla de los contaminantes arrojados al aire es debida sólo al movimiento vertical. Las descargas de contaminantes que provienen de toda la actividad industrial (chimeneas), la quema de combustibles en los autos y las partículas suspendidas, entre otros contaminantes, pueden llegar a calentar el aire sobre la ciudad creando una condición de inversión térmica o capa de inversión. El efecto neto de una inversión térmica es la ubicación de una masa de aire caliente sobre una masa de aire fría (lo contrario al per�l normal de la troposfera). Esta situación impide los movimientos verticales, lo que produce la acumulación de contaminantes por
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su poca dispersión; esta situación degenera en la formación del famoso smog, lo que ocasiona situaciones, en extremo, críticas para los habitantes de la ciudad. 2.2.2. Presión. La presión se de�ne como la fuerza por unidad de área o de
super�cie. P
=
F A
(2.4 )
La presión, al igual que la temperatura, puede ser expresada de dos formas: la indicada y la absoluta. La presión atmosférica, medida con un barómetro, es aquella presión que se ejerce sobre la super�cie de la tierra, por el efecto de la gravedad sobre la capa de aire que forma la atmósfera y que envuelve la tierra. Una cosa es la presión atmosférica que varía con la temperatura, la altitud y otros factores, y otra es la presión atmosférica normal , que es igual a 760 mm de Hg a 0 0 C. La presión total que existe sobre un sistema se denomina presión absoluta. La diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica se denomina presión indicada. La presión indicada puede ser mayor que la presión atmosférica y se denomina presión positiva o manométrica (medida con un manómetro). Cuando la presión indicada es menor que la presión atmosférica, se denomina presión negativa o vacuométrica (medida con un vacuómetro). Entonces, se puede concluir que la presión absoluta presenta tres casos o posibilidades, a saber: 1. Cuando la presión indicada es positiva: la presión absoluta es igual a la suma de la presión atmosférica y la indicada. 2. Cuando la presión indicada es negativa: la presión absoluta es igual a la diferencia entre la presión atmosférica y la indicada. 3. Cuando la presión indicada es cero: la presión absoluta es igual a la presión atmosférica. Los manómetros son instrumentos que se utilizan para mediciones de presión; en algunos casos, utilizan un líquido llamado líquido manométrico que es desplazado por la presión de un �uido. El líquido es escogido de acuerdo a su densidad y debe ser poco volátil y no corrosivo. Existe relación entre presión, densidad y altura del líquido que es lo que permite calcular la presión indicada. La fuerza se relaciona con la masa y la gravedad según la siguiente fórmula: F
58
=
K mg
(2.5)
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Donde F es la fuerza o peso, m la masa, g la gravedad (9,8 m/s2) y K es una constante igual a 1/gc donde gc = 9,8 kg masa. m / (kg fuerza. s 2). Ahora, como la presión se de�nió como la fuerza por unidad de área (P = F/A), entonces: P
=
K mg
(2.6)
A
El volumen (V) se de�ne como el área (A) por la altura (h) mientras que la densidad (D) es la masa sobre el volumen. De acuerdo con esto se tiene que: P
=
K hD g
=
h Dg gc
(2.7 )
Para el SI el valor de K es 1, por lo tanto: P
=
hD g
(2.8)
A nivel industrial es importante conocer las diferentes medidas de presión (absoluta, atmosférica e indicada), tanto desde el punto de vista del concepto, como de los instrumentos para su medición. Así mismo, es importante el conocimiento del comportamiento de los equipos sometidos a presión interna positiva: una caldera, una columna de destilación, el pasteurizador, el esterilizador, la tubería que transporta vapor, los tanques de almacenamiento. El concepto de presión también está ligado al concepto de punto de ebullición ya que éste depende de la presión absoluta y en la medida que se modi�que la presión absoluta, se modi�ca también el punto de ebullición, de tal modo que al aumentar uno, aumenta el otro y viceversa. Cuando se tratan aguas residuales domésticas o industriales mediante sistemas biológicos, es de gran importancia tener en cuenta la presión absoluta que se tiene sobre el reactor. Si el reactor tiene microorganismos aerobios, se requiere una concentración mínima de oxígeno disuelto, el cual es necesario para este tipo de vida acuática; esta solubilidad está determinada por la temperatura y la presión. La baja disponibilidad de oxígeno disuelto limita la capacidad de depuración de aguas contaminadas, mediante este sistema. Si el reactor es anaerobio, se debe considerar la presión sobre el sistema para el diseño del sistema recolector de los gases producidos, mediante el metabolismo de los microorganismo. Esta es una forma de separar, por ejemplo, el ácido sulfhídrico del metano en un reactor UASB, ya que el ácido permanece
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disuelto en el agua mientras esté a la presión interna del reactor, pero al cambiar a presión atmosférica, buena parte de él se gasi�ca. Un parámetro importante en tratamiento de aguas por sistemas aerobios, es la solubilidad del aire en el agua. La siguiente expresión permite el cálculo de la cantidad de aire disuelto en agua, como una función de la presión2 : C =c
C= c= P= p=
P - p 760 p
( 2.9)
Solubilidad del aire en agua a una presión P (mL aire/L agua) Solubilidad del aire en agua a una atmósfera (mL aire/L agua) Presión absoluta del aire (mm Hg) Presión de vapor del agua a la temperatura de operación (mm Hg).
2.2.3. Viscosidad. Propiedad física de los �uidos que se tiene en cuenta para
la selección de bombas y tuberías; in�uye en los costos de operación ya que afecta los costos de transporte. Se de�ne como la resistencia que presenta una capa de �uido al desplazamiento sobre otra capa, estando a una determinada temperatura. Las unidades de la viscosidad se determinan mediante el análisis de la situación que se presenta cuando una capa de �uido se desplaza sobre otra, dada la fuerza f aplicada a la placa superior, la cual alcanza una velocidad V. La fuerza aplicada es directamente proporcional a la velocidad V de la placa superior, directamente proporcional a su área A y es inversamente proporcional a la distancia d que separa las dos placas; por lo tanto: f
A
v
d
Figura 2.3. Diagrama de viscosidad
Del diagrama se puede concluir que: 2
60
ROMERO Rojas, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales . Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá (Colombia). 1.999
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Si se considera como la constante de proporcionalidad, entonces: f =
µ
V A d
(2. 10)
De donde:
µ
=
f d V A
(2. 11)
Si se considera la viscosidad, un análisis dimensional expresa que dicha viscosidad tiene como unidades kg/m.s, según la ecuación anterior. El poise, unidad de viscosidad en el sistema métrico, es igual a 1 g/cm.s; sin embargo, es una unidad muy grande, por lo que se usa el centipoise o centésima parte del poise. Si la viscosidad absoluta se divide entre la densidad, se obtiene la viscosidad cinemática cuyas unidades son cm2/s y se denomina stoke. En casi todos los líquidos, la viscosidad aumenta con el aumento de la presión y disminuye al aumentar la temperatura. La viscosidad como propiedad física debe ser tenida en cuenta para operaciones de separación a nivel industrial. La �ltración, la sedimentación y la centrifugación, por ejemplo, pueden presentar serios problemas en el momento de realizar separaciones cuando se involucren líquidos viscosos, lo que redunda en contra de los rendimientos de la operación unitaria, en particular, y del proceso, en general. Un ejemplo de esto es la di�cultad que se puede presentar al centrifugar aceites vegetales para retirar la humedad. También en la centrifugación de miel de purga para retirar el bagacillo o la tierra, presente en ella. La viscosidad afecta también el transporte o la inyección de combustible a la caldera, como es el caso de los aceites derivados del petróleo. Desde el punto de vista económico y/o ambiental se puede decir, que una mala separación de los materiales en proceso, ocasionada por la viscosidad, puede ocasionar pérdidas de materias primas y, por lo tanto, aumento en la presencia de ellas en los residuos. Esto ocasiona serios inconvenientes frente a la productividad y frente al medio ambiente. 2.2.4. Densidad. En trabajos de ingeniería, y para muchos cálculos inherentes al
proceso productivo, es de suma importancia conocer la densidad de la sustancia que se está manipulando. La capacidad de los equipos de proceso, los sistemas
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de almacenamiento y de transporte, la conversión de �ujos de masa a �ujos de volumen o viceversa, cambios de �ujo volumétrico causados por cambios de temperatura, son sólo unos ejemplos de la importancia de la densidad; de igual forma, se usa para identi�car o para diferenciar una o más sustancias. La densidad se puede calcular de una manera sencilla usando su misma de�nición: “la densidad de una sustancia homogénea es el resultado de la relación que existe entre la masa y su volumen o la masa por unidad de volumen”. Sus unidades, atendiendo a su de�nición, pueden ser: kg/L; g/cm3; lb/pie3. La densidad es una propiedad intensiva, es decir que no depende de la cantidad de materia; la densidad de un litro de agua es la misma que la de un metro cúbico de la misma agua y a las mismas condiciones. Relaciona dos propiedades extensivas las cuales sí dependen de la cantidad, como es la masa y el volumen: D
=
m V
(2.12)
donde m es la masa y V el volumen. Para gases y líquidos, la densidad cambia de una manera inversamente proporcional a la temperatura y directamente proporcional a la presión. Los sólidos no experimentan cambios notorios con la temperatura y la presión. A pesar de que la mayoría de las sustancias experimentan cambios, de acuerdo a las reglas anteriores, es importante notar el comportamiento del agua. A medida que disminuye la temperatura aumenta la densidad y se encuentra un valor máximo a 4 0C; el agua a dicha temperatura se expande al ser calentada y se expande al ser enfriada. En caso de no tener el agua este comportamiento, los lagos, ríos y océanos se congelarían de abajo hacia arriba y el hielo, no �otaría sobre el agua en estado líquido. Como consecuencia, se tendrían efectos negativos sobre la naturaleza, como el cambio y la posible destrucción de ecosistemas y la pérdida de la biodiversidad correspondiente. El inverso de la densidad se conoce como el volumen especí�co y se de�ne como el resultado de la relación entre el volumen y su masa o, dicho de otra forma, es el volumen por unidad de masa. Las unidades son L/kg, cm3/g, pie3/lb. A pesar de ser conceptos de mucha importancia a nivel de ingeniería, muchas veces el manejo de éstos, no recibe la valoración que se merece. Cierto día, dos ingenieros esperaban un carro - tanque con la materia prima para el proceso de fermentación; sin embargo, en lugar de un carro llegaron tres. Uno de los
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
ingenieros hace rápidamente las cuentas y encuentra que, en total, llegaron 90 toneladas de miel aunque la capacidad que tenían de almacenamiento en los tanques era de 90 metros cúbicos. La pregunta que formuló fue: ¿Sí se pueden descargar los tres carros? Ahora yo le pregunto, amable lector: ¿Usted qué dice? En los anexos al �nal del libro, se encuentra la densidad del agua a diferentes temperaturas en la Tabla N01. 2.2.5. Densidad relativa o gravedad especí�ca. Se de�ne como la relación
entre la densidad de la sustancia en estudio y la densidad de una sustancia tomada como referencia. Para sólidos y líquidos, la sustancia tomada como referencia es el agua pura a 4 °C cuya densidad es de 1 kg/L. Para gases, esta densidad es muy alta, por lo que se toma como sustancia de referencia el aire seco o el hidrógeno puro, a la misma temperatura del gas en cuestión. Ge
=
Densidad de la sustancia Densidad de referencia
(2. 13)
Como la densidad de una sustancia depende de la temperatura, es necesario especi�car la temperatura a la cual se encuentra la sustancia en mención, lo mismo que la sustancia de referencia. Si se tiene, por ejemplo, que la sustancia en análisis está a 20 °C y la sustancia de referencia se toma a 15 °C, entonces la gravedad especí�ca se nota como Ge (20 °C/15 °C), de tal suerte que, si la respuesta es 1,2 entonces la formulación será: Ge
20°C 15°C
= 1,2
(2. 14)
La densidad se puede calcular mediante la determinación de la masa y el volumen, usando el picnómetro. Igualmente se puede usar el hidrómetro para el cálculo directo usando el principio de Arquímedes. Son muchas las sustancias que se usan en la industria y por lo tanto, muchas las sustancias a las cuales es necesario determinarles la densidad para así poder controlar el proceso o para realizar cálculos de ingeniería. Sin embargo, el ingeniero de proceso debe recordar que la densidad se considera el factor de conversión entre la masa y el volumen, y viceversa. Por su de�nición se concluye, que la densidad relativa o gravedad
especí�ca no tiene unidades o es adimensional.
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Atendiendo a la importancia que tiene la densidad en los procesos en general y en los cálculos de ingeniería en particular, en la industria se usan diferentes escalas de gravedad especí�ca que no es otra cosa que una manera indirecta de medir la densidad. Las principales escalas usadas, medidas en grados, son: Baumé, Gay-Lussac, API, Brix, Twaddell, y los Quevenne. En la industria química es muy usada la escala de grados Baumé, de la cual se tiene una escala para líquidos más livianos que el agua y otra, para líquidos más pesados que el agua. Estas escalas son, respectivamente: 140
Grados Baumé =
Ge
-
15°C
(2. 15)
130
15°C
Grados Baumé = 145
145
Ge
(2. 16)
15°C 15°C
La gravedad especí�ca puede tener como referencia una temperatura diferente a 15°C; sin embargo, en la industria es muy común tomar como referencia este valor, que la industria química ha estandarizado. La escala 0API (Instituto Americano del Petróleo) es muy similar a la escala Baumé para líquidos más livianos que el agua. Se emplea para derivados del petróleo: Grados API = ° API =
141,5 15°C Ge 15°C
-
131,5
(2. 17 )
La escala Twaddell es utilizada solamente, para líquidos cuya densidad es mayor que la unidad: Grados Twaddell =
°Tw =
200
Ge 60° F 60° F
- 1
(2. 18)
Los grados Quevenne (0Qe) se usan en los análisis de lácteos. Si una leche, por ejemplo, tiene 30 0Qe, entonces su gravedad especí�ca es 1,030. De igual forma, si la gravedad especí�ca es de 1,030 entonces tiene 30 0Qe. Por lo tanto: =
1 +
°Qe
(2. 19)
Gravedad específica =
Ge
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
1.000
El contenido de sólidos solubles se determina usando el índice de refracción, el cual es empleado para determinar la concentración de sacarosa en productos obtenidos a partir de frutas, como en el caso de los jugos. La concentración de sacarosa se puede expresar en grados Brix (0Bx) y su relación con el índice de refracción a 20°C se puede encontrar en los anexos al �nal del libro (Ver Tabla N0 2). A una temperatura de 20°C los grados Brix (0Bx) equivalen al porcentaje en peso de sacarosa en la solución acuosa; es decir, si a 20°C una solución de agua y sacarosa tiene 60 0Bx, entonces se entiende que la solución tiene 60% en peso de sacarosa. Cuando se toma el índice de refracción a temperaturas diferentes a 20 °C se emplea una tabla, con lecturas de corrección, que se manejan de la siguiente manera: si la temperatura es menor de 20 °C se resta un factor de corrección y si la temperatura es mayor de 20°C entonces se suma un factor de corrección. Este factor de corrección se encuentra en tablas en los anexos al �nal del libro (Ver Tabla N03). A manera de ejemplo, si se requiere la corrección de 50 0Bx a 16°C, el factor de corrección a restar es 0,3 (es una temperatura menor de 20 °C) y por lo tanto el Brix es 49,7. Si fuera para 24 °C, a los mismos grados Brix, el factor de corrección a sumar es de 0,31 (es una temperatura mayor de 20 °C) y por lo tanto el Brix es 50,31. Los grados Gay-Lussac (0GL) se emplean en la industria de las bebidas alcohólicas para reportar directamente la concentración de alcohol en porcentaje en volumen. Si una bebida tiene 20 0GL, se interpreta como 20% en volumen de alcohol. Hoy en día, se emplea el término porcentaje en volumen (%V). 2.2.6. Volumen especí�co. Se de�ne como el inverso de la densidad; es enton-
ces, el volumen por unidad de masa. Su principal unidad es m3/kg y las unidades derivadas son cm3/g, pie3/lb, etc. Para efectos prácticos, se pueden realizar cálculos suponiendo muy poco el cambio de la densidad con la temperatura y la presión para líquidos y sólidos. De todas maneras, es sabio conocer los cambios de la densidad de cada sustancia para cálculos que involucren cambios amplios de presión y temperatura, cualquiera sea el estado de agregación de la sustancia. Los ingenieros de proceso o de producción y en general, el personal cuyo trabajo esté relacionado con el sistema productivo, deben estar familiarizados con los valores de esta propiedad o de la densidad.
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2.3. Unidades moleculares y estequiometría 2.3.1. Clasi�cación de la materia. En todo proceso físico o químico, la masa
total que entra es la misma que sale, siempre y cuando, no tenga lugar una acumulación, una desacumulación o una conversión de materia en energía; éste, es el principio de la contabilidad de los materiales o del balance de materia. La materia se puede clasi�car como se muestra en la siguiente �gura:
Figura 2.4. Primera clasi�cación de la materia
De acuerdo con la clasi�cación de la materia, las sustancias puras son los elementos y los compuestos; entre ellos, existe una relación que es de suma importancia comprender para el entendimiento de las transformaciones que involucran procesos unitarios (cambios químicos o bioquímicos). Así mismo, el funcionamiento de la naturaleza, los casos de contaminación y los sistemas de descontaminación están ligados a los conceptos químicos. Sin estos conceptos, no se puede comprender, por ejemplo, por qué la combustión del carbón consume oxígeno, emite dióxido de carbono y en qué proporción; basados en el mismo cuestionamiento, se puede comprender por qué la fotosíntesis es importante para disminuir la intensidad del efecto de invernadero, dada la relación que existe con el dióxido de carbono (CO2) y el oxígeno (O2). El lector sabe ¿qué relación existe? Un elemento es una sustancia que no se puede descomponer en otras sustancias más simples por medios químicos; es la base para formar compuestos, sustancias que sí pueden descomponerse por medios químicos en sustancias más simples, conservando la relación de masas. Son ejemplos de elementos:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
el sodio (Na), el oro (Au), el hierro (Fe), y en general, todos los que se encuentran en la tabla periódica. El agua (H2O), el ácido sulfhídrico (H2S), el dióxido de carbono (CO2) y la sacarosa o azúcar (C12H22O11) son ejemplos de compuestos. El átomo es la cantidad más pequeña que puede existir de un elemento y que conserva las mismas características del elemento. Está constituido por partículas fundamentales como el protón, el neutrón y el electrón, como componentes básicos que le aportan la masa. Si se parte de un kilogramo de oro, se pueden hacer divisiones como la libra, el gramo, el miligramo, etc. Siempre se tendrá oro, pero la parte más pequeña a la que se puede llegar y que sigue siendo oro, es el átomo. Los elementos se encuentran agrupados en la tabla periódica (Tabla N0 4, en los anexos al �nal del libro), que como su nombre lo indica, muestra una frecuencia o periodicidad en sus propiedades, lo cual está estrechamente relacionado con el peso o masa atómica. El término “peso atómico” es ampliamente aceptado a causa de su uso tradicional, aunque propiamente es una masa, más que un peso; también, se usa el término “masa atómica”. La masa atómica de un elemento puede ser de�nida como un número que expresa la relación que existe entre la masa de un átomo y la masa de otro átomo que ha sido tomado como referencia. Experimentos han establecido una escala de masas o pesos atómicos relativos que están basados en la unidad de masa atómica (uma) que se de�ne como la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo de Carbono-12. Si de la tabla periódica se obtiene el peso atómico o la masa atómica de los elementos hidrógeno (1), calcio (40) y bromo (79,9), se observa que las masas son relativas y que lo que se está expresando es una comparación, de la cual se deduce que los átomos de calcio tienen 40 veces más masa que los átomos de hidrógeno y, que los átomos de bromo tienen aproximadamente el doble de masa, si se comparan con los átomos de calcio. Por esto, en las relaciones estequiométricas, se puede usar cualquier unidad de masa (toneladas, kilogramos, etc.).
Los elementos se combinan unos con otros para formar sustancias llamadas compuestos. Son sustancias homogéneas que, así como la mínima parte de un elemento es el átomo, la mínima parte de un compuesto es la molécula. La molécula está formada por átomos en proporciones de�nidas. El H2O está en proporciones de�nidas: dos átomos de hidrógeno por una de oxígeno. Así como la masa de un átomo se llama masa o peso atómico, la masa de una molécula se llama peso o masa molecular y siguen siendo masas relativas.
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El peso molecular es la suma de los pesos atómicos de todos y cada uno de los átomos que conforman la molécula. Por ejemplo, el peso molecular del CO2 será 44, resultado que se obtiene de sumar el peso atómico del carbono y dos veces el peso atómico del oxígeno. El peso molecular se puede expresar, de manera general, así: Peso Molecular = PM =∑ Xi Yi
(2.20)
donde Yi es el peso atómico del elemento i y Xi es el número de veces que está presente el elemento i en la fórmula. El peso molecular del Ozono (O3) es 48; es decir, 16 multiplicado por 3. La transformación y combinación de la materia ocurre permanentemente a nivel industrial, en la naturaleza, en los sistemas de descontaminación, etc. A nivel industrial, se habla de procesos unitarios para la elaboración de cemento, alcohol, acero y muchos otros compuestos más. En la naturaleza, son ejemplos la fotosíntesis, los incendios forestales, la descomposición de la materia orgánica en las cadenas alimenticias, la asimilación de los alimentos en los seres vivos mediante el metabolismo. En los procesos de descontaminación, se tienen ejemplos en las plantas de tratamiento de aguas residuales, en los rellenos sanitarios, en los hornos incineradores. Sobre estos últimos el hombre los denomina sistemas de disposición y tratamiento, pero está en duda su carácter de sistemas de descontaminación. Se puede presentar el famoso trasvase o cambio de receptor, donde, simplemente, el contaminante pasa del agua al aire o al suelo, bajo la misma forma de sustancia o en otra presentación (se descontamina por un lado y se contamina por el otro). En los sistemas de tratamiento de aguas residuales anaerobios, se puede obtener ácido sulfhídrico y metano de la degradación de la materia orgánica; en los sistemas aerobios se puede obtener dióxido de carbono y agua. Recuerde la fórmula de cada uno de estos compuestos. Es importante conocer los mecanismos, la e�ciencia y las condiciones para que las transformaciones y combinaciones de la materia ocurran. En los procesos productivos a nivel industrial es clave hacer el seguimiento a “esas” combinaciones o reacciones, para estudiar los rendimientos que permitan ser competitivos. En la naturaleza se puede realizar el seguimiento de la materia, como es el caso de los ciclos biogeoquímicos con los cuales se puede explicar, por ejemplo, por qué puede extinguirse una especie o tener problemas de nutrición, o por qué los rendimientos de un cultivo no son los esperados. También se puede
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
explicar la relación entre la quema de combustibles fósiles y la lluvia ácida. En el tratamiento de aguas residuales, el conocimiento de las reacciones químicas permite realizar cálculos como es el caso de los sistemas de neutralización de ácidos o bases. También se puede predecir y calcular la cantidad de sustancias por obtener en un reactor, lo mismo que se puede explicar lo que ocurre en la atmósfera, con fenómenos como el deterioro o desgaste de la capa de ozono, ocasionado por la presencia de sustancias como los CFC´s. Una ecuación química, correctamente escrita, es la base para encontrar la relación de masas que existe entre las materias primas (reactivos) y los productos de un sistema industrial, gobernado por un proceso unitario. Es la base de la ley de la combinación de las masas. Sin estos conceptos, no se pueden entender ni cuanti�car las consecuencias de la quema de combustibles fósiles con contenidos altos de azufre (lluvia ácida), la producción de materia orgánica a partir del dióxido de carbono (fotosíntesis), ni el deterioro de la capa de ozono a partir de los CFC’s o compuestos Cloro�uorcarbonados, usados como impulsores en los aerosoles. Por ejemplo, las siguientes ecuaciones explican el mecanismo de la lluvia ácida: S + O2 SO2 SO2 + 0.5 O2 SO3 SO3 + H2O H2SO4 La siguiente ecuación explica la producción de materia orgánica a partir de dióxido de carbono: 6 CO2 + 12 H2O C6 H12 O6 + 6 O2 + 6 H2O Las siguientes ecuaciones explican el deterioro o disminución de la capa de ozono que protege la vida en el planeta de los rayos ultravioleta, a partir del Diclorodi�uorometano (Cl2CF2): Cl2 C F2 + luz Cl + Cl C F2 Cl + O3 Cl O + O2 O3 + luz O + O2 Cl O + O Cl + O2 El cloro queda libre para volver a iniciar el “ataque” al ozono, lo que da como resultado neto la conversión del ozono en oxígeno.
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2.3.2. Estequiometría. El funcionamiento de la naturaleza está ligado de una
manera directa con los conceptos de la química. Dicho de otra forma, es así como ella funciona. Por lo tanto, es de extrema importancia conocerla de la misma manera como se debe conocer el funcionamiento de un proceso industrial, para no cometer el error de manejarla como una caja negra. Las ecuaciones químicas tienen unas características que deben ser tenidas en cuenta, para el estudio de los procesos unitarios: 1. Las reacciones químicas implican el cambio de una o más sustancias a una o más sustancias diferentes. Es decir, implican el reagrupamiento de átomos o iones para formar nuevas sustancias. 2. Las ecuaciones químicas se usan para describir reacciones químicas y muestran las sustancias que reaccionan llamadas reactantes (materias primas) y las sustancias que se forman llamadas productos ( productos, subproductos y residuos). 3. Las ecuaciones químicas muestran las cantidades relativas de las sustancias involucradas en la reacción. 4. Una ecuación química debe incluir siempre el mismo número de cada clase de átomos a ambos lados de la ecuación (siempre se debe balancear la ecuación). 5. Durante una reacción química ordinaria no hay cambio detectable en la cantidad de materia que entra y la que sale (ley de la conservación de la materia). Se puede considerar, como ejemplo, la reacción que se presenta cuando el gas natural (metano), se oxida (se quema) con la correspondiente formación de dióxido de carbono y de agua. Este es un ejemplo típico de lo que ocurre en la industria o a nivel doméstico. CH4 + O2 CO2 + H2O La ecuación no tiene igual número de átomos de cada especie a ambos lados, es decir, no está balanceada. 1 CH4 + 2 O2 1 CO2 + 2 H2O Normalmente cuando el coe�ciente es 1, éste no se coloca (Se escribió de manera didáctica). Ahora, se obtienen los pesos o masas atómicas de cada elemento (Ver Tabla N0 4, en los anexos al �nal del libro): C = 12 O = 16 H = 1
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Conocidos las masas o pesos atómicos se pueden calcular las masas o pesos moleculares: CH4 = 1x12 + 4x1 = 16 O2 = 2x16 = 32 CO2 = 1x12 + 2x16 = 44 H2O = 2x1 + 1x16 = 18 Las unidades de los pesos atómicos pueden ser libras, gramos, toneladas, etc. Esto por ser proporciones. Las masas relativas que reaccionan y las masas relativas de los productos, subproductos o residuos obtenidos se determinan de acuerdo a los coe�cientes obtenidos al balancear la ecuación: CH4 = 1 x 16 = 16 O2 = 2 x 32 = 64 CO2 = 1 x 44 = 44 H2O = 2 x 18 = 36 Veri�cando la ley de la conservación de la materia se tiene que: Materias primas (Lo que entra) = 16 + 64 = 80 Productos, subproductos o residuos (Lo que sale) = 44 + 36 = 80 Si la ley de la conservación de la materia no se cumple, es decir si lo que entra no es igual a lo que sale , no se debe continuar resolviendo el problema. Se debe regresar y encontrar el error. El resumen es el siguiente: 12 1 16 12 16 1 16 CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O 16 32 44 18 16
64
44
36
La ley de la conservación de la materia establece que 16 unidades de masa de gas natural metano (CH4), reaccionan con 64 unidades de masa de oxígeno (O2), para producir 44 unidades de masa de dióxido de carbono (CO2) y 36 unidades de masa de agua (H2O). La unidad de masa que se escoge para resolver el problema
puede ser, como ya se dijo, la tonelada, la libra, el kilogramo. Se puede escoger la unidad de masa que se quiera o que se requiera, pero una vez escogida la unidad base, se debe continuar el desarrollo del problema de una manera uni�cada, es decir, con la misma unidad. Al �nalizar los cálculos, se puede obtener
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el resultado en las unidades que se quiera con simples factores de conversión. Si se escoge la tonelada como base, se puede decir que 16 toneladas de CH4 se combinan con 64 toneladas de O2 para producir 44 toneladas de CO2 y 36 toneladas de H2O. También se puede decir que 1 mol -ton de CH4 se combina con 2 mol-ton de O2, para producir una cantidad de productos, subproductos o residuos iguales a 1 mol-ton de CO2 y 2 mol-ton de H2O. Conocer la relación de masas, permite, que si sabe la masa de uno cualquiera de los componentes de la ecuación, se puedan calcular las cantidades teóricas de los otros componentes, mediante el uso de simples proporciones o reglas de tres.
Un átomo-gramo se de�ne como la masa en gramos de un elemento, que es numéricamente igual a su masa atómica. Por ejemplo, la masa atómica del sodio es 23; por lo tanto un átomo-gramo de sodio pesa o tiene una masa de 23 gramos. De manera semejante, se pueden de�nir cantidades como el átomolibra, átomo-tonelada o átomo-kilogramo, donde la unidad base es la libra, la tonelada y el kilogramo respectivamente. Entonces, se puede decir que, para el sodio, un átomo -libra pesa 23 libras, un átomo-tonelada pesa 23 toneladas y un átomo-kilogramo pesa 23 kilogramos. Un mol-gramo se de�ne como la masa en gramos de un compuesto que es numéricamente igual a su peso molecular. Por ejemplo, el peso molecular del metano es 16; por lo tanto, un mol-gramo de metano pesa o tiene una masa de 16 gramos. De manera semejante, se pueden de�nir otras cantidades como el mol-libra, el mol-tonelada o mol-kilogramo. Se puede a�rmar entonces que un mol-libra de metano pesa 16 libras y un mol-kilogramo pesa 16 kilogramos. La estequiometría es el cálculo de las cantidades comprometidas en una reacción química y que están de�nidas en una proporción especí�ca, como se vio con anterioridad. La estequiometria se basa en la ecuación química y en la relación de masas o moles. Estos cálculos no se repiten en la industria de una manera exacta; son un punto de referencia, por lo que se habla de lo teórico y de lo real. Lo teórico es el punto de referencia para los procesos que involucran reacciones químicas a partir de las cuales se puede observar, qué tan lejos se está de alcanzar lo ideal. La mayoría de las veces, las materias primas no se agregan
en las cantidades que indica la estequiometría; aparece, entonces, el concepto de reactivo límite y de reactivo en exceso. Si un emparedado se hace con dos tajadas de pan y una tajada de mortadela, ¿cuantos emparedados se pueden hacer con 5 tajadas de pan y dos de mortadela? Dos ¿Por qué no se pueden
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
hacer mas? Falta mortadela. La mortadela limita la producción de emparedados (reactivo límite) mientras que sobra pan (reactivo en exceso). 2.3.3. Reactivo límite y reactivo en exceso. El reactivo límite es la materia
prima que se encuentra en una cantidad inferior a la que indica la proporción estequiométrica. El reactivo que se encuentra en cantidad superior a la indicada por la proporción estequiométrica, se denomina reactivo en exceso. 2.3.4. Grado de conversión. Existe la posibilidad de que el reactivo límite no
reaccione completamente. Al agregar el reactivo límite en la proporción que indica la estequiometría de la reacción, no se garantiza que éste, se consuma en su totalidad. Se debe entonces, analizar la cantidad de reactivo límite que reacciona para determinar el grado de conversión. Éste se puede expresar en porcentaje, como la relación entre la cantidad de reactivo límite que reacciona y la cantidad de reactivo límite agregado, el cual fue teóricamente calculado: Grado de conversión =
Re activo límite que reacciona Re activo límite agregado
x 100
(2. 21)
2.3.5. Rendimiento. El rendimiento de un proceso químico se determina calcu-
lando la relación entre la cantidad real obtenida y la cantidad que teóricamente se debe obtener: Rendimiento =
Masa real obtenida de producto Masa teórica obtenida de producto
x 100
(2. 22)
2.3.6. Productividad. En los procesos productivos y en general en las acti-
vidades donde se invierten recursos abundantes o escasos, la productividad se determina dividiendo el producto obtenido entre la cantidad de recursos invertidos. Por ejemplo, camisas obtenidas por cada metro de tela utilizado; toneladas de jabón obtenido por cada tonelada de sebo utilizado; litros de alcohol obtenidos, por cada tonelada de melaza utilizada; metros cúbicos de agua residual generados por metros cúbicos de alcohol carburante producido. Los anteriores son ejemplos de índices unitarios de productividad. Si los recursos invertidos son escasos, como efectivamente lo son, con mayor razón se deben calcular todos los índices de productividad inherentes a un proceso.
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Indice de productividad =
Cantidad de producto obtenido Cantidad de recurso invertido
(2. 23)
El producto obtenido se puede expresar en diferentes unidades lo mismo que los recursos invertidos. Por ejemplo, masa de producto obtenido (toneladas, libras, kilogramos, etc.); igualmente, en volumen de producto obtenido (galones, litros, metros cúbicos, etc.), o en número de piezas fabricadas. Los recursos invertidos pueden ser presentados también, en masa o volumen; pero, también, en unidades de piezas, horas-máquina, horas-hombre. 2.3.7. Pureza. Las materias primas o reactivos usados en un proceso unitario
están con una pureza del 100% sólo en los libros. En el laboratorio pueden alcanzar grados de concentración elevados sin que tampoco sean del 100%. A nivel industrial la presencia de impurezas es signi�cativa, lo que implica que deben ser tenidas en cuenta. Otro aspecto importante en las relaciones estequiométricas es que el producto principal, por lo general, no se obtiene puro sino que puede quedar formando una solución o una mezcla, cuya composición depende de la pureza de los reactivos o materias primas, de la cantidad de reactivo límite que haya reaccionado, de la cantidad de reactivo en exceso agregado, del estado físico de los materiales, de la cantidad de productos secundarios formados o subproductos obtenidos y, evidentemente, de la cantidad de producto principal obtenido. Como ejemplo, se puede analizar la reacción entre el cloruro de calcio y el carbonato de sodio que se realiza en el reactor de una fábrica con el �n de obtener carbonato de calcio, para venderlo en la industria del vidrio. Para el proceso, se usa, como materias primas, cloruro de calcio en solución acuosa y carbonato de sodio en solución acuosa. Se obtiene carbonato de calcio, insoluble en agua, el cual precipita y cloruro de sodio, soluble en agua. CaCl2 (ac.) + Na2CO3 (ac.) CaCO3 (s) + 2NaCl (ac.)
Para la química tradicional, uno de los productos sale puro (CaCO3) por un lado del reactor y el otro, (NaCl) sale también puro, por el otro lado del reactor ocurriendo una fácil y económica separación. Esto se debe a que los libros de química no tienen como objetivo realizar el análisis del proceso productivo, sino explicar el comportamiento químico. Sin embargo, los productos salen, realmente,
como una mezcla o solución que no se puede vender o comercializar, a no ser que se efectúe una concentración, mediante el uso de operaciones o procesos
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
unitarios: por lo general una operación unitaria ¿Tiene, usted, claridad sobre la diferencia entre Operación Unitaria y Proceso Unitario? En el proceso de obtención del alcohol etílico, la fermentación produce una solución con una concentración de alcohol de 9% en volumen; el 91% restante es agua, ácidos, glicerina, carbonato, etc., mezcla que recibe el nombre de vina za. El alcohol no se puede comercializar fácilmente así como se obtiene, siendo necesario concentrarlo mediante una operación de destilación. Esta operación tiene un elevado consumo de energía, además, de equipos especializados, mano de obra cali�cada; todo esto conforma un sistema productivo que da valor agregado al producto, pero también puede producir sustancias contaminantes para el medio ambiente, como es el caso de las famosas vinazas. Son muchos los ejemplos que se pueden mencionar para demostrar, que una “simple” reacción química no es solo una ecuación, sino por el contrario, es un complejo industrial lo que se está involucrando. De acuerdo con esto, es importante determinar la concentración con la que se obtiene un producto en una reacción química, no sin antes mencionar que hay productos que se pueden separar relativamente fácil de acuerdo con su estado de agregación. La concentración del producto principal o de cualquier sustancia, producto de una reacción, se determina así: Concentracion =
Masa de producto final Masa total de mezcla final
x 100
(2. 24)
La masa total de la mezcla �nal, solamente incluye las sustancias que acompañan el producto principal, puesto que en algunos casos se presenta la separación de gases, por ejemplo. El tipo de operación unitaria o proceso unitario que se utiliza para puri�car el producto depende del tipo de mezcla que se obtenga en el reactor (los ingenieros químicos tienen la palabra).
2.4. Flujo 2.4.1. Flujo másico y volumétrico. Para realizar el diseño de equipos, para
determinar costos de producción, para veri�car la magnitud de los problemas ambientales generados por la descarga de sustancias contaminantes, para determinar el tamaño de los sistemas de almacenamiento de materias primas, insumos, productos y subproductos, para determinar la frecuencia de suministro de materias primas y para muchos otros aspectos, se requiere el concepto
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de �ujo. Se denomina �ujo de una sustancia, a la velocidad que esta sustancia pasa a través de una línea de proceso. El �ujo se puede expresar de dos formas básicamente: en masa y en volumen. El �ujo másico indica la cantidad de masa que se mueve por unidad de tiempo y el �ujo volumétrico indica, el volumen que se desplaza por unidad de tiempo. Conocida la densidad de la sustancia, se puede convertir el �ujo de masa en �ujo de volumen o el �ujo de volumen en �ujo de masa, sin olvidar que se debe tener en cuenta la temperatura. ¿Sabe por qué la temperatura es importante? Las unidades en que se expresa el �ujo de masa son: kilogramo por hora (kg/h), toneladas por minuto (ton/min), libra por segundo (lb/s) y todas las posibles combinaciones entre masa y tiempo. Las unidades del �ujo de volumen son: metros cúbicos por segundo (m3/s), litros por hora (L/h), galones por minuto (gal/min) y todas las posibles combinaciones entre volumen y tiempo. El �ujo de masa y el �ujo de volumen también se pueden distinguir como caudal másico y caudal volumétrico. Para entender la importancia del concepto de �ujo o caudal se puede recordar la pregunta que un día el maestro formula al alumno: ¿Quién gana más dinero: Pedro que gana $5’000.000 o Juan que gana $5.000? Obviamente que no se puede saber la respuesta acertada, hasta cuando no se sepa el tiempo en el cual, cada uno de ellos, se gana esa suma de dinero. Si Pedro lo gana por año y Juan lo gana por minuto, pues Juan gana más; pero si Pedro lo gana por mes y Juan por semana, es Pedro el que más gana. 2.4.2. Tiempo de retención. Asociado al concepto de caudal volumétrico está
el de tiempo de retención, o tiempo que demora un material en un equipo o “recipiente”. Es el tiempo que demora en pasar por un equipo un material determinado. Por ejemplo, si el caudal de aguas residuales es de 50 m3/día y tiene que pasar por una laguna de 500 m3, se puede a�rmar que el tiempo de retención del agua en la laguna es de 10 días. En términos generales se puede a�rmar que el tiempo de retención en un equipo o recipiente, es igual al volumen del equipo o recipiente dividido entre el caudal volumétrico, en unidades consistentes. Para el diseño de lagunas de oxidación, lodos activados y reactores anaerobios, el tiempo de retención es un parámetro que se debe tener en cuenta. Cuando aumenta la cantidad de agua que entra a una laguna de oxidación, por ejemplo, disminuye el tiempo de retención y por lo tanto baja la e�ciencia del tratamiento.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
2.5. Estado de los materiales Los materiales usados por la industria se encuentran, básicamente, en estado sólido, líquido o gaseoso. Al de�nir las operaciones unitarias se especi�ca el tipo de agregación de los materiales involucrados; igual sucede con los procesos unitarios. El tamizado está relacionado con materiales en estado sólido; la �ltración implica un material en estado sólido, suspendido en un �uido que puede ser líquido o gaseoso. Sin embargo, muchas de las sustancias manipuladas a nivel industrial son una agregación de los estados básicos, constituyendo una mezcla o una verdadera solución. La leche, la gaseosa, el cemento, el aceite, el acero, el carbón, el humo que sale por una chimenea, el agua residual o los residuos sólidos urbanos, son ejemplos de esto. Casi todas las sustancias pueden existir en los tres estados básicos; los líquidos y los gases se conocen como �uidos dado que �uyen libremente, mientras que los líquidos y los sólidos se conocen como estados condensados, por tener densidades mayores que los gases. La siguiente �gura muestra los estados de la materia y el cambio que ocurre entre cada uno de ellos; estos cambios se presentan a nivel de la industria y a nivel de la naturaleza. A manera de ejemplo el lector puede buscar, un caso en la industria y uno en la naturaleza, donde ocurra la evaporación. Gas A
F
B E C Liquido
Solido
D
A = Sublimación D = Solidi�cación
B = Deposición o sublimación inversa E = Evaporación
C = Fusión F = Condensación
Figura 2.5. Estados de la materia.
2.5.1. Gases. Se pueden comprimir a volúmenes más pequeños, ejercen pre-
sión sobre sus alrededores, se expanden sin límites, se difunden entre sí. Las
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cantidades y propiedades de los gases se describen en términos de temperatura, presión, volumen y masa. Esta última puede ser expresada en términos molares; es decir, que también puede ser la masa de la sustancia sobre el peso molecular de la misma. El comportamiento de los gases se rige por leyes, así: Ley de Boyle: El volumen de una determinada cantidad de gas seco, es inversamente proporcional a la presión si se mantiene la temperatura constante. Vα
1
V=
P
K
V1 =
P
K P1
V2 =
K P
V1 P 1 = V2 P
2
(2. 25)
2
Ley de Charles (Gay-Lussac): El volumen de una determinada cantidad
de gas seco, es directamente proporcional a la temperatura si se mantiene la presión constante. Va T
V =KT
V1 = K T1
V2 = K T2
V1 T2 = V2 T1
(2. 26)
Si la temperatura y la presión cambian simultáneamente, se puede encontrar el volumen �nal aplicando las leyes de Boyle y de Charles en una sola ecuación Ley Combinada: El volumen ocupado por una muestra de�nida de gas seco, es inversamente proporcional a la presión (Ley de Boyle) y directamente proporcional a la temperatura (Ley de Charles). T
Vα
P
V=
KT P
V1 =
K T1 P1
V2 =
K T2 P2
V1 P1 T2 = V2 P 2 T1
(2. 27)
En 1.811 Amadeo Avogadro3 postuló que: A la misma presión y tempe-
ratura, volúmenes iguales de todos los gases secos, tienen el mismo número de moléculas. A temperatura y presión constante, el volumen ocupado por una muestra de gas seco, es directamente proporcional al número de moles del gas. V αn
V =K n
V1 = K n1
V2 = K n 2
V1 n 2 = V2 n1
(2. 28)
El resumen de las leyes de los gases se conoce como la ley de los gases ideales. Ley de los gases ideales: Es la síntesis de las leyes de Boyle, Charles y Avogadro. 3 WHITTEN W. Kenneth. Química General Editorial Mc Graw Hill, Ciudad de México. D.F. 1.998
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Vα
nT
V=
P
n RT
PV = n RT
P
(2. 29)
La constante R se determina con las condiciones estándar y el volumen molar de los gases. Dichas condiciones son: Volumen de 1 mol-gramo = 22,414 litros Volumen de 1 mol-libra = 359,046 pies cúbicos Volumen de 1 mol-kilogramo = 22,414 metros cúbicos Temperatura = 273,16 K = 491 0R = 0 0C Presión = 1 atmósfera = 760 mm Hg = 14,7 lbf/pulg2 De la ecuación de los gases ideales se puede obtener la relación que permite calcular la densidad o el peso molecular de un gas. P V = n RT n =
m
m = Masa de gas Pm = Peso molecular del gas
Pm
(2. 30)
Teniendo en cuenta que la densidad es m/V, entonces se obtiene: P Pm R T
=
m V
=
(2. 31)
D
Ley de Dalton: La presión total P ejercida por una mezcla gaseosa es igual
a la suma de las presiones parciales PA, PB, PC, etc. P
=
P A
+
PB
+
PC
+
.......... .
( 2. 32)
Presión parcial: La presión parcial de un componente en una mezcla ga-
seosa es la presión que ejercería este componente si sólo él estuviese presente en el mismo volumen total y a igual temperatura que la mezcla. n A RT P A =
n A RT
P A
V
P
=
V nRT
P A P
=
n A n
= X A P A = X A P
( 2. 33)
V
En la mayoría de las situaciones a nivel industrial, las condiciones ideales no se cumplen. Se habla de que un gas es ideal cuando la temperatura a la cual
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se encuentra es alta y la presión a la cual se encuentra es baja. Generalmente, a nivel industrial, se encuentran condiciones contrarias; es decir, el gas está a baja temperatura y alta presión. Pero, ¿qué es presión baja y qué es temperatura alta? ¿Los valores que se toman como altos para una sustancia también lo son para otras sustancias? Una de las muchas ecuaciones que interpretan el comportamiento de un gas real donde se relaciona la temperatura, la presión, la masa, el volumen y el factor de corrección, es la siguiente: PV = Z n RT
(2. 34)
En la ecuación anterior, Z se denomina factor de compresibilidad y se interpreta como la desviación respecto al comportamiento ideal del gas. Si Z = 1, el gas es ideal y si es diferente de uno, es un gas real. El factor de compresibilidad puede tomar valores inferiores a uno y superiores a cuatro, en condiciones extremas. Los errores que se pueden cometer, al no tener en cuenta la desviación del comportamiento ideal, pueden alcanzar valores hasta del 150% o más. Cuando el factor de compresibilidad tiene un valor de 1, la ecuación anterior se convierte en la ecuación con la cual se puede analizar el comportamiento de un gas ideal; si el factor de compresibilidad tiene un valor de 0,5, por ejemplo, el volumen requerido para almacenar una determinada cantidad de gas, bajo unas condiciones de presión y temperatura, es la mitad del volumen que ocupa el mismo gas, bajo las mismas condiciones de presión y temperatura, pero con un comportamiento ideal. Ahora, si el factor de compresibilidad tiene un valor de 2, con un análisis similar se encuentra que el volumen requerido por el gas real, es el doble del que requiere el gas ideal. Para responder interrogantes sobre qué son temperaturas altas y presiones bajas en cuanto a un gas ideal, se debe analizar el concepto de los estados correspondientes. Este concepto establece que las sustancias, por diferentes que sean, se comportan de igual forma a iguales valores de condiciones reducidas. Pero entonces ¿qué son condiciones reducidas? Temperatura reducida es la relación entre la temperatura a la cual se encuentra la sustancia y la temperatura crítica, siendo la temperatura crítica aquella temperatura por encima de la cual, termina la coexistencia entre las fases líquida y vapor, es decir, el líquido y el vapor no existen como fases diferenciadas. La presión necesaria para licuar un gas que se encuentra a temperatura crítica se denomina presión crítica. La temperatura crítica y la presión crítica de�nen el estado crítico en el cual, no hay distinción entre el estado líquido
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
y el estado gaseoso. Por su parte, el volumen, en el estado crítico, se denomina volumen crítico. Las constantes críticas son únicas para cada sustancia en particular y di�eren de un compuesto a otro, por lo que son características de cada material.
Tc
Ideal Real
Pc Gas P r e s i ó n
Líquido + Vapor Vapor
Vc Volumen Molar
Figura 2.6. Diagrama de fases de una sustancia pura.
De la �gura anterior se pueden sacar varias conclusiones: 1. Un gas está por encima de la temperatura crítica. 2. Un vapor está bajo la temperatura crítica. 3. Cuando las condiciones de la sustancia se acercan a la línea de vapor saturado, el comportamiento ideal se aleja del real y viceversa. Así como se de�nió la temperatura reducida se puede de�nir la presión reducida como la relación entre la presión a la cual se encuentra la sustancia y su presión crítica. El volumen reducido es la relación entre el volumen de la sustancia y su volumen crítico. Tr =
T Tc
Pr =
P Pc
Vr =
V Vc
(2. 35)
Se recomienda al estudiante remitirse a un libro de termodinámica con el �n de aclarar los conceptos pertinentes. Una vez aclarados los conceptos termo-
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dinámicos, queda pendiente el cálculo del factor de compresibilidad Z. Para el cálculo de la presión y temperatura reducida, se deben usar presiones y temperaturas absolutas, mientras que las constantes críticas se pueden encontrar en la Tabla N0 5, al �nal del libro. Con los datos de presión y temperatura reducida, se puede calcular el factor de compresibilidad, en grá�cas que relacionan la Pr, Tr y Z (ver Grá�cas 1, 2 y 3, en anexos, al �nal del libro). Uno de los primeros intentos satisfactorios para modi�car la ecuación de los gases ideales con el �n de hacerla aplicable a los gases reales se debe a J.D. Van der Waals, quien propuso la siguiente relación: 2
(P +
n a V
2
) (V - n b ) = n RT
( 2. 36)
En la fórmula anterior a y b son constantes especí�cas para un gas dado. La constante a viene determinada por las fuerzas atractivas entre las moléculas, mientras que la constante b depende de su volumen efectivo. Ofrece, sin embargo, un punto débil importante: si se supone que la ecuación es exacta, entonces a y b tendrían que variar con la temperatura. No obstante, esta ecuación se emplea frecuentemente. En los anexos al �nal del libro se encuentran los valores de a y b para algunas sustancias especí�cas (Ver Tabla N0 6). Los gases se deben mirar, como hasta ahora, según su comportamiento a nivel de industria o de proceso. Sin embargo, es importante que el ingeniero tenga presente que las sustancias en estado gaseoso, también son de mucha importancia desde el punto de vista ambiental. Una vez que las sustancias gaseosas escapan de un tanque de almacenamiento debido a una fuga, por ejemplo, una descarga por la chimenea de una caldera o de un reactor, o cuando se producen como producto del metabolismo de ciertos microorganismos en procesos de descontaminación, pueden causar serios problemas de contaminación atmosférica o de contaminación del aire. El dióxido de carbono (CO2) generado en la combustión de biomasa (madera, cascarilla de arroz, hojas de papel o de los árboles, por ejemplo) o de combustibles fósiles (carbón, gasolina, gas natural), escapa por las chimeneas industriales o como producto del metabolismo biológico. Esta sustancia, al igual que el metano y los CloroFluorCarbonados (CFC’s), es la responsable de que se esté intensi�cando el llamado “efecto de invernadero” incrementando, como es natural, la temperatura promedio global del planeta. El consumo de
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
combustibles fósiles con cantidades elevadas de azufre o mediante procesos de oxidación a altas temperaturas, generan los respectivos óxidos de azufre y nitrógeno que una vez en la atmósfera pueden causar la “lluvia ácida” , al igual que el ácido sulfhídrico producido en los reactores anaerobios utilizados para el tratamiento de aguas residuales. Muchas sustancias en estado gaseoso, generadas por actividades antrópicas o naturales, pueden causar problemas de contaminación directa o perturbaciones aleatorias al medio, como el caso de la “inversión térmica” o el “deterioro de la capa de ozono” . La mayor parte de los residuos volátiles que abandona el hombre no llegan a ascender más de unos cuantos centenares de metros. El contacto de este aire con la rugosidad de la super�cie terrestre (edi�cios, colinas, etc.) y su movimiento de rotación hace que se produzcan turbulencias y por consiguiente, que se genere una mezcla constante lo que da origen al nombre de capa de mezcla. En principio, debido al movimiento constante del aire en la capa de mezcla, los gases y partículas emitidos se dispersan, lo que favorece su asimilación por la atmósfera, casi como un sistema de autodepuración.. Solo en el caso de que los gases y partículas que se arrojan a la capa de mezcla sea en gran cantidad y permanentemente, y si, además, las condiciones climáticas lo favorecen, los contaminantes pueden permanecer en una determinada zona muy local o puntual por un largo período de tiempo, sus efectos se dejan sentir de una manera signi�cativa. Estas son las condiciones que muchas veces se presentan en ciudades densamente pobladas, lo mismo que en centros industriales de una alta actividad productiva o en zonas de la ciudad con un alto tránsito de vehículos. En estos lugares, debido al microclima particular que se genera (el clima en la ciudad puede llegar a ser muy diferente al clima que se tiene en los alrededores) así como a la gran cantidad de residuos de naturaleza química variada que se expulsan a la atmósfera, se producen episodios de intensa contaminación, dando lugar al denominado smog cuyos efectos son muy negativos para la población que habita en dicha ciudad. 2.5.2. Líquidos. Las moléculas de una sustancia en el estado gaseoso tienen
dos comportamientos totalmente contrarios: la energía cinética de traslación de cada molécula representa un movimiento permanente al azar, el cual trata de separarlas y hace que traten de ocupar todo el espacio disponible; por otro lado, las fuerzas de atracción entre las moléculas tratan de reunirlas y agruparlas. La primera tendencia, es decir a la dispersión, está relacionada de una manera
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directamente proporcional con la temperatura; mientras que la de atracción, viene determinada por la intensidad de las fuerzas de atracción y por la proximidad de unas a otras. Cuando la energía de atracción de una molécula sobre otra, excede a su energía de traslación, las moléculas formarán un denso agregado pasando del estado gaseoso al estado líquido. El estado líquido es muy frecuente en sustancias usadas a nivel industrial, ya sea como sustancias puras o como soluciones; en las soluciones son el solvente y contienen como soluto otro líquido, un sólido o un gas. Algunas características de los líquidos son las siguientes: 1. No tienen forma de�nida y por lo tanto, adoptan la forma del recipiente que ocupan. 2. Tienen volumen de�nido y solo son ligeramente compresibles. 3. Tienen una densidad elevada comparada con los gases. 4. Son �uidos y forman las llamadas fases condensadas junto con los sólidos. 5. Se pueden difundir a través de otros líquidos. 6. Están formados de agregados de partículas desordenadas que están bastante próximas entre si. 7. Las partículas poseen movimiento al azar en tres dimensiones. 8. Los líquidos presentan unas características muy propias de su estado que son: viscosidad, capilaridad, tensión super�cial, vaporización, presión de vapor y punto de ebullición. La viscosidad es la resistencia a �uir y se puede medir con un viscosímetro como el de Ostwalt, que aparece a continuación:
Figura 2.7. Viscosímetro. Se mide el tiempo que le lleva a un volumen conocido de líquido �uir a través del cuello delgado.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Para que un líquido �uya, las moléculas deben tener la capacidad de resbalar unas sobre otras. En general, cuanto mayor sean las fuerzas intermoleculares de atracción, mas viscoso será el líquido. Las sustancias que poseen gran habilidad para formar enlaces de hidrógeno, en especial, las que implican varias posiciones de enlace de hidrógeno por molécula, tal como la glicerina, tienen normalmente viscosidades altas. A medida que la temperatura aumenta y las moléculas se mueven más rápidamente, sus energías cinéticas permiten superar las fuerzas de atracción intermolecular, disminuyendo así la viscosidad con la temperatura. Las moléculas bajo la super�cie de un líquido están in�uenciadas por las atracciones intermoleculares desde todas las direcciones, mientras que las que están en la super�cie sólo son atraídas hacia el interior; estas atracciones tiran de la capa superior hacia el interior. La situación más estable es aquella en la que el área super�cial es mínima. Para un volumen dado, la esfera posee la menor área super�cial posible, de modo que las gotas de líquido tienden a adoptar formas esféricas. La tensión super�cial es una medida de las fuerzas dirigidas hacia el interior, que se deben vencer para expandir el área super�cial de un líquido o la tendencia a disminuir el área super�cial. Todas las fuerzas que mantienen unido a un líquido se denominan fuerzas cohesivas, mientras que las fuerzas de atracción entre un líquido y otras super�cies, se denominan fuerzas adhesivas. Los átomos de hidrógeno del agua, cargados positivamente, se unen fuertemente a las cargas parciales negativas de los átomos de oxígeno en la super�cie del vidrio. Como resultado, el agua se adhiere al vidrio o lo moja; además, la super�cie del agua (el menisco) tiene forma cóncava. Por el contrario, el mercurio, cuyo menisco es convexo, no moja el vidrio, ya que sus fuerzas cohesivas son mucho mayores que su atracción por el vidrio, es decir, que sus fuerzas adhesivas, por lo que su menisco es convexo. Un tubo capilar es un tubo de vidrio de diámetro interior pequeño; al sumergirse éste en el agua, si las fuerzas adhesivas superan las fuerzas cohesivas, el líquido sube a lo largo de las paredes del tubo hasta cuando se equilibran las fuerzas adhesivas y el peso del líquido. Cuanto más pequeño sea el agujero, más alto sube el líquido. La atracción capilar ayuda a las raíces de las plantas a tomar el agua y los nutrientes disueltos en el suelo y los sube por los tallos. El estado líquido resulta de condiciones en las cuales las energías potenciales de atracción entre las moléculas exceden las energías cinéticas de traslación, como consecuencia de una disminución en la temperatura de la sustancia o del
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acercamiento excesivo de las moléculas aumentando las fuerzas de atracción. De acuerdo con esto, la super�cie de un líquido es una capa de moléculas que son atraídas por las moléculas que la rodean. Una de las moléculas de la super�cie solamente, puede salir del líquido superando las fuerzas de atracción de las moléculas que la rodean y que la hacen permanecer en el seno del líquido; esto se puede lograr, si se da a la molécula retenida su�ciente energía cinética de traslación para vencer las fuerzas de atracción. En los conceptos sencillos de energía cinética que se han estudiado, se ha supuesto que todas las moléculas de una sustancia a una determinada temperatura están dotadas de las mismas energías cinéticas y se mueven a la misma velocidad. Se ha podido demostrar que esto no es cierto y que las energías y velocidades moleculares varían entre amplios límites alrededor de los valores medios. Se pueden entonces encontrar moléculas de contenidos energéticos altos que se mueven a velocidades por encima de los valores medios y que pueden llegar a la super�cie del líquido con la su�ciente energía para escapar de él, teniendo como consecuencia que moléculas del líquido escapen al estado gaseoso o de vapor. Este fenómeno se denomina evaporación o vaporización. Cuando un líquido se evapora dentro de un espacio limitado, este tratará de llenarse aumentando la presión ejercida por el vapor debido a los choques de las moléculas contra las paredes del recipiente o super�cie límite. Como la super�cie del líquido es una de las super�cies límite, la molécula de vapor puede chocar contra ella y quedar retenida por la in�uencia de las fuerzas atractivas de las moléculas del líquido, ocurriendo el fenómeno contrario a la evaporación y que se denomina condensación. La velocidad de condensación aumenta a medida que aumenta la evaporación y aumenta por tanto, la presión de vapor, de tal suerte que si hay líquido su�ciente, la presión de vapor alcanzará �nalmente un valor tal, que la velocidad de condensación es igual a la velocidad de evaporación. Cuando se alcanza esta condición, se establece un equilibrio dinámico y la presión de vapor permanecerá constante, ya que la formación de nuevo vapor se compensa con la condensación. La presión ejercida por el vapor, en tales condiciones, se denomina presión de vapor del líquido, siendo función no sólo de la temperatura, sino del tipo de sustancia en particular. La temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión absoluta o total, por encima de la super�cie de él, se conocecomo punto de ebullición. El punto de ebullición de un líquido depende de la presión absoluta
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
sobre él, incrementándose con el aumento de dicha presión. La temperatura a la que un líquido hierve a la presión total de una atmósfera se denomina punto de ebullición normal. De acuerdo con esto, un líquido se puede hacer hervir a diferentes temperaturas manipulando la presión total sobre él, siendo de mucha utilidad en la industria, para la conservación de las características de la sustancia sometida a calentamiento, como la concentración de jugos, por ejemplo. Estos se pueden hacer hervir a temperaturas mucho menores de la del punto de ebullición normal aumentando la presión de vacío, es decir, disminuyendo la presión absoluta. Teniendo en cuenta lo anterior, ¿entiende por qué, cuando se destapa una botella llena de loción, se siente el olor en toda la habitación? Pero, los líquidos no sólo son importantes para los sistemas de producción desde el punto de vista de las materias primas, productos o subproductos. También se debe tener en cuenta el estado líquido, desde el punto de vista de los vertimientos y especí�camente, de las aguas residuales industriales o domésticas; es decir, la contaminación de las aguas. Esta agua son las que el hombre utiliza para “alejar de la vista” aquellas sustancias que no son consideradas importantes o que no tienen ningún valor en los sistemas de producción. Los líquidos que salen como vertimiento del proceso productivo, han cobrado especial interés por el grado de contaminación que pueden causar, especialmente cuando se descargan en fuentes hídricas como ríos, lagos o corrientes subterráneas. La presencia de contaminantes en dichas aguas como los metales pesados, la materia orgánica, los sólidos, las altas temperaturas, los microorganismos patógenos y sustancias químicas como los ácidos y las bases que pueden llegar a afectar el pH normal del agua, están siendo objeto de estudios rigurosos. Todo por la dependencia que de ellos tiene la vida del agua, pero, especialmente el hombre, que está comprobando como éste preciado recurso es cada día más escaso y más contaminado. El hombre debe mirar también, que va a llegar el día en que no solo debe descontaminar el agua para cumplir con las normas ambientales y poder así realizar las descargas al medio, sino que ésta, no va a ser de fácil consecución y deberá tratarse para poderla tener y usarla como materia prima o insumo. ¿Quién puede vivir en una casa donde no se tiene el servicio de acueducto? ¿Qué fábrica de alcohol, refrescos o papel, puede existir sin agua? 2.5.3. Sólidos. Es una de las denominadas fases condensadas (la otra, es el
líquido); en los sólidos, las partículas están próximas entre sí de tal forma que
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interaccionan fuertemente. Aunque sus propiedades se pueden describir, no se pueden explicar de manera adecuada mediante relaciones matemáticas sencillas. Sus características principales son: 1. Tienen forma de�nida y son resistentes a la deformación. 2. Son prácticamente incompresibles. 3. Normalmente tienen densidades más elevadas que los líquidos. 4. No son �uidos y se difunden muy lentamente a través de otros sólidos. 5. Tienen disposición ordenada de partículas que están muy próximas entre sí. 6. Las partículas sólo poseen movimiento de vibración. 7. Conservan su propio volumen. Algunos sólidos se evaporan sin pasar por el estado líquido estando a presión atmosférica; este fenómeno es conocido como sublimación. El proceso contrario, es decir, cuando un vapor se solidi�ca sin pasar por el estado líquido, se denomina deposición o sublimación inversa. Los sólidos presentan presiones de vapor al igual que los líquidos pero, tienen generalmente, valores menores; los sólidos con presiones de vapor altas subliman fácilmente lo que se aprovecha para algunos usos prácticos como el caso del naftaleno o “bolas” para la polilla y el para-diclorobenceno que se usa como ambientador. La propiedad de algunos sólidos de sublimar se puede usar para su puri�cación, con una deposición posterior sobre super�cies frías como en el caso del yodo. Una de las propiedades físicas de los sólidos es la dureza la cual se de�ne como la resistencia a ser rayado, siendo más duro el sólido que raya a otro. De acuerdo con esto, se tiene una escala de dureza del 1 al 10, en orden de menor a mayor, así: 1. Talco 6. Ortosa 2. Yeso 7. Cuarzo 3. Calcita 8. Topacio 4. Fluorita 9. Corindón 5. Apatita 10. Diamante La dureza depende de la facilidad con la cual las unidades estructurales de un sólido se puedan mover en relación de unas con otras y, por consiguiente, de la energía de las fuerzas de atracción entre las unidades. Un sólido es más duro entre más fuertes sean las fuerzas de atracción intermolecular.
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Desde el punto de vista ambiental se tiene el término “sólido” y especí�camente el término “residuos sólidos”. Residuos sólidos son todas aquellas sustancias que se generan en los procesos de producción y consumo que no alcanzan un valor económico de importancia, en el medio en que se producen. En general, cuando
se hace referencia a residuos se sobreentiende que el término se emplea para los sólidos, de la misma manera como las emisiones son de gases y los vertimientos son de líquidos. La clasi�cación de los residuos sólidos puede ser hecha atendiendo a distintos criterios. De éste modo, se pueden clasi�car de acuerdo con el sector productivo de donde provengan; también se clasi�can teniendo en cuenta la composición o incluso de acuerdo con los posibles tratamientos a que puedan ser sometidos. Los residuos sólidos urbanos son los generados por cualquier actividad, en los núcleos de poblaciones o en sus zonas de in�uencia. Claro, esto implica que son algo más que los producidos a nivel doméstico, ya que deben contemplar el conjunto de otras actividades generadoras, del ámbito urbano. Por este motivo, los residuos sólidos urbanos de�nen un amplio contexto que es necesaria una clasi�cación más o menos amplia: domiciliarios, comerciales y de servicios, sanitarios (hospitales, laboratorios clínicos, etc.), áreas de zonas verdes y recreativas, industriales, de construcción, animales muertos, institucionales. Los residuos sólidos industriales son los materiales resultantes de un proceso de fabricación, de transporte, utilización, consumo o limpieza cuyo productor o poseedor los destine al abandono4 . Sin embargo, los sólidos generados como residuos en el proceso, deben ser mirados como una oportunidad de investigación para encontrarles algún uso y poder aplicar el concepto de Producción Más Limpia. De no ser así, esos sólidos pueden convertirse en una carga para la empresa, puesto que se debe buscar la mejor alternativa para disponer de ellos y, por lo general, esa alternativa signi�ca costos para la empresa. 2.5.4. Soluciones. A nivel industrial, la materia se presenta de diferentes mane-
ras y las soluciones son una de ellas. Un jugo, la salsa de tomate o la mayonesa, la sal, el azúcar, la leche, el gas propano, la gasolina, un detergente, una pintura o el cemento, son unas pocas formas, de las muchas como se puede encontrar la materia. Una mezcla es un material que consta de dos o mas clases de materia, 4
Implicación Ambiental de la Incineración de Residuos Sólidos Urbanos, Hospitalarios e Industriales. Editorial
Fundación MAPFRE. Madrid (España) 1.994
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en la cual cada una conserva sus propiedades características. Para crear una idea más completa de su clasi�cación, se puede analizar el siguiente diagrama, a pesar de haberse dado ya, una idea preliminar: Materia Materiales homogéneos
Sustancias puras
Compuestos
Materiales heterogéneos
Soluciones Mezclas
Elementos Figura 2.8. Segunda clasi�cación de la materia
Las soluciones son mezclas homogéneas de sustancias en las que no tiene lugar la deposición. Un material que tiene propiedades similares en todas sus partes es homogéneo; si el material no tiene propiedades similares en todas sus partes, es heterogéneo. A los componentes de una solución se le aplican los términos de soluto y solvente. Generalmente, se aplica el concepto de soluto a la sustancia que se encuentra en menor cantidad y solvente a la que se encuentra en mayor cantidad. Sin embargo, esta a�rmación no siempre es cierta, ya que se presentan casos como los del alcohol, o ciertos ácidos usados en la industria en los que no puede hacerse una verdadera distinción entre estos términos y cualesquiera de los componentes, puede ser el soluto o puede ser el solvente. Una solución puede estar compuesta de un solvente y de uno o más solutos, cuya composición puede variar de una solución a otra: una solución de alcohol en agua al 20% en peso y otra, al 30%. El solvente más utilizado a nivel mundial es el agua, por sus propiedades químicas y físicas que la hacen el solvente ideal; no solamente por lo anterior, sino por sus costos y la facilidad para su consecución. Las soluciones incluyen muchas combinaciones diferentes en las que un sólido, un líquido o
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
un gas actúan como disolvente o como soluto. Normalmente, el solvente es un líquido como en el caso de la orina, la leche, el jugo de naranja o el agua de mar. Algunas soluciones desprenden calor en la medida que el soluto se va disolviendo, mientras que en otras, ocurre todo lo contrario; las primeras, son de carácter exotérmico y las segundas, de carácter endotérmico. La preparación de soluciones exotérmicas, como la del ácido sulfúrico en agua, requiere un especial cuidado por la gran cantidad de calor que se libera al adicionar agua al ácido concentrado, ocasionando salpicaduras peligrosas. Es aconsejable preparar la solución, agregando el ácido concentrado sobre el agua, ya que el calor liberado puede ser absorbido con menor incremento de la temperatura, debido al calor especí�co del agua. Es más práctico adicionar el dióxido de carbono o carbonatar las gaseosas cuando el solvente está frío. Cuando el soluto se disuelve mediante procesos endotérmicos, sus solubilidades en agua aumentan normalmente cuando se añade calor y la temperatura aumenta. Cuando el proceso de disolución es exotérmico, las solubilidades disminuyen al aumentar la temperatura. Un caso especial de solución líquido-gas es la del oxígeno disuelto en agua, para mantener la vida aerobia como la de los peces; la concentración es función de la temperatura y de la presión. El grado de contaminación de un agua puede ser indicado por el consumo de oxígeno disuelto en el agua; éste es requerido por los microorganismos que van degradando la materia orgánica presente en el agua: este término es conocido como DBO o como Demanda Biológica de Oxígeno. La contaminación térmica causada en ríos o mares por vertimientos de aguas residuales a temperaturas por encima de la temperatura de la fuente receptora causa el fenómeno conocido como contaminación térmica la cual disminuye la solubilidad del oxígeno; además, el poco que puede disolverse se consume rápidamente al acelerar las reacciones de degradación de la materia orgánica presente en el agua. Muchos experimentos han demostrado que una solución líquida, que contiene como soluto un sólido o un líquido no volátil, tiene siempre una presión de vapor menor que el solvente puro, es decir, que esta solución debe ser calentada a una temperatura más alta que el disolvente puro, para hacer que su presión de vapor iguale a la presión absoluta sobre ella. Variar la presión no tiene un efecto apreciable sobre las solubilidades tanto de sólidos como de líquidos en líquidos. Sin embargo, la solubilidad de los gases
Fernando Méndez Delgado
91
en todos los solventes aumenta al aumentar la presión parcial del gas, como se ilustra en el siguiente grá�co: Gas
Líquido Figura 2.9. Solubilidad de un gas en un liquido
Resumiendo se puede decir que una solución que contiene como soluto un sólido o un líquido no volátil tiene una presión de vapor menor y un punto de ebullición mayor que el solvente puro. La presión de vapor del agua es mayor que la presión de vapor de una solución de agua con sal y por consiguiente, el punto de ebullición del agua con sal es mayor que el punto de ebullición del agua. Por consiguiente a mayor presión de vapor, menor punto de ebullición y viceversa. Igualmente las soluciones disminuyen el punto de congelación comparado con el punto de congelación del solvente puro, lo cual explica que el agua de mar no se congela ciertos días, en los que sí lo hace el agua dulce. Esto, es causado por la presencia de solutos en concentraciones mucho más altas en el agua de mar que en el agua dulce. Igualmente, esto también explica porqué se le adiciona etilenglicol al agua de los radiadores de los automóviles, en época de invierno. Una solución es una mezcla homogénea en la que no tiene lugar la sedimentación y en la cual, las partículas de soluto están en el estado molecular o iónico; esto representa un extremo de las mezclas. El otro extremo es la suspensión, una mezcla claramente heterogénea, en la que las partículas con apariencia de soluto se depositan después de mezclarse con una fase con apariencia de solvente (tal situación resulta cuando arena se agita en agua). Los coloides representan un tipo intermedio de mezcla, en la que las partículas con apariencia de soluto, o fase dispersa, se suspenden en la fase con apariencia de solvente, o medio dispersante. Las partículas de la fase dispersa son tan pequeñas que la sedimentación es despreciable; sin embargo, son lo bastante grandes para hacer que la mezcla aparezca turbia, ya que la luz se dispersa a medida que pasa a través del coloide.
92
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
El que una mezcla determinada forme una solución, una dispersión coloidal o una suspensión depende del tamaño de las partículas de soluto. La siguiente información muestra los tipos de coloides que se pueden formar: Fase dispersa
Medio dispersante
Nombre
Ejemplo
Sólido
Sólido
Sol sólido
Aleaciones
Líquido
Sólido
Emulsión sólida
Mantequilla
Gas
Sólido
Espuma sólida
Caucho
Sólido
Líquido
Sólido y Gel
Pinturas
Líquido
Líquido
Emulsión
Crema facial
Gas
Líquido
Espuma
Crema de afeitar
Sólido
Gas
Aerosol sólido
Humo
Líquido
Gas
Aerosol líquido
Niebla
Los tamaños aproximados de las partículas dispersas se pueden estimar así: Mezcla
Ejemplo
Suspensión
Arena en agua
Coloides
Almidón en agua
Solución
Azúcar en agua
Tamaño aproximado Mayor de 10.000 A 0 10 - 10.000 A 0 1
-
10 A 0
Cuando una solución contiene una cantidad de soluto relativamente pequeña, se dice que la solución está diluida. Cuando se presenta el caso contrario, se dice que la solución está concentrada. Una solución que puede disolver más soluto en las condiciones existentes de presión y temperatura, no está saturada:si a una determinada cantidad de agua se le agrega una pequeña cantidad de azúcar, ésta se disolverá; si se agrega más azúcar, llegará un momento en el que ésta, no se puede disolver más (la velocidad con que el azúcar pasa del sólido al líquido es igual a la velocidad con que el azúcar pasa del líquido al sólido, estableciendo un equilibrio dinámico entre el soluto disuelto y el soluto sólido) y entonces, se dice que la solución está saturada. Una solución está sobresaturada cuando tiene más soluto que el necesario para el equilibrio, en las condiciones existentes (recordar que la solubilidad cambia con la temperatura, por ejemplo). Los términos diluido y concentrado son cualitativos; en la industria se deben usar términos cuantitativos para expresar la cantidad de soluto presente en una solución. La cantidad de alcohol que tiene una botella de vino o una botella de cerveza, la composición de un multivitamínico, aparecen expresadas en la
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93
etiqueta en porcentaje en peso, en porcentaje en volumen o en relación peso a volumen. Es decir, se debe dar a conocer la cantidad de sustancia de interés presente en el producto. Así como a nivel del laboratorio o de la industria se habla de soluciones que contienen una determinada concentración de soluto, a nivel de contaminación ambiental existen soluciones de mucho interés, como el aire y las aguas residuales. En la industria existen soluciones de soda cáustica donde el NaOH está disuelto en agua a diferentes concentraciones (50% en peso, por ejemplo). De igual manera, hablar de aguas residuales es hablar de soluciones, donde el solvente tiene también determinada concentración, pero, a diferencia de las soluciones anteriores, el objetivo en éstas, es mirar el soluto como un verdadero problema: metales pesados o materia orgánica, por ejemplo. Se puede hablar de aguas residuales donde la concentración de sólidos suspendidos es de 80 mg/L, o la concentración de metales pesados es de 0,2 mg/L. Pero, como se mencionó en apartes anteriores, con investigación y desarrollo de parte de la industria o de las universidades, esos problemas pueden llegar a ser verdaderas oportunidades para obtener tecnología de punta en la Industria de la Descontaminación, por ejemplo. La concentración de una solución se puede expresar de varias formas. Algunas de ellas son: Fracción masa (Fm): Masa del componente a (ma) dividida por la masa total del sistema (mt). Fm =
ma
( 2. 37)
mt
Porcentaje másico (% m): Es la fracción masa multiplicada por 100. Porcentaje másico =
ma mt
x 100
( 2. 38)
Fracción volumétrica (Fv): Volumen del componente a (va) dividido por
el volumen total (vt): Fv =
va vt
( 2. 39)
Porcentaje volumétrico (% V): Es la fracción volumétrica multiplicada
por 100:
94
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Porcentaje volumétric o = Fv x 100
( 2. 40 )
Fracción molar (X): Número de moles del componente a (Na) sobre el
número de moles totales (Nt): Fracción molar =
X
=
Na Nt
( 2. 41)
Porcentaje molar (% M): Es la fracción molar multiplicada por 100. Porcentaje molar = 100 X
( 2. 42)
Tanto la masa como el volumen, pueden ser expresados en diversas unidades; por lo tanto, se tiene la posibilidad de muchas combinaciones: partes por millón (ppm), molalidad (m), molaridad (M) y normalidad (N). Partes por millón (ppm): Se de�ne como el número de miligramos de soluto por kilogramo de solución. Es muy usada en soluciones diluidas sobre todo en aguas residuales industriales y domésticas o en contaminación atmosférica, donde el soluto es la materia contaminante. Como el solvente generalmente es el agua y la solución está diluida, se asume que la densidad del agua es de un kilogramo por litro y la concentración en ppm, se toma como miligramos de soluto por litro de solución, puesto que 1 kilogramo es igual a 1 litro. El concepto de partes por millón es claro cuando se analiza como miligramos por kilogramo (un kilogramo tiene un millón de miligramos). Si la solución es muy diluida se puede usar partes por billón. Partes por millón =
mili gra mos de soluto Litro de solución
( 2. 43)
Molalidad (m): Se de�ne como el número de mol-gramo de soluto por
kilogramo de solvente: Molalidad =
mol - gra mo de soluto kilogramo de solvente
( 2. 44)
Molaridad (M): Se de�ne como el número de mol-gramo de soluto por
litro de solución:
Fernando Méndez Delgado
95
Molaridad =
mol - gramo de soluto Litro de solución
( 2. 45)
El producto de la molaridad con el volumen da los mol-gramo de soluto: Mol - gra mos de soluto = Volumen de solución x Molaridad
( 2. 46)
Entonces, cuando se realiza la disolución de una solución inicialmente conocida, es claro, que lo que se hace es agregar solvente (agua) y no soluto, por lo que el número de moles-gramo de soluto permanece constante, es decir, la masa de soluto es la misma en el estado inicial y en el estado �nal. Por lo tanto se puede concluir que: Molaridad inicial x Volumen inicial = Molaridad �nal x Volumen �nal M 1 x V1
=
M 2 x V2
( 2. 47)
Normalidad (N): Es el número de equilivalentes-gramo de soluto por litro
de solución: Normalidad
=
Equivalent es - gramo de soluto Litro de solución
( 2. 48)
El equivalente-gramo de un ácido se de�ne de una forma sencilla. Un equivalente-gramo de un ácido es el peso molecular del ácido, en gramos, dividido entre el número de hidrógenos reemplazables. Para el ácido clorhídrico, HCl, un equivalente-gramo pesa 36,46 gramos, ya que el peso molecular del ácido es 36,46 y tiene sólo un hidrógeno. Para el ácido sulfúrico un equivalente-gramo pesa 49,04 gramos. Realice, usted, el cálculo para el ácido nítrico. Un equivalente gramo de una base es el peso molecular de la base, en gramos, dividido entre el número de iones OH- que tenga. Para el hidróxido de sodio, NaOH, un peso equivalente pesa 40 gramos ya que el peso molecular de la base es 40 y tiene un ión OH-; si es el hidróxido de calcio, Ca(OH)2, ¿cuánto pesa un equivalentegramo? ¿Se puede aplicar para la normalidad el mismo concepto aplicado a la molaridad? El lector también puede de�nir el equivalente-gramo para una sal. De las de�niciones de equivalente de un ácido y equivalente de una base se deduce que un equivalente de un ácido reacciona con un equivalente de una base, por lo tanto: Equivalente-gramo de ácido = Equivalente-gramo de base
96
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
N acido x Vacido = N base x Vbase
( 2. 49)
Las soluciones acuosas son importantes dado el papel que juega el agua en la naturaleza y con cualquier forma de vida. La tierra es considerada el planeta azul por la cantidad de agua que cubre su super�cie: gran cantidad de reacciones ocurren en solución acuosa, el cuerpo humano es casi todo agua y está formado por una gran cantidad de soluciones (sangre, orina, saliva, etc.), los �uidos animales y vegetales son en su mayoría agua. De esas sustancias que se pueden solubilizar en agua unos son electrolitos y otros son no electrolitos. Los electrolitos son compuestos que se ionizan (disocian en sus iones constituyentes) y forman soluciones acuosas que conducen la corriente eléctrica. Los no electrólitos existen en forma de moléculas en solución acuosa (no se disocian en iones) y las soluciones que forman no conducen la corriente eléctrica. Los electrolitos pueden ser fuertes si disocian en un cien por ciento o cerca del cien por ciento, o débiles si tienen una disociación parcial. Los electrolitos fuertes incluyen ácidos fuertes, bases fuertes y la mayoría de las sales solubles. Los principales ácidos fuertes son: ácido clorhídrico (HCl), ácido bromhídrico (HBr), ácido yohídrico (HI), ácido sulfúrico (H2SO4), entre otros. Las principales bases fuertes solubles son: hidróxido de litio (LiOH), hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), hidróxido de calcio (Ca(OH)2), hidróxido de bario (Ba(OH)2). Las concentraciones de los iones en disoluciones acuosas de electrolitos fuertes se puede calcular directamente a partir de la molaridad del electrolito fuerte. Si se tiene una solución diluida de ácido clorhídrico en agua y la concentración del ácido en dicha solución es 0,03M, entonces la concentración del ión H+ es 0,03 y la concentración del ion Cl- es 0.03. Si la solución diluida es de H2SO4 y la concentración de la solución es 0,01M, entonces la concentración del ion H+ y del SO4-2 son 0,02 y 0,01 respectivamente. El mismo criterio se puede aplicar para bases. En términos generales se puede decir que éste es el fundamento de la teoría del concepto de pH. Las ecuaciones siguientes muestran de una manera didáctica este criterio: HCl H+ + Cl 0,03M 0,03M 0,03M H2SO4 0,01M
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2H+ + 0,02M
SO4-2 0,01M
97
Para bases puede ser: NaOH OH+ 0,03M 0,03M
Na+ 0,03M
Ca(OH)2 0,03M
Ca+2 0,03M
2OH- + 0,06M
Mediante la aplicación del concepto de pH se puede obtener el valor de la concentración de H+ y/o de OH-. Con estos valores se puede calcular la concentración del ácido o de la base, para el caso que nos ocupa. Es importante con estos ejemplos, que el lector entienda que el pH no es un simple número que indica si la sustancia es de carácter ácida o básica, sino que es un número que permite realizar el cálculo de la concentración, o al contrario, con la concentración calcular el pH; naturalmente, conociendo el porcentaje de disociación. 2.5.5. pH. En soluciones acuosas dos iones tienen funciones dominantes: el
ión hidrógeno (H+) y el ión hidróxido (OH-), los cuales están disponibles en cualquier solución acuosa como consecuencia de la autoionización del agua: una reacción del agua con ella misma. Aunque el agua pura se considera un no electrolito (no conduce la energía eléctrica), las mediciones precisas muestran una conducción muy pequeña como consecuencia de la autoionización, es decir, como consecuencia de la reacción de dos moléculas iguales. Para el agua se tiene entonces que: H O+ + OHH2O(l) + H2O(l) 3 (ac.) (ac.)
Una ecuación equivalente es: H+ + OHH2O
La constante de equilibrio de la reacción se determina entonces como la relación de la concentración de los productos y la concentración de los reactivos. Para este caso entonces será: Kc =
+ [ H 3 O ] [ OH ]
[ H 2 O]
Kc [ H 2 O ] =
98
( 2. 50)
Kw
=
+ [ H 3 O ] [ OH ]
( 2. 51)
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
K w es la constante del producto iónico del agua la cual depende de la temperatura así: Temperatura (0C)
0
25
45
60
Kw
1,13x10-15
1,00x10-14
4,02x10-14
9,61x10-14
Debido a que con frecuencia se escribe H+ en lugar de H3O+ la constante a 25 0C queda entonces: Kw
= 1,00 x 10 -14
=
[ H+ ] [ OH - ]
( 2. 52)
Sacando logaritmo a ambos lados de la ecuación se tiene: -14 = Log [ H+ ] + Log [ OH- ] y 14 = -Log [ H + ] - Log [ OH-]
Por de�nición se tiene que: -
pH = - log [ H + ]
pOH = - log [ OH ]
( 2. 53)
Luego, se concluye que: pH + pOH = 14
-
[ H + ] = [ OH ] = 1 x 10
-14
( 2. 54)
Para soluciones ácidas se tiene como condición general que la concentración de iones H+ es mayor que la concentración de iones OH- y, a 25 0C, la concentración de los iones H+ es mayor que 1x10-7. Además, la concentración de iones OH- es menor que 1x10-7. Ahora bien, para soluciones básicas, la condición general es que la concentración de iones H+ es menor que la concentración de iones OH- y a 25 0C la concentración de los iones H+ es menor que 1x10-7. Adicional, la concentración de iones OH- es mayor que 1x10-7. Para soluciones neutras, se precisa como condición general que la concentración de iones H+ es igual a la concentración de iones OH- y a 25 0C, la concentración de los iones H+. es igual a 1x10-7. A su vez, la concentración de iones OH- es igual a 1x10-7. El pH es un parámetro que se tiene en cuenta en las normas de vertimiento de aguas residuales a un cuerpo de agua o a un alcantarillado. Según la normativa ambiental para vertimientos, en el sistema de nuestro país se estipula que: “Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir con que el pH de la descarga deberá estar entre 5 y 9 unidades”. Así mismo, desde el punto de
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99
vista de la contaminación térmica se tiene en cuenta que: “Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá tener una temperatura menor o igual a 40°C”. Conocido el pH de un agua residual, se pueden realizar los cálculos necesarios para determinar la cantidad de ácido o base que se necesita, para llevar dicha agua residual al pH que se requiera. El pH requerido puede ser desde el punto de vista de cumplimiento de las normas, desde el punto de vista de parámetros de diseño de condiciones de operación.
Ejercicios resueltos 1. Calcular cuántos centímetros y cuántos metros hay en 800 pies. 800 pies
30 , 48 cm 1 pies
= 24 .384 cm 800 pies
30 , 48 cm 1m 1 pies
100 cm
= 243 ,84 m
2. Convertir 30 m/s a km/h. 30
m
1 km
3.600 s
s
1.000 m
1h
= 108
km h
3. Convertir 25 Newton a lb.pie/h2. 25
2 kg m (3.600 s) 1.000 g 2
s
h
2
1 kg
1 lb
100 cm
1 pie
453,5 g
1m
30,48 cm
9
= 2,34 x 10
lb pie h
2
4. Calcular en 0R, 0C y K la temperatura de un aceite si, en 0F su temperatura tiene un valor de 80. 0 R = 0F + 460 = 80 + 460 = 540 0R 0 C = 5(0F–32)/9 = 5(80-32)/9 = 26,67 0C K = 0C + 273 = 26,67 + 273 = 299,67 K 5. Convertir una presión de 0,2 atmósferas manométricas a presión absoluta en mm de Hg, si la presión atmosférica es de 1,01325x105 pascales. Pr esión absoluta = 0,2 atm
760 mm Hg 1 atm
+ 760 mm Hg = 912 mm Hg
6. Calcular la densidad y el volumen especí�co de15 toneladas de un líquido almacenado en un tanque cilíndrico de 3 m de altura y 2,5 m
100
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
diámetro. El volumen del tanque se calcula como V= r2h. El radio es 1,25 m y la altura 3 m, por lo tanto, el volumen será 14,73m3 (14.730 L). Entonces: D =
15.000 kg 14.730 L
= 1,018
kg
Ve =
L
14.730 L 15.000 kg
= 0,982
L kg
7. En una industria, se derraman 700 galones de ácido sulfúrico de 50 0 Be. La densidad del agua a 15 0C es de 1,0 kg/L. Calcular la densidad del ácido a 15 0C y la masa, en toneladas, del ácido que se derramó. 0
Be = 145 -
Ge
15 0C 15 0C
=
15 0C 145 145 Ge = = = 1,53 0 0 145 50 15 C 145 - Be
145 15 0C Ge 15 0C Da = 1,53 kg 1 L
m = 700 gal
3,785 L 1 gal
Da = 1,53
1,53
kg
1 ton
L 1.000 kg
kg L
= 4,05 ton
8. Calcular el reactivo límite de la siguiente reacción, si se mezclan 20 ton de ácido sulfúrico con 15 ton de soda cáustica. H2SO4 + 98 ton
2 Na OH
80 ton
Na2SO4
+ 2 H2O 142 ton
36 ton
98ton H2SO4......... 80 ton NaOH 20 ton H2SO4......... X X= 16,33 ton de Na OH. 98 ton H2SO4......... 80 ton Na OH X.................. 15 ton Na OH X = 18,38 ton de H 2SO4. El reactivo límite es el NaOH ya que se consume todo, mientras que de H2SO4 se consumen solo 18,38 ton, y quedan sin reaccionar 1,62 ton. El reactivo límite no puede ser el H2SO4 ya que para que se consuma todo el ácido (20 ton) se requieren 16,38 ton de NaOH y solo se tienen 15 ton. 9. El ácido clorhídrico y el óxido de manganeso reaccionan para formar cloruro de manganeso como producto principal y cloro como subpro-
Fernando Méndez Delgado
101
ducto. Si se usan 10 ton de ácido clorhídrico y 6,5 ton de óxido de manganeso se pregunta: a) Reactivo límite: 4 HCl 145,8
+
MnO2 86,94
2 H2 O 36
145,8 ton HCl........... 86,94 ton MnO 2 10 ton HCl ............ X 145,8 ton HCl........... 86,94 ton MnO 2 X ........... 6,5 ton MnO 2
+
MnCl2 125,84
+
Cl2 70,9
X= 5,96 ton MnO 2 X = 10,9 ton HCl
El reactivo límite es el ácido clorhídrico puesto que se consumen las 10 ton de HCl y, además, se consumen 5,96 ton de MnO2 y sobran 0,54 ton de MnO2. b) El rendimiento de MnCl2, si realmente se obtienen 8 ton de MnCl2: Re nd . =
8 ton MnCl 2 8,63 ton MnCl 2
x 100 = 92,70 %
La diferencia de producto (8,63 – 8,0) no se recupera del proceso, a pesar de que teóricamente se produce; son pérdidas o mermas que pueden ser causadas por regueros, por muestras llevadas al laboratorio para análisis, o sustancia que no se produce realmente, por manejo de condiciones de operación, o que simplemente, no entró la materia prima que se dice que entró. Igual puede ser la suma de varias de éstas posibles causas. c) Indice de productividad (Ip) del Cl2 respecto al HCl. Ip =
4,86 ton Cl 2 10 ton HCl
= 0,486
ton Cl 2 ton HCl
d) Concentración teórica de MnCl2 al �nal de la reacción: La masa total �nal es la suma del MnCl 2 (8,63 ton), Cl2 (4,86ton), H2O (2,47 ton) y el reactivo en exceso MnO2 (0,54 ton), es decir, 16,5 ton. Por lo tanto, la concentración de MnCl2 es:
102
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Conc. =
8,63 ton MnCl 2 16,5 ton
x 100 = 52,30 %
10. Calcular el volumen ocupado por 500 gramos de oxígeno (O2) a 28 0C de temperatura y 0,5 atmósferas de presión manométrica. La presión atmosférica es de 720 mm de Hg. Suponer comportamiento ideal. P. absoluta = 0,5 atm + (720 mm Hg / 760 mm Hg) atm = 1,45 atm. Mol-g de O2 = (500 g/(32 g/mol-g)) = 15,63 mol-g de O 2. Temperatura absoluta = 28+273 = 301 K. PV = nRT V= nRT/P 15,63 mol - g V =
0,082 L atm mol - g K
301 K = 266,05 L
1,45 atm
11. Calcular el volumen ocupado por el oxígeno del problema anterior. Suponer un comportamiento real, donde la temperatura crítica del oxígeno es 154,8 K y la presión crítica es de 50,1 atm. PV = z n R T El volumen real es V = znRT/P. El volumen ideal es V= nRT/P. Por lo tanto, se tiene que: Vreal = z Videal. El valor de z se calcula partiendo de las condiciones reducidas: PR = P/Pc y TR = T/Tc PR = 1,45 atm/50,1 atm = 0,019 y TR= 301 K /154,8 K = 1,94 Del Apéndice (Grá�ca 2) se encuentra que z = 0,99 Vreal = 0,99 x 266,05 L = 263,39 L 12. El agua residual de una industria tiene la siguiente composición en peso: H2O = 70% KCl CaSO4 = 5,3% CaCO3 a. Calcular la fracción másica.
Fernando Méndez Delgado
= =
5% 3%
NaCl = KNO3 =
8% 8,7%
103
H2O = CaSO4 =
0,7 0,053
KCl CaCO3
= =
0,05 NaCl = 0,03 KNO3 =
0,08 0,087
b. Calcular la fracción molar (tomar cien unidades de masa como base de cálculo). El peso molecular del agua y de cada una de las sustancias que están formando parte del agua contaminada es: H2O = 18 KCl = 74,56 NaCl = 58,46 CaCO3 = 100,09 KNO3 = 101,10.
CaSO4 = 136,08
El número de moles de cada componente es: H2O = 70/ 18 = 3,89 KCl = 5/74,56 = 0,067 NaCl = 8/58,46= 0,14 CaSO4= 5,3/136,08= 0,039 CaCO3 = 3/100,09= 0,03 KNO3= 8,7/101,10= 0,086 Total = 4,25 moles. La fracción molar de cada componente será: H2O KCl NaCl CaSO4 CaCO3 KNO3
= = = = = =
3,89 / 4,25 0,067 / 4,25 0,14 / 4,25 0,039 / 4,25 0,03 / 4,25 0,086 / 4,25
= = = = = =
0,915 0,016 0,033 0,009 0,007 0,020
c. Calcular el porcentaje molar. H2O KCl NaCl CaSO4 CaCO3 KNO3
= = = = = =
0,915x100 0,016x100 0,033x100 0,009x100 0,007x100 0,020x100
= = = = = =
91,5% 1,6% 3,3% 0,9% 0,7% 2,0%
En el punto b, donde se toman cien unidades de masa, no se especi�ca que unidades tienen las cien unidades de masa. Puede tomarse cualquier unidad de masa (ton, kg, lb, etc.). El resultado �nal es el mismo con cualquier unidad de masa, como también si se toma una base
104
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
diferente a cien. El estudiante puede comprobarlo al realizar el cálculo con 40 unidades de masa. 13. El agua residual de una industria tiene un caudal de 20.000 litros diarios. Calcular el pH del agua si se determina que diariamente se arrojan 50 kilogramos de ácido clorhídrico (HCl) que se disocian completamente. Mol - gra mo =
50.000 g g 36,46 mol - g
= 1.371,37 mol - g
Molaridad del ácido = 1371,37 mol-g/20.000 litros = 0,069 M Concentración del ácido = Concentración de H+ = 0,069 M pH = - log [H+] = - log (0,069) = 1,16. 14. El agua residual de una industria tiene un pH de 3,8 y un caudal de 2 litros por segundo. Calcular la cantidad de ácido sulfúrico que se bota en el agua residual si se supone que el agua está inicialmente a un pH de 7,0 y el ácido presenta una disociación del 100%. pH = - log [H+] pH = 3,8 = - log [H+] [H+] = 1,58x10-4 M H2SO4 0,79x10-4
2H+ 1,58x10-4
+
SO4-2 0,79x10-4
0,79x10-4 mol-g de H2SO4 /L de agua residual. 0,79 x 10
-4
mol - g H 2 SO4 L
2L
98 g
s
1 mol - g de H 2 SO 4
= 0,015
g H 2 SO4 s
15. Calcular la cantidad diaria que se genera de cada uno de los componentes de los residuos sólidos de una ciudad, si se producen al día 320 ton y su caracterización arrojó la siguiente composición en peso: vidrio 15%, papel 25%, metales 8%, plástico 12% y materia orgánica 40%. Vidrio = 320x0,15 = 48 ton. Metal = 320x0,08 = 25,6 ton
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Papel = 320x0,25 = 80 ton Plástico = 320x0,12 = 38,4 ton
105
Materia orgánica = 320 x 0,4 = 128 ton 16. El consumo mensual de energía de una empresa de confecciones es de 900 kw-hr. Calcular el consumo energético en unidades de BTU/s, calorías/s y julios/s. 1 julio 900 kw - hr
x
mes 1250 julio s 298,76 cal s
x
x
1 mes 30 dias
x
1 día 24 hr
1 cal 4,184 julios 1 BTU 252 cal
x
1000 w 1 kw
x
s 1w
= 1250 julio /s
= 298,76 cal /s
= 1,19 BTU / s
Ejercicios propuestos 1. ¿Qué diferencia existe entre los sistemas de medida c.g.s, M.K.S y el inglés? 2. 2Hay ciertos factores de conversión que el ingeniero debe memorizar; éstos se denominan mínimos necesarios. Por ejemplo la equivalencia entre kilómetros y metros, metros cúbicos y litros, toneladas y kilogramos, litros y centímetros cúbicos, atmósferas y milímetros de mercurio, hectáreas y metros cuadrados, horas y segundos. ¿Cuál es la equivalencia? 3. Nombrar cinco unidades de longitud, seis de masa, siete de tiempo, cinco de volumen y diez de área. 4. ¿Cuál es la diferencia entre longitud, área y volumen? 5. Convertir 30 cm a: km, mm, yardas, pulgadas, pies y Gm. 6. Convertir 250 L a: m3, mL, cL, pies cúbicos, dL y dm3. 7. Convertir 200 kg a: Ton, lb, g, mg y onzas. 8. ¿Cuales son las unidades básicas y las derivadas del sistema internacional (SI)? 9. Convertir 70 Newton a: g. pie/h2. 10. 1Convertir 80 pascales a: mm de Hg, atmósferas y lb-f/pulg.2. 11. ¿A cuantos julios equivalen 500 mg.cm2/h2? 12. ¿Cuál es la diferencia que existe entre energía y potencia?
106
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
13. ¿Cómo se interpreta el dato de consumo energético que llega cada mes a la casa, si las unidades vienen dadas en kw-h? ¿Se puede encontrar una conversión a julio/s? 14. Convertir 300 julios a calorías y a BTU. 15. Cuando se compra un bombillo, ¿en qué unidades viene dado el consumo energético? ¿Qué equipos de la casa consumen energía? ¿En qué otras unidades se puede expresar el consumo energético? ¿Cuál es el consumo promedio de energía en su casa, en su empresa o universidad? 16. ¿En qué unidades se expresa el consumo de agua en su casa? ¿Cuánto cuesta la unidad de consumo de agua de su casa? ¿Cuál es el consumo promedio de agua en su casa, en su empresa y universidad? 17. Ordenar de mayor a menor: 2 m3, 5 ML, 2.000 mL. ¿Cuál unidad es mayor: un litro o un metro cúbico? (tome un punto de referencia que le permita comparar). 18. ¿Qué diferencia existe entre temperatura y calor? ¿Qué escalas de temperatura se conocen como absolutas y por qué? 19. El fenómeno denominado “efecto de invernadero”, ¿tiene que ver con el aumento de temperatura, de calor o de los dos?. Explicar la respuesta. 20. Encontrar la ecuación que permite relacionar las escalas de temperatura U y T, si los puntos de ebullición del agua son 65 en la escala U y 90 en la escala T. Además, los puntos de fusión del hielo son 2 en la escala U y 7 en la escala T. 21. ¿Se puede a�rmar que un gradiente de grados centígrados es igual a un gradiente de kelvin? ¿Un gradiente de grados Rankine es igual a un gradiente de grados Fahrenheit? Demostrar la respuesta. 22. Convertir las siguientes unidades: 1,5 BTU/lb.0F a cal/g.oC y a julio/kg.K. Las unidades de temperatura en las relaciones anteriores expresan gradientes (). 23. Convertir 200 BTU/h. pie2. oF a kcal/min. m2. oR. 24. La temperatura de ebullición de un �uido depende directamente de la presión absoluta sobre él. Se tiene agua en dos situaciones: la primera, tiene una presión manométrica de 30.000 pascales y una presión atmosférica de 0,9 kgf/cm2 y la segunda, tiene una presión de vacío de 0,3 atmósferas y una presión atmosférica de 750 mm de Hg. ¿En cuál de las dos situaciones se tiene mayor temperatura de ebullición?
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107
25. Con base en el problema anterior se puede concluir que el punto de ebullición de un �uido no es único. ¿Esto es cierto o falso? 26. ¿Cuanto aceite se puede almacenar en un tanque esférico de diámetro interior 3 m si se usa toda su capacidad? Expresar la respuesta en galones y en litros. Si la densidad del aceite es 0,80 kg/L, ¿cuántas toneladas se pueden almacenar a máxima capacidad? 27. Si en el tanque del problema anterior se almacena agua en lugar de aceite ¿se puede a�rmar que los litros de agua almacenados son los mismos que de aceite? ¿y las toneladas? Explicar la respuesta. 28. Una industria de productos químicos paga los �etes de acuerdo al peso de material transportado. En el mes transportan 200.000 litros de H2SO4 de 48 oBe cuya densidad a 15 oC es mayor que la del agua y 300.000 litros de glicerina de 35 oBe cuya densidad a 15 oC es menor que la del agua. Si la tonelada de ácido se paga 30% más costosa que la tonelada de aceite, ¿cuál �ete es más costoso? 29. En los informes de prensa se lee que los atentados a los oleoductos producen derrames anuales de 200.000 galones de petróleo crudo de 46 0API. ¿A cuántos kilogramos y galones anuales de petróleo equivalen estos derrames? 30. Uno de los gases que está contribuyendo en gran medida con el fenómeno conocido como “efecto de invernadero” es el dióxido de carbono (CO2). Este gas se produce en la naturaleza por oxidación de materia orgánica carbonácea y es consumido por las plantas que realizan fotosíntesis, conservando el equilibrio atmosférico. Sin embargo, el hombre lo produce de manera exagerada cuando quema combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) y biocombustibles, para suministrar la energía necesaria a su hogar y a la industria. A su vez, el hombre está talando las plantas que consumen el CO2 , generando el desequilibrio y el calentamiento del planeta de una manera acelerada. Teniendo en cuenta lo anterior, calcular la cantidad de CO2 producido, la cantidad de Oxígeno consumido y la cantidad de agua producida por una industria que usa mensualmente 5.000 kilogramos de gas propano de acuerdo con la siguiente reacción: C3H8 + O2 CO2 + H2O
108
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
31. Las plantas requieren fertilizantes que se producen a partir del nitrógeno presente en el aire. Esto ocurre mediante la �jación realizada por bacterias que se encuentran en la raíz de ciertas plantas como el frijol mungo. Este proceso es lento, comparado con la velocidad de producción que el hombre requiere para obtener estos fertilizantes. A nivel industrial, el proceso Haber obtiene los fertilizantes nitrogenados a partir del amoníaco (NH3), que se produce de acuerdo con las siguientes reacciones: CH4 + H2 +
H2O CO2 + H2 NH3 N2
Si en un reactor se colocan 5 toneladas de metano (CH4) y 13 toneladas de agua (H2O), se pregunta: a. ¿Cuántos mol-g, mol-lb y mol-ton hay de CH4 y de H2O? b. ¿Cuál es el reactivo límite y cuál el reactivo en exceso? c. Si el grado de conversión es del 90%, ¿cuánto reactivo límite reacciona? d. Con el grado de conversión del 90%, ¿cuánto amoníaco se produce? e. Si todos los reactivos y productos están en estado gaseoso, ¿cuál es la composición de la mezcla al �nal de las reacciones con la conversión del 90%? Expresar la respuesta en porcentaje en peso. e. Calcular las toneladas de amoníaco obtenido por cada tonelada de CH4 que entra a reaccionar. 32. El agua residual de una industria tiene un caudal de 5 litros por minuto y una concentración de NaOH 0,8N. ¿Cuánto volumen de HCl de concentración 0,3N se requiere por día para neutralizar el agua residual? 33. ¿Qué diferencia existe entre un gas real y uno ideal? ¿Cuál ecuación muestra el comportamiento de cada uno de ellos? ¿Cómo se de�ne el factor de compresibilidad? ¿Qué unidades tiene z? ¿Cómo se interpreta un valor de z diferente de uno? 34. Si se considera que un valor aproximado de la composición en volumen del aire es la siguiente: O2=19%, N2=80%, CO2=0,5%, He=0,2% y Ar=0,3%, calcular la composición en porcentaje en peso y en porcentaje molar. 35. El agua residual de una industria licorera tiene un pH de 3,0 y un caudal de 2,8 litros por segundo. Si este pH se atribuye al ácido sulfúrico y se
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109
supone que éste se disocia en un 90%, ¿cuánto ácido sulfúrico se bota diariamente con las aguas residuales de la industria licorera? 36. La lluvia ácida en ciertas partes del planeta ha alcanzado valores de pH de hasta 4,5. Cuál es la concentración de esa agua si se supone que el contaminante es: a. Acido clorhídrico (disocia 100%) b. Acido sulfúrico (disocia 90%) c. Acido fosfórico (disocia 60%)
Bibliografía BELTRAN Jaramillo, Jesús Mauricio. Indicadores de Gestión. Editorial 3R, Bogotá (Colombia). 1.998 CLAUSEN, Chris A.Fundamentos de Química Industrial Editorial Limusa, Ciudad de México (México). 1.982 EBBING, Darrel D. Química General Editorial Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.996 FELDER, Richard M. Principios de los Procesos Químicos. Editorial El Manual Moderno, Ciudad de México (México). 1.981. GLYNN Henry, J. Ingeniería Ambiental Editorial Prentice Hall, Ciudad de México (México). 1.999 PËREZ Cárdenas, Salvador. Fundamentos de Termodinámica .Editorial Limusa, Ciudad de México (México). 1.990 REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Universidad del Valle, Cali (Colombia). 1.990 SAWYER, Clair N. Química para Ingeniería Ambiental. Editorial Mc Graw-Hill, Bogotá (Colombia). 2.001 ULRICH, Gael D. Procesos de Ingeniería Química. Editorial Interamericana, Ciudad de México (México). 1.998 VALENZUELA Calahorro, Cristobal. Introducción a la Química Inorgánica. Editorial Mc Graw-Hill, Madrid (España). 1.999 VIAN Ortuño, Angel. Introducción a la Química Industrial. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.996 WHITTEN, DAVIS, PECK. Química General. Editorial Mc Graw-Hill, Madrid (España). 1.998
110
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Capítulo
3 Energía, combustibles y combustión 3.1. Introducción Cuando se habla de procesos industriales y en términos generales, de darle valor agregado a las materias primas, el concepto de energía es de vital importancia. El estudio de los procesos productivos usualmente deja de lado el análisis de cómo esos materiales, que se convierten en productos y subproductos, se mueven y transportan dentro de la instalación industrial, y de dónde salen y cómo se generan la mayoría de los residuos contaminantes. El concepto de energía hoy en día, es sinónimo de recurso escaso, motivo por el cual es de vital importancia el conocimiento de todo lo pertinente al consumo energético. Sin embargo, así como es común encontrar industrias en las cuales se tienen vertimientos con grandes caudales y altas temperaturas, así mismo se encuentran emisiones, cuya temperatura es muy alta comparada con la del medio ambiente. De igual forma se hallan residuos con una alta carga de energía almacenada en sus enlaces, pero que son dispuestos en rellenos sanitarios, ya que se utilizan otros combustibles más económicos y de fácil consecución. De manera semejante a lo que ocurre con el agua, va a llegar el día en que la industria va a tener que pensar en emplear esos “biocombustibles”, hoy descartados, porque la era de los combustibles fósiles está llegando su �n. El hombre de�ne la energía como la capacidad para realizar un trabajo, en cuya ejecución se consumen los combustibles. Entre las formas más comunes de energía, relacionadas con el desarrollo de las diversas formas de vida del planeta, están las siguientes: solar (fuente primaria), mecánica, eléctrica, química (enlaces atómicos), cinética y potencial. El hombre transforma la energía en trabajo y, a su vez, el trabajo lo transforma en potencia. La energía que consume el ser humano
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111
se divide en dos categorías: la que requiere para sus procesos corporales o procesos internos, y la que requiere para sus procesos externos. La que usa en sus procesos internos está relacionada con su metabolismo y depende de alimentos ricos en energía y materia carbonada provenientes, ambos, de los complejos procesos de la fotosíntesis (carbohidratos, lípidos y proteínas) y la compleja trama de las cadenas alimenticias, donde do nde “unos” “unos” y sus desechos des echos sirven de alimento a limento a “otros” “otros”,, para formar nuevos materiales, que igual servirán de alimento a “otros” “otros”.. Posiblemente, el hombre primitivo sólo requirió energía para desarrollar su metabolismo; es importante recordar, que en la mayor parte del planeta, la temperatura corporal (38 0C) es mayor que la temperatura ambiente: esto implica pérdida permanente de energía. Con el tiempo descubre la energía de la madera, la cual libera por medio del fuego y la emplea en procesos externos como cocinar sus alimentos, defenderse de los animales o calentar las cavernas. Posteriormente usa el trabajo de los animales que domestica; luego la fuerza del agua que desciende, hasta que llega a descubrir materiales de alto contenido energético como los combustibles fósiles. Así, pasa de utilizar la energía solamente en sus procesos internos, a consumirla en cantidades exageradas para hacer funcionar maquinaria industrial, autos, aviones, iluminación, equipos domésticos requeridos para su bienestar y su propia supervivencia (neveras, calefacción, etc.). Sin embargo, también la ha utilizado en otros utensilios, que como el cuchillo eléctrico, el exprimidor de naranja, el secador de cabello, representan un excesivo co consumo nsumo de energía para p ara lo que ha denominado denomi nado “calidad de vida” y que algún día el mismo hombre cuestionará. cuestiona rá. Si se usan combustibles fósiles para generar la energía que todos estos equipos requieren, hay un deterioro ambiental ambie ntal desde el punto de vista de la contaminación atmosférica (emisión de partículas, de gases efecto de invernadero o de precursores de la lluvia ácida), contaminación térmica del agua (vertidos (ver tidos a ríos con temperaturas muy superiores a la del mismo río) y un impacto importante en los sitios de donde se extraen los combustibles de la tierra, como los derrames de petróleo o el descapote del suelo.
3.2. Conceptos básicos Como ya se de�nió en la unidad anterior, la temperatura es la fuerza guía para que ocurra la transferencia de calor entre dos cuerpos; esto, siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Materiales como
112
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y otros compuestos orgánicos (celulosa, alcohol, cascarilla de arroz, aserrín, borra o ripio de café), almacenan bajo la forma de energía química (enlaces), la energía ene rgía proveniente del sol, la cual puede ser liberada mediante un proceso de oxidación. El mecanismo mediante el cual es almacenada la energía proveniente del sol, lo efectúan los productores primarios (plantas) por medio de la fotosíntesis. Como cualquier forma de energía se puede transformar en calor, éste se convierte en una forma apropiada de medir la energía. La cantidad de calor transferido en un proceso o en una actividad se puede medir y se expresa normalmente en calorías o julios; también se puede usar como unidad de medida el BTU (Unidad Térmica Británica). El julio es la unidad de energía y de trabajo usada en el sistema internacional (SI) y se de�ne como 1 kg.m2/s2. La caloría se de�ne como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua, desde 14,5°C 14,5 °C hasta 15,5 °C y equivale a 4,184 julios; también se tiene la kilocaloría, igual a 1.000 calorías y el BTU, igual a 252 calorías. Las sustancias tienen la capacidad de recibir calor (calentarse) y liberar calor (enfriarse), propiedad que se puede de�nir como el calor especí�co (C) de la sustancia, la cual puede ocurrir a presión constante (Cp) o a volumen constante (Cv). Esta propiedad se puede de�nir por unidad de masa (cal/g °C) o por unidad molar (cal/mol °C). La capacidad calorí�ca es función de la estructura química de la sustancia y de la fase en que se encuentre: sólido, líquido o gas. Cuando ocurren cambios de fase (sólido a líquido, líquido a vapor o viceversa) se absorben o liberan cantidades relativamente grandes de energía por lo que la capacidad calorí�ca para una misma sustancia es diferente para cada una de las fases sólida, líquida o gaseosa. En los anexos, al �nal del libro, está la Tabla N o7 donde se encuentran las capacidades calorí�cas puntuales de ciertas sustancias, en estado gaseoso. Cuando se suministra calor a un sólido que se encuentra a una temperatura inferior a su punto (temperatura) de fusión, su temperatura aumenta hasta cuando se ha suministrado su�ciente calor para llevar todo el sólido hasta su punto de fusión, punto a partir del cual se requiere calor adicional para convertir el sólido en líquido. Durante el cambio de fase la temperatura permanece constante hasta cuando todo el sólido ha pasado al estado líquido. Si se sigue agregando calor, la temperatura vuelve a aumentar como consecuencia del calor absorbido hasta encontra encontrarr el punto (temperatura) de ebullición, punto en el que el líquido se convierte en vapor vap or con la particularidad, expresada anteriormente,
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113
de que la temperatura permanece constante mientras ocurre el cambio de fase (líquido a vapor). Cuando todo el líquido ha pasado a vapor, la adición de más calor aumenta nuevamente la temperatura de la sustancia que se encuentra ya en la fase gaseosa, produciendo un sobrecalentamiento. El mismo análisis se puede realizar en sentido contrario, contrari o, es decir, decir, enfriando el vapor hasta has ta convertirlo, nuevamente, en sólido; en este caso se retira calor. Como su nombre lo indica, la �gura siguiente es la representación grá�ca del comportamiento de una sustancia pura cuando se calienta, a presión absoluta constante, desde su estado sólido (desde el punto a hasta el punto 1), partiendo de la temperatura temperatura Ta hasta la temperatura Tf (punto de fusión); el calor agregado Q1, es el calor sensible necesario para llevar el sólido hasta el punto 1. Desde el punto 1 hasta el punto 2 se presenta el cambio de fase (de sólido a líquido), donde la temperatura se mantiene constante en el valor Tf . El calor agregado Q2 es el calor latente necesario para el cambio de fase. Temperatura
b 1 2
3
Te 4
Tf
Ta
a
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Calor Calor
Figura 3.1. Curva de calentamiento-enfriamiento a presión constante.
Para llevar la sustancia del punto 2 al punto 3, es necesario agregar una cantidad de calor sensible Q3 y llevar el líquido hasta la temperatura tempera tura Te (temperatura de ebullición). Desde el punto 3 hasta el punto 4 se presenta el cambio
114
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
de fase (de líquido a vapor), donde la temperatura se mantiene invariable en el valor Te; el calor latente agregado Q4 es el necesario para el cambio de fase de liquido a vapor. Desde el punto 4 hasta el punto b se agrega una cantidad de calor sensible Q5 para llevar el vapor hasta la temperatura Tb; durante el calentamiento se presenta cambio de temperatura. Se puede a�rmar como característica caracterí stica general de este proceso, que el calentamiento sin cambio de fase se presenta con aumento de temperatura, mientras que el cambio de fase se lleva a cabo agregando calor, pero la temperatura permanece constante. Es decir, el calor sensible se caracteriza por el aumento de temperatura y el calor latente se caracteriza por la temperatura constante. La pendiente de la línea, desde el punto a hasta el punto 1, es diferente a la pendiente de la línea, desde el punto 2 hasta el punto 3 y ésta, es diferente a la pendiente de la línea desde el punto 4 hasta el punto b. La pendiente es inversamente proporcional ala a la capacidad calorí�ca de la sustancia en su respectiva fase. Lo anterior signi�ca que, en una sustancia pura, la capacidad calorí�ca calo rí�ca del sólido es menor que la del líquido; es decir, la pendiente desde el punto a hasta el punto 1 es mayor, que la del punto 2 al punto 3. Además, la capacidad calorí�ca del líquido mayor que la capacidad calorí�ca del vapor y la capacidad calorí�ca del sólido mayor que la capacidad calorí�ca del vapor. La longitud de la línea entre los puntos 1,2 y entre los puntos 3,4 es directamente proporcional a la cantidad de calor agregado; el calor necesario necesari o para el cambio de sólido a líquido es menor que el calor necesario para el cambio de líquido a vapor. Así como se calienta la sustancia desde el punto a hasta el punto b, se puede enfriar la sustancia desde el punto b hasta el punto a, siendo iguales la cantidad de calor agregado y la cantidad de calor retirado. Si la presión absoluta no permanece constante, la posición de la curva cambia y se desplaza dependiendo del aumento o disminución de la presión total. ¿Qué pasaría con la temperatura Te, si la presión total aumentara? ¿Por qué? Normalmente en la industria, la energía mediante la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado gaseoso, es la energía que se obtiene a partir de la combustión de los combustibles convencionales (fósiles) como el petróleo, el gas natural y el carbón. Uno de los aportes hechos por la nueva tendencia mundial en pro de la conservación del medio ambiente y de la producción de manera limpia es el uso de la energía solar y el e l máximo aprovechamiento aprovechamiento de aquellos residuos que se producen, inevitablemente, en los procesos productivos a nivel agro-industrial .
Algunos de esos residuos pueden ser utilizados como combustibles en la in-
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115
dustria y pueden representar verdaderas economías o, aun más, pueden ser considerados verdaderas fuentes de ingresos. Ejemplos típicos de lo anterior, se encuentran en la industria molinera de arroz y en las trilladoras de café, por solo nombrar dos ejemplos. En ellas, la cascarilla producida puede servir ser vir como combustible, siendo importante impor tante anotar, que la cascarilla representa aproximadamente el 21% en peso del arroz ar roz y el 19% en peso del café1. De igual forma se podría utilizar como combustible la borra o el ripio que se obtiene en el proceso de lixiviación del café, o el aserrín producido en la industria maderera. Otra alternativa para obtener energía que tiene la industria en particular par ticular,, y el hombre en general, es mediante el tratamiento anaerobio de las aguas residuales con el cual se puede obtener biogas. Este es el producto del metabolismo metaboli smo de las bacterias en condiciones anaerobias, y que básicamente es metano y ácido sulfhídrico, ambos combustibles. El poder calorí�co promedio del biogas b iogas producido en un reactor anaerobio es de 22.400 kJ/m3 para una concentración del metano del 60%2. Los residuos sólidos producidos en las ciudades a nivel doméstico, mal llamadas basuras, también pueden puede n ser utilizadas como combustibles, mediante el proceso de la termólisis; sin embargo, se debe tener mucho cuidado con los problemas de trasvase de la contaminación (pasar de un medio a otro: del agua al aire, por ejemplo). Además, actualmente se invierten muchos recursos en investigación, para hacer económico el proceso de obtención de energía a partir de alternativas como la eólica, la neptúnica y la solar. También para obtener el metano atrapado en los cristales de hielo, en el mar. Lo que sí queda claro es que, más temprano que tarde, el hombre tiene que haber de�nido la forma de obtener energía de una manera diferente a la tradicional, es decir, con los combustibles fósiles, ya que esta forma de obtener energía complica el equilibrio del planeta por el calentamiento global que produce (efecto de invernadero); además, algún día se agotarán. Se piensa que la reforestación con miras a obtener madera para usarla como combustible es una de las mejores alternativas que tiene la industria y el hombre en general para abastecerse de energía. Hoy se estudian otras alternativas para la obtención de energía y que pueden ser viables una vez se analicen aspectos como, velocidad de almacenamiento, efectos sociales, efectos macroeconómicos, efectos 1 2
MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA. Uso Racional de Enerzgía en Molinos de Arroz en Colombia. Colombia. Editorial Presencia Ltda, Barranquilla (Colombia). 1.999 ROMERO Rojas, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales, Teoría y Principios de Diseño. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá (Colombia). 1.999
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
ambientales, competencia y tecnología. Estas alternativas son: biodisel, alcohol carburante, biomasa, energía solar pasiva (calefacción de ambientes), sistemas heliotérmicos (calentar un �uido para con él producir electricidad) y células fotovoltáicas3 (captar energía solar y convertirla en electricidad). Los niveles de contaminación atmosférica en los principales centros urbanos han obligado a extremar medidas de control y previsión, tanto en las condiciones de operación de los motores, como en la composición de los combustibles. La producción de alcohol carburante a partir de la caña de azúcar y yuca, está dentro de las alternativas para evitar el calentamiento del planeta, que es un propósito a nivel mundial mediante el Protocolo de Kyoto que tiene ventajas y ayudas �nancieras de la comunidad internacional para los países y entidades que lo implementen. Este programa será una gran contribución al desarrollo del sector privado, que tendrá la oportunidad de vincularse mediante la inversión en el sector de la producción de sustancias energéticas renovables. 3.2.1. Calor sensible. Es el calor ganado o perdido por una sustancia, que se
caracteriza por un cambio en la temperatura sin que ocurra cambio de fase. Los calores Q1, Q3 y Q 5, representados en la Figura 3.1, son calores sensibles y se calculan mediante la siguiente fórmula: Q = m C ∆T
(3.1)
en donde m es la masa de la sustancia (kilogramos, libras, moles, etc.), C es el calor especí�co (kcal/kg. °C, Julio/g. 0C) y T es el cambio o gradiente de la temperatura (0C, K). Algunos autores4 denominan calor especí�co a la capacidad calorí�ca y la capacidad calorí�ca la de�nen como el producto del calor especí�co por la masa total de la sustancia en cuestión. 3.2.2. Calor latente. Es el calor total ganado o perdido por una sustancia durante
el cambio de fase y se caracteriza porque no existe cambio de temperatura. Los calores Q2 y Q4, representados en la Figura 3.1, son calores latentes y se calculan mediante la siguiente fórmula: Q = m λ
3 4
(3. 2)
Revista Javeriana. Marzo de 2.004. Tomo 140. N0 140. Santafé de Bogotá. WHITTEN W. Kenneth. Química General . Mc Graw Hill, Madrid (España). 1.998
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117
en donde m es la masa de la sustancia y es el calor latente por unidad de masa o molar (julio/g, cal/mol). El calor latente , puede ser calor latente de fusión (f ) o calor latente de vaporización (V). Es el calor requerido por una sustancia para cambiar de sólido a líquido o de líquido a vapor, respectivamente, expresado por unidad de masa o molar. 3.2.2.1. El calor de vaporización de un líquido (v), es la cantidad de calor
que se debe suministrar, por unidad de masa o unidad molar, en su punto de ebullición, para transformarlo en vapor sin que cambie su temperatura, como se había dicho anteriormente. El calor de condensación es la cantidad de calor que se debe eliminar de un vapor para que éste se condense, sin cambio en su temperatura y es igual en magnitud, pero de signo contrario, al calor de vaporización. El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura en la cual coexisten en equilibrio su fase líquida y su fase de vapor. El punto de ebullición depende de la presión absoluta a la cual se encuentra la sustancia o el sistema; el agua, por ejemplo, tiene un punto de ebullición de 100°C, cuando está a una atmósfera de presión absoluta. 3.2.2.2. El calor de fusión de un sólido (f ) es la cantidad de calor que se
debe suministrar por unidad de masa o unidad molar, estando el sólido en su punto de fusión, para transformarlo en líquido sin que cambie su temperatura, como se había dicho anteriormente. El calor de solidi�cación de un líquido es la cantidad de calor que se debe eliminar para que se solidi�que sin cambio de temperatura; es igual en magnitud, pero de signo contrario, al calor de fusión. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura en la cual, su fase sólida y líquida, coexisten en equilibrio. 3.2.3. Calor especí�co de una sustancia, es la cantidad de calor necesario para
elevar la temperatura de dicha sustancia 1 °C o 1 K. Si es por unidad de masa es especí�co. Sus unidades pueden expresarse de diferentes formas: J/g. 0C, kcal/kg. 0C, BTU/lb. 0F, por ejemplo. Para calcular el calor especí�co de los gases comunes se puede usar la siguiente ecuación: Cp
118
= a + bT
+ cT2
(3. 3)
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
en donde a, b y c son constantes, y la temperatura (T) está en K y C p en cal/mol-g. K. Esta ecuación se puede usar para gases entre 300 y 1.500 K y para hidrocarburos gaseosos entre 283 y 1033 K (usando T en 0R). En ambos casos la capacidad calorí�ca está expresada en unidades de cal/mol-g. K. En los anexos, al �nal del libro, está la Tabla N08, donde se encuentran los valores para varias sustancias. Esta ecuación, sin embargo, da valores de Cp puntuales; es decir, para una temperatura. Sin embargo, cuando se calienta o se enfría una sustancia en estado gaseoso, la temperatura cambia de un valor inicial a un valor �nal, por lo que es conveniente utilizar una capacidad calorí�ca media, a presión constante, que se puede expresar como sigue: T2
C Pm =
∫
T1
C p dT (3. 4 )
T2 - T1
Al integrar la ecuación anterior, ésta se convierte en: C Pm = a +
b ( T2 + T1 )
2
+
2
c( T2 + T2 T1 + T1 )
2
3
(3. 5)
Esta ecuación se puede usar para gases cuya temperatura esté entre 300 y 1.500 K (usando T en K) y para hidrocarburos gaseosos entre 283 y 1.033 K (usando T en 0R). Para ambos casos, las unidades en las cuales se expresa la capacidad calorí�ca son cal/mol-g. K. Para productos alimenticios se pueden usar las siguientes ecuaciones donde Cp está expresado en kj/kg.°C: C p = 1,675 + 0,025 x % H 2 O
( 3.6 )
C p = 1,424 X1 + 1,549 X 2 + 1,675 X 3 + 0,837 X 4 + 4,187 X 5
(3.7)
Para la Ecuación 3.6, el % H2O es el porcentaje en peso de agua del alimento. En la Ecuación 3.7, X1, X2, X3, X4 y X5 equivalen a la fracción en peso de carbohidratos, proteína, grasa, cenizas y agua, respectivamente. En los anexos, al �nal del libro, está la Tabla N0 9, donde se encuentra el valor para varios productos alimenticios.
Fernando Méndez Delgado
119
Para hidrocarburos gaseosos, en un rango comprendido entre –184 °C y 94°C, se puede usar la siguiente ecuación donde T está en 0R y las constantes u y v están en la Tabla No 8, en los anexos al �nal del libro. Cp =
7,95 (T2 - T1 ) ( v + 1) + u ( (T2 )
v +1
- (T1 )
v +1
)
( v + 1) (T2 - T1 )
( 3.8)
En la Tabla N0 10 de los anexos, se encuentran valores de capacidad calorí�ca para sólidos y para líquidos que son de gran utilidad. Además, para cálculos que involucren hidrocarburos líquidos, así como para el estudio de varias ecuaciones empíricas y para el análisis de grá�cas con las cuales se puede obtener más información, se puede consultar el libro “Balance de Materia y Energía” de Watson5. En los anexos, al �nal del libro, se encuentra la Tabla N0 11 donde se pueden hallar diferentes valores de calor latente de fusión, la Tabla N0 12 para calor latente de vaporización y, además, está la Tabla N0 13 que muestra valores de capacidades calorí�cas medias para gases, con valores de temperatura entre 25 °C y T °C.
3.3. Combustible, poder calorí�co y combustión. 3.3.1. Combustible. Es una sustancia que se quema (reacciona con el oxígeno)
y cuyo �n es liberar la energía calórica almacenada bajo la forma de energía química, en los enlaces de las moléculas que conforman el combustible. La reacción en la que el oxígeno se combina rápidamente, con materiales oxidables (combustibles), en reacciones bastante exotérmicas, habitualmente acompañada con una llama visible, se denomina combustión. El oxígeno, denominado comburente, es la sustancia encargada de sostener el proceso de combustión; generalmente, es suministrado usando el aire, el cual tiene este elemento como segundo componente mayoritario, después del nitrógeno. La composición promedio normal del aire muestra como componente principal el nitrógeno, mientras que el oxígeno, como segundo componente, está en una proporción aproximada de 1/4 (Tabla N0 14 de los anexos, al �nal del libro). En los procesos de combustión también se puede utilizar el oxígeno en estado de alta pureza, el cual se obtiene a partir del aire como materia prima. 5
HOUGEN-WATSON-RAGATZ. Principios de los Procesos Químicos. Edit. Reverté, Barcelona. 1.976
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Una gran variedad de materiales que van desde los tradicionales combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), hasta residuos industriales y domésticos, pasando por los que son objeto de estudio juicioso, hoy en día, como el alcohol carburante y el biodisel, se pueden quemar o utilizar como combustibles. Los tipos de combustibles más comunes, de acuerdo con su estado, son: Combustibles sólidos: Madera, carbón, residuos agroindustriales y domésticos. Son ejemplo de residuos de la agroindustria: aserrín, cascarilla de arroz, cacota de algodón, “basuras” domésticas e industriales6, cascarilla de café, borra de café, etc. Combustibles líquidos : Gasolina, aceite combustible para motores (ACPM), crudo de castilla, biodisel, alcohol obtenido a partir de la caña7, residuos industriales (aceites usados8). Combustibles gaseosos: Propano, que se puede almacenar licuado, gas natural, butano, hidrógeno, subproductos industriales (gas de alto horno en acerías, gas de coquería), biogas producto de los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales9 para la descomposición de la materia orgánica presente como contaminante. El futuro de los combustibles está orientado, últimamente, hacia el alcohol etílico de alta pureza (99,5% en volumen) o alcohol carburante, obtenido a partir de la fermentación de los carbohidratos presentes en las mieles de caña (melaza, miel virgen o mieles invertidas); también se puede obtener a partir del almidón de la yuca o de la papa. Los países ubicados en el trópico poseen un enorme potencial para producir alcohol dadas las horas–día de luz solar que se pueden aprovechar en fotosíntesis. Lo anterior no es exclusivo del jugo de caña azucarera, ya que el jugo de la caña panelera, puede usarse también en la fermentación. El problema radica en el grado de contaminación que se puede generar en los ríos, con el vertimiento de los sobrantes de la destilación del guarapo. Estos vertidos, denominados “vinazas”, tienen un pH cercano a 3.0 y una carga orgánica contaminante demasiado alta (DBO5). Si a esto se suma un mal manejo en la recuperación de la energía calórica que las acompaña (80 °C), son muchos los problemas ambientales que se causan, además de la baja 6 7 8 9
El término basura se debe reemplazar por el de materia prima en potencia. Es considerado como el futuro de la energía, junto con la madera. Esta práctica puede generar el famoso trasvase de la contaminación; es decir, trasladar el problema al aire. Tiene futuro a raíz de la necesidad creciente de descontaminar el planeta. Sin embargo, también se produce contaminación al quemarlo, por la presencia de azufre.
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productividad que se presenta en el proceso (agua y energía desperdiciada). Las vinazas pueden ser usadas mediante el sistema de nutrirriego, es decir, mezcladas con las aguas usadas en los sistemas de riego. Sin embargo, la destilería debe estar cerca de los cultivos y, además, no se puede “botar” irresponsablemente al canal de riego sin hacer un estudio previo para determinar los requerimientos del cultivo, desde el punto de vista de los nutrientes. En la actualidad el alcohól carburante en Colombia se produce básicamente en los ingenios; en éstos, las vinazas son utilizadas luego de concentrarlas en la producción de abonos, junto con otros residuos del proceso. El abono producido se usa en los mismos cultivos de caña, donde se obtiene una disminución en los costos por cosecha. El primer uso de los combustibles con el �n de obtener calor ocurrió cuando el hombre dominó el fuego. Luego, el desarrollo de la máquina de vapor convierte la energía química de los combustibles en energía mecánica; esto ocasionó la primera revolución industrial a mediados del siglo XVIII. Hoy en día, los combustibles parecen ser absolutamente necesarios para el desarrollo de las sociedades modernas. No obstante, contrario a lo que muchos piensan, ese bienestar que se supone suministra su uso, se ha convertido en una verdadera arma de doble �lo, ya que las consecuencias son funestas: pérdida de biodiversidad por accidentes y actos terroristas (derrame de petróleo frente a las costas de España en el 2002 y en el Golfo de México en el 2010), calentamiento global del planeta por el efecto invernadero, contaminación del aire de los grandes centros urbanos, lluvia ácida, etc.
Así como los peces están inmersos en un �uido llamado agua y del cual dependen para poder vivir, el hombre y muchos seres vivos más, están inmersos en otro �uido llamado aire del cual también dependen para poder vivir. Todo cambio signi�cativo en la composición del aire, representa alteraciones en los ecosistemas y por lo tanto, en la salud y bienestar del hombre. A medida que crece la población y, como consecuencia la industrialización, la agresión que se realiza al medio ambiente es cada vez mayor, puesto que se requiere suministrar todo lo que la población precisa para satisfacer sus necesidades y comodidades. A lo anterior se suman las continuas exigencias del crecimiento económico; es decir, aumento del Producto Interno Bruto (PIB) y requerimientos de empleo permanente. Los procesos de combustión de los combustibles fósiles consumidos en la industria, en el transporte, a nivel doméstico y muchos sectores más,
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
arrojan a la atmósfera millones de toneladas de gases y partículas causantes de los fenómenos ya mencionados. El objetivo de este texto no es profundizar en las consecuencias ambientales, sino aportar elementos que permitan el análisis de los procesos productivos, la toma de conciencia frente a la problemática a la que se está enfrentando la población mundial con cerca de 6.800 millones de habitantes. Cualquier actividad humana implica el uso de energía; el simple hecho de existir como ser viviente, lo obliga a abastecerse de energía para mantener sus funciones vitales. Solamente desde el punto de vista de la alimentación, la población se enfrenta al reto de tener cultivos extensivos e intensivos que lo liberen del hambre (Africa). ¿Puede el hombre realizar todas esas actividades disminuyendo el consumo de energía proveniente de combustibles fósiles? ¿Qué signi�ca, desde el punto de vista de consumo de energía, que una economía crezca? ¿Es directamente proporcional la relación existente entre crecimiento económico y consumo energético? 3.3.2. Poder calorí�co. Para la persona que está relacionada con la obtención,
adecuación, comercialización y uso de cualquier tipo de combustible, es de suma importancia conocer el poder calorí�co del mismo. El poder calorí�co expresa la cantidad de calor liberado por la combustión de una unidad de masa o de volumen de combustible. Las unidades normalmente usadas para medir o expresar el poder calorí�co de un combustible son: cal/g, kcal/galón, julios/g o BTU/lb. El poder calorí�co se expresa de dos formas: superior o bruto e inferior o neto. El poder calorí�co superior (PCS) de un combustible es el calor desprendido durante su combustión completa, a presión constante y temperatura de 25°C, cuando toda el agua inicialmente presente en estado líquido en el combustible y la que aparece en los productos de la combustión, está condensada en el estado líquido y a la temperatura del experimento (generalmente se realiza en el laboratorio). El poder calorí�co inferior (PCI) de un combustible se de�ne de manera similar, excepto que el estado �nal del agua en el sistema luego de la combustión es de vapor a 25°C. El poder calorí�co inferior se determina restando del PCS el calor latente de vaporización del agua formada y vaporizada; dicho de otra forma, el PCI tiene en cuenta el calor que tomó el agua para evaporarse; es un calor que no se desvía hacia el proceso, sino que sale con los gases de combustión.
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En muchos casos, el combustible es una mezcla de sustancias combustibles. El carbón, la gasolina, el gas de coquería y el gas producido en un reactor de puri�cación anaerobia de aguas residuales, son ejemplos de “mezclas de combustibles”. La forma de calcular el poder calorí�co de estas mezclas, es mediante la ponderación de los poderes calorí�cos de cada uno de los constituyentes combustibles; obviamente, es indispensable conocer la composición del combustible. Si el combustible es una mezcla de H2, CH4 y S, se multiplica el poder calorí�co de cada uno de ellos por su fracción masa en la mezcla, y se suman, dando por resultado el poder calorí�co ponderado de la mezcla. En términos generales, cuando en una industria o en cualquier actividad se tienen residuos, cuya generación no ha sido posible reducir o evitar, o no se les ha podido usar como materia prima para el mismo proceso o para otro, es importante que el ingeniero haga un análisis de su poder calorí�co o de su biodegradabilidad en condiciones anaerobias, para pensar en la posibilidad de usarlos como combustibles (casos nombrados anteriormente para la cascarilla de arroz, el ripio de café, la cascarilla de café, el aserrín o el bagazo de la caña). Sin embargo, es importante cuanti�car su producción por unidad de tiempo y ver usos alternativos para determinar la opción más viable ¿Es más rentable obtener aceite del ripio de café que usarlo como combustible? En los anexos al �nal del libro, Tabla N0 15, se encuentra el poder calorí�co de los combustibles tradicionalmente usados a nivel industrial. 3.3.3. Combustión. La combustión completa se presenta cuando la sustancia
combustible llega a su máximo grado de oxidación y, naturalmente, libera todo el calor posible (los productos resultantes de la combustión no se consideran combustibles ya que están en su máximo grado de oxidación: H2O, CO2, etc.). En contrapartida, la combustión incompleta se presenta cuando no hay oxidación completa de la sustancia combustible y por lo tanto, no se libera todo el calor almacenado como energía química. Algunos de los productos resultantes de la combustión incompleta se consideran combustibles, ya que no se encuentran en su máximo grado de oxidación, o simplemente, ni siquiera iniciaron oxidación: CO, CH4, C, S. Son ejemplos de combustión completa, la oxidación del carbono a dióxido de carbono, del hidrógeno a agua y del azufre a dióxido de azufre. Un ejemplo típico de combustión incompleta es la oxidación del carbono a monóxido de carbono. A continuación, se pueden observar los procesos químicos que se dan en los tipos de combustión:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Combustión completa: C + O2 S + O2 2 H2 + O2 CH4 + 2O2 H2S + 1,5 O2 C3H8 + 5 O2 3 C2H5OH + 3 O2
CO2 SO2 2 H2 O CO2 SO2 CO2 2 CO2
Combustión incompleta: CH4 + 1,5 O2 2C + O2 2C + 1,5 O2 C3H8 + 4,5 O2 C3H8 + 6,5 O2
CO 2CO CO CO CO
+ + + +
2 H2O H2O 4 H2O 3 H2O
+
2 H2O
+ + +
CO2 2 CO2 2 CO2
+ 4 H2O + 4 H2O + 2 O2
La combustión incompleta es causada por situaciones tales como dé�cit de oxígeno respecto a la relación estequiométrica o mala mezcla entre combustible y comburente pues aunque se tiene su�ciente oxígeno, el combustible y el comburente no se encuentran para reaccionar; además, la combustión incompleta puede ocurrir por baja temperatura de la mezcla. Cuando en una industria se habla de productividad, la combustión incompleta es uno de los aspectos que deben vigilarse con especial cuidado ya que son recursos a los que no se le está sacando todo el provecho y cuya adquisición signi�ca un costo para la industria. La combustión incompleta evidencia que no se ha “liberado” todo el calor de los combustibles empleados y que, por lo tanto, los recursos invertidos no se aprovechan al máximo. Además del daño económico directo, los efectos nocivos que tienen los productos de una combustión incompleta sobre el medio ambiente y sus componentes son signi�cativos: el monóxido de carbono, CO, tiene mayor a�nidad con la hemoglobina que el oxígeno, ocasionando serios problemas respiratorios, que pueden causar hasta la muerte. El aire teóricamente necesario o aire teórico, es aquel que se calcula estequiométricamente y que se consume, de acuerdo a la cantidad de material combustible presente (C, H, S). Se debe conocer la composición del aire ya que lo que realmente se calcula, es la cantidad de oxígeno necesario para la combustión completa. Para casos como éste, es de suma importancia tener claros
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los conceptos básicos de química, previos al conocimiento elemental de los procesos industriales y de los conceptos básicos sobre contaminación y descontaminación. Se de�ne como aire en exceso a la cantidad de aire presente en el proceso de combustión, que excede la cantidad teórica necesaria y que lo que pretende es garantizar la combustión completa, aumentando la probabilidad de reacción entre el combustible y el comburente. Existe un máximo de aire en exceso que puede agregarse en el procesos de combustión, sin que afecte de una manera signi�cativa la e�ciencia térmic. Un “gran” exceso de aire puede garantizar la combustión completa pero también implica que buena parte del calor obtenido en la oxidación del combustible, sea usado para calentar ese “gran” exceso de aire. De ma nera adicional, el aire en exceso genera también un exceso de gases de combustión, los cuales salen a alta temperatura por la chimenea causando pérdidas energéticas adicionales. Debe recordarse que si se usa aire como comburente, éste tiene cerca del ochenta por ciento de nitrógeno que en su gran mayoría, por no decir que todo, no reacciona, salvo en condiciones de alta temperatura. Además, desde el punto de vista ambiental, una mezcla rica en aire es un factor que contribuye a un consumo excesivo de recursos energéticos. Por otra parte, en la combustión incompleta, el combustible no se oxida totalmente; por lo tanto, parte de ese combustible puede pasar por el proceso unitario de combustión sin reaccionar y a una temperatura mayor de la que entró, disminuyendo la e�ciencia porque “roba calor al sistema”. En los cálculos de balance de materia se supone que la cantidad de nitrógeno, como entra, igualmente sale; es decir, no reacciona. Esto no es del todo cierto, ya que parte del nitrógeno del aire reacciona, aunque en cantidades muy bajas, para formar óxidos de nitrógeno, dependiendo de la temperatura a la que se realice la combustión. El exceso de aire que frecuentemente se emplea en calderas que utilizan carbón pulverizado, está entre el 5% y el 40% y para calderas que utilizan aceite combustible o gas, se usa un exceso de aire entre el 1% y el 12%. Además, no se puede olvidar, que un exceso de aire favorece la oxidación del nitrógeno para formar NO y NO2. Los productos de la combustión son básicamente óxidos de carbono (CO y CO2), óxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (N2O y NOx), trazas de metales como el plomo y el vanadio al igual que partículas y agua (H2O). Las consecuencias del consumo acelerado de combustibles fósiles en el planeta son una realidad y el hombre se encuentra enfrentado básicamente, a
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
cambiar las fuentes energéticas o a disminuir su crecimiento económico dependiente de los combustibles fósiles. Esto último, se puede demostrar fácilmente teniendo en cuenta uno de los indicadores que miden el desarrollo económico de un país: “Consumo energético por habitante en el año” . De la misma manera, se debe examinar el calor que se puede recuperar en una industria cuando se tienen vertimientos (descargas de aguas) o emisiones (descargas de gases) a altas temperaturas; es por esto, que deben existir buenos programas de recuperación de condensados, que no solo ahorran energía sino agua, ambos tan escasos en la actualidad. Corrientes de sólidos o �uidos (líquidos o gases) que se “boten” al medio ambiente a una elevada temperatura, no solo son recursos escasos que se pierden (el material o la energía), sino también problemas ambientales, dado su efecto sobre los ecosistemas y a su vez, causantes de posibles demandas o acciones populares. Encender el fogón de la estufa de gas es una actividad cotidiana que se hace en forma mecánica, y en la que, dándose la relación combustible/comburente, nadie re�exiona sobre la forma como ésta se da. Además del combustible ¿qué se requiere para que la llama se sostenga, una vez que ha sido encendida? Se necesita el oxígeno que actúa como comburente y que se encuentra en el aire en las proporciones indicadas anteriormente. De igual manera, se sabe ¿qué función cumple el oxígeno que los seres aerobios (el hombre) inhalan? ¿Cómo adquieren los seres vivos el combustible que requieren? ¿Usted, por ejemplo? El cuerpo toma la energía que precisa para sus procesos vitales a partir de los alimentos que el ser vivo consume, produciéndose el mismo proceso general de la combustión, por el que se genera la misma cantidad de calor por metabolismo que por combustión. ¿Qué es metabolismo? ¿Cual temperatura es mayor, la del cuerpo o la del medio ambiente normal? ¿Qué implica una diferencia considerable entre la temperatura del cuerpo y la del medio ambiente? Estos son interrogantes que el lector está en capacidad de responder, relacionándolos con su metabolismo, con los procesos de la industria y, por supuesto, con el medio ambiente. El aire es una mezcla gaseosa conformada por nitrógeno, oxígeno, argón, neón, helio criptón, hidrógeno, xenón y agua, en proporciones variables que dependen de la región donde se encuentre. Los óxidos de azufre, nitrógeno y carbono también se encuentran presentes en proporciones variables que dependen de la proximidad a centros urbanos y/o industriales. Las descargas eléctricas también producen variaciones en la composición del aire al disociar algunas moléculas y formar otras.
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El aire es usado como comburente dada la elevada concentración de oxigeno presente en él (cerca del 20% en volumen), aunque también se puede usar como materia prima para la obtención del oxígeno con una alta pureza (99,5%). Con una pureza alta el oxígeno tiene aplicación en los sopletes para soldadura y corte de metales, en los procesos de combustión y en las reacciones de oxidación en general, con la ventaja respecto al aire de que la presión parcial del oxígeno es mayor y que los productos de la reacción o de la combustión no van diluidos ya que la presencia del nitrógeno del aire con cerca del el 80% en volumen lo impide. Esto implica, el manejo de menores cantidades de materia y menor tamaño de los equipos empleados, pero, también signi�ca costos, dado que separar y concentrar oxígeno a partir del aire implica necesariamente consumo de recursos10. El aire, al igual que las corrientes de agua y que el suelo, han sido usados como “depósito” de las emisiones provenientes de la industria, el transporte y en general, todas las actividades del hombre, sin que se presentaran problemas inicialmente. Pero una vez superada la capacidad de carga o de autodepuración del mismo, se ha alterado el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos11, con consecuencias directas sobre el mismo hombre. Desde otra perspectiva, el aire, no causa gastos a la industria por su utilización como comburente en sistemas de refrigeración o en los procesos de combustión y se usa según las necesidades. Pero ha sido tanto su uso como “depósito” que así como se está aplicando una normativa para aguas, la del aire empieza a ser estricta por las consecuencias que se están presentando. Así, de manera local, hay problemas de smog12 en Ciudad de México y Santiago de Chile; de manera regional, lluvia ácida y rompimiento de la capa de ozono; pero, además, también de una manera global, calentamiento del planeta cuya situación preocupante dio origen al Protocolo de Kioto. La Ley 99 de 1.993 por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, en su artículo 42, dice que “La utilización directa o indirecta de la atmósfera, del agua y del suelo, para introducir o arrojar desechos agrícolas, mineros o industriales, aguas negras o servidas de cualquier origen, humos, vapores y sustancias nocivas que sean resultado de actividades antrópicas o propiciadas por el hombre, o actividades económicas o de servicio, sean o no lucrativas, se sujetará al pago de tasas 10 Ortuño Vian, Angel. Introducción a la Química Industrial . Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.996 11 Vasquez Torre, Guadalupe. Ecología y Formación Ambiental. Editorial Mc Graw-Hill, México. 1.996 12 Doménech Xavier. Quimica ambiental, El impacto ambiental de los residuos . Miraguano Ediciones, Madrid (España). 1.994
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
retributivas por las consecuencias nocivas de las actividades expresadas”. Esto pone
de mani�esto el riesgo latente de no estar preparado para cuando la normativa, ya existente, sea aplicada en todo su rigor. El Protocolo de Kyoto propende por la disminución de los gases causantes del efecto de invernadero (CO2, CH4, N2O, O3, H2O, CFC), lo que implica el compromiso de todos los países �rmantes de disminuir las emisiones de dichos gases. Es importante examinar qué otras alternativas energéticas tiene el hombre, que sean seguras y no contaminantes para cumplir con las metas de crecimiento económico que el mundo está pidiendo. ¿Cómo se solucionará el problema de empleo para tanta gente que está en capacidad laboral? Se piensa en alternativas como la energía eólica13, solar, neptúnica14 o geotérmica15 actualmente en proceso de investigación, principalmente en el aspecto de e�ciencia. Otras fuentes energéticas que el hombre está considerando seriamente son la producción de alcohol carburante a partir del jugo de la caña de azúcar, de la papa o de la yuca y la producción de madera (biomasa) con especies de rápido crecimiento sobre todo en el trópico, como ya se ha mencionado anteriormente. No obstante es importante analizar los posibles impactos ambientales de cada una de ellas. ¿Cual sería el impacto ambiental causado por las dos últimas alternativas? Si se analizan detalladamente lso sistemas de transporte y el desarrollo industrial, se puede concluir que existe una marcada dependencia de éstos con el consumo de combustibles fósiles. La exploración, extracción y consumo de estos combustibles en estado sólido, líquido o gaseoso, genera residuos, emisiones, y vertidos en cantidades signi�cativamente superiores a los que la naturaleza puede asimilar y depurar. Los excedentes generan impactos al medio ambiente que se traducen en pérdidas de ecosistemas por depredación, derrames accidentales o provocados y como resultados de defectos colaterales de alteraciones en los ciclos normales de la naturaleza. 3.3.4. Caldera. Una caldera es un equipo, más exactamente, un intercambiador
de calor, donde se libera la energía del combustible (carbón, ACPM, crudo de castilla, gas natural, etc.) mediante un proceso de combustión que luego es entregada al agua o al aceite térmico mediante mecanismos de transferencia de calor como la conducción y la convección. Es un equipo utilizado con mucha 13 Uso del viento 14 so de corrientes marinas 15 Uso del calor de la tierra.
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frecuencia en la industria; se usa en los procesos de pasteurización de la leche, para calentar los alimentos, para que ocurran reacciones que requieren calor como en la fabricación de cemento o de acero, para generar electricidad en las termoeléctricas, para destilar, etc. En la caldera por consiguiente, ocurre el paso de una forma de energía a otra, desde un generador hasta un receptor. Se usa para pasar la energía que tiene almacenada el combustible como energía química, hacia el agua o hacia un aceite térmico pero ahora en forma de calor. También se puede mirar como un equipo donde se inician una gran cantidad de problemas para el medio ambiente. El agua o el aceite térmico sirven como medio de transporte del calor, hacia la parte del proceso donde se requiera; “son medios de transporte (carros), cuyos pasajeros son las calorías o los julios”. A la caldera entra entonces el combustible, el comburente (aire), el agua o el aceite térmico y sale vapor de agua o aceite térmico caliente, gases de combustión, partículas y agua de purga. Agua (vap) a proceso
Gases de combustión CO2, H2O, N2, SO x, NO x, CxHy, Partículas, CO, O 2 y Calor
Agua tratada (liq.)
Combustible CxHy CALDERA Comburente aire Purga: agua, sólido y energía
Fig. 3.2. Diagrama típico de una caldera que usa agua como �uido de proceso.
Si el �uido que se utiliza en la caldera es aceite térmico, éste cumple un ciclo porque el aceite se calienta, va al proceso y entrega el calor para regresar de nuevo a la caldera, cerrar el ciclo y empezar de nuevo. Cuando el �uido utilizado en la caldera es agua, el vapor usado para transportar el calor hacia el proceso tiene dos opciones: mezclarse íntimamente y confundirse con los materiales que se van a calentar (calentamiento directo), o la otra opción es calentar los materiales de una manera indirecta; es decir, sin mezclarse con el material a calentar para lo cual se usa una super�cie con buena conductividad térmica que
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
separa el vapor de la sustancia que se pretende calentar. En el primer caso, el vapor de agua se condensa al entregar el calor y se vuelve irrecuperable como �uido de servicio para la caldera. En el segundo caso se puede recuperar una vez condensado y se usa de nuevo como �uido de servicio en la caldera. Esto se logra con un buen programa de recuperación de condensados, lo que representa una ventaja ya que el agua tiene un precio, además de que el condensado tiene un valor agregado por tratarse de agua caliente y desmineralizada o suavizada16. Como se dijo anteriormente, el condensado tiene una temperatura mayor que el agua usada inicialmente en la caldera, por lo tanto representa una economía de combustible al requerirse menor cantidad de calor en su vaporización. El siguiente es el recorrido del aceite térmico y del agua en la caldera, con y sin recuperación de condensados:
Proceso
Caldera
Recorrido del agua sin recuperación de condensados: Recorrido del agua (aceite) con recuperación de condensados: Figura 3.3. Recorrido del �uido de servicio en una caldera.
Un buen �uido transmisor de calor, debe tener las siguientes propiedades, para ser usado en la caldera: • Buena estabilidad térmica. Alta resistencia a la oxidación. • Alto calor especí�co; es decir, alta capacidad de almacenamiento de calor para un volumen dado. Mide la capacidad de transporte de calor. • Alto coe�ciente de película, para una rápida transmisión de calor. • Alto índice de viscosidad, para reducir las variaciones de carga de la bomba que lo inyecta a la caldera y lo mueve a través del circuito. 16 Procesos unitarios en los que se quitan minerales disueltos al agua para que no se incrusten los tubos de la caldera.
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• • • •
No tener acción corrosiva sobre los metales que se usan en el sistema. No tener olor desagradable. Ser de fácil manejo y no tóxico. Bajo punto de in�amación. Bajo precio y fácil disponibilidad, sin variaciones en las características del �uido. • Baja presión de vapor para evitar el taponamiento y la cavitación de la bomba. A continuación, los diagramas simpli�cados de las calderas usadas en la industria: Vapor Combustible y Comburente
Gases de combustión
Agua
Figura 3.4. Caldera pirotubular.
Combustible y comburente
Vapor
Gases de la combustión
Agua Figura 3.5. Caldera acuatubular.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Las calderas que se utilizan a nivel industrial son básicamente de dos clases: calderas pirotubulares en las que los gases de combustión van por los tubos y calderas acuatubulares en las que el �uido va por los tubos. Los anteriores son sus diagramas simpli�cados. En los procesos de combustión a nivel industrial y en términos generales, en todas las actividades que impliquen consumo premeditado de un combustible, es importante tener presente dos aspectos: el balance de materia y el balance de energía. El balance de materia es la contabilidad de los materiales, basado en el desarrollo estequiométrico de la reacción. El balance de energía es la contabilidad de la energía, basado en el poder calorí�co del combustible y los calores latente y sensible, con una temperatura de referencia. Para entender el concepto de balance de materia en el proceso unitario de combustión, es necesario tener claras las bases del desarrollo estequiométrico de la química, estudiadas con anterioridad. Los siguientes datos son importantes y se deben tener en cuenta para el desarrollo matemático del balance de materia: • Ecuación de la reacción que ocurre. • Composición del combustible. • Composición del comburente. • Composición de los gases de combustión La incógnita, lo mismo que en la estequiometría química, puede ser cualquiera de las sustancias involucradas o la composición de los productos de la reacción. Para el cálculo del balance energético de la combustión, es importante tener en cuenta la siguiente información: • Balance completo de materia para poder realizar el balance de energía. • Poder calorí�co del combustible. • Calores de formación, de combustión, especí�cos y de reacción de las sustancias involucradas en el proceso de combustión. • Condiciones en que se lleva a cabo la combustión (el proceso puede ser adiabático o no adiabático). • Temperaturas de operación y/o de referencia.
3.4. Termoquímica. En el proceso de “quemar” un combustible, está incluido el concepto especí�co de oxidación y en general el de reacción química. Las reacciones químicas requieren como condición especial, el suministro de energía o la liberación de
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la misma, para que ellas ocurran; es decir, son endotérmicas o exotérmicas. Generalmente esta energía se mani�esta como calor. Entonces es urgente conocer los fundamentos de la termoquímica. 3.4.1. Calor de reacción. Es el calor absorbido o liberado en el transcurso de una reacción o la variación de la entalpía17 (H) del sistema para la reacción,
que se realiza a presión constante. 3.4.2. Calor de formación. Es la variación de la entalpía del sistema donde ocu-
rre la reacción a presión constante. Los reactivos son los elementos necesarios y el compuesto a que se re�ere, es el único formado, siempre con referencia a un estado (25oC). En los anexos al �nal del libro, Tabla N0 16, se encuentran los calores de formación de compuestos referidos a 25oC y 1 atmósfera de presión. El calor de formación de un elemento es cero si su estado de agregación es el elegido como base, para los calores de formación de sus compuestos. Para un compuesto de la forma Ca Hb Brc Cld Fe If Ng Oh Si una ecuación general que permite calculara el calor de formación a partir del calor de combustión es: ∆ H f = - ∆ Hc - 94.051,8 a - 34.158,7 b - 44.502 e - 70.960 i
( 3.9)
Esta fórmula se emplea siempre y cuando el calor de combustión del compuesto, al cual se le quiere calcular el calor de formación sea Hc, los productos �nales de su combustión sean CO2 (g), H2O(l), Br(l), Cl 2(g), FH(ac), I(s), N2(g), SO2(g) y el calor de formación Hf . Pero si su calor de combustión es H”c y los productos de la combustión son CO2(g), H2O(l), Br2(g), HCl(ac), I(s), HNO 3(ac), H2SO4(ac), entonces la fórmula que se emplea es:
∆H f = - ∆ H ′′c -
94.051,8 a - 34.158,7 b + 3.607 c - 5.864,3 d - 44.502 e
- 15.213,3 g - 148.582,6i
(3.10)
3.4.3. Calor normal de combustión de una sustancia es el calor de reacción
que se obtiene de la oxidación de la sustancia con oxígeno molecular. Dado que la combustión tiene lugar con una reducción en la entalpía del sistema, el valor 17 Para la mayoría de los procesos industriales continuos, tales como la operación de calderas, hornos de combustión, reactores químicos o equipos de destilación, los términos de energía cinética, energía potencial y trabajo son despreciables y el calor añadido es igual al aumento de la entalpía.
134
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
del H es negativo por lo que el calor de combustión es negativo, indicando pérdida de calor por el sistema. El calor normal de combustión es el que resulta de la combustión de una sustancia en el estado normal a 25oC y a presión atmosférica, comenzando y terminando la combustión a la temperatura de 25oC. En los anexos al �nal del libro, Tabla N0 17, se encuentran los calores normales de combustión, con una referencia de 25oC y una (1) atmósfera de presión. En ella se especi�can los productos �nales de la oxidación que corresponden a una combustión completa. Para calcular el calor normal de reacción a 25oC se puede usar como punto de referencia el calor de formación o el calor de combustión. Las siguientes son las ecuaciones para cada uno de los puntos de referencia, respectivamente: Pr oductos - ( Σ ∆H f ) Reactivos ] 25 0C
( 3.11)
[ ( Σ ∆Hc ) Reactvos - ( Σ ∆Hc ) Pr oductos ] 250C
( 3.12)
∆Hr = [ ( Σ ∆H f ) ∆Hr =
Hf = Calor de formación a 25oC Hr = Calor de reacción a 25oC Hc = Calor de combustión a 25oC
Para calcular la cantidad de calor desprendido en una reacción se usa la siguiente ecuación:
∆H = [ Σ H P
+
Σ ∆ Hr
-
Σ HR ]
( 3.13)
H
= Variación de entalpía de la reacción. HP = Entalpía del producto, referida a su estado normal a 25ºC. Hr = Calor de reacción a 25oC. HR = Entalpía de reactivos, referida a su estado normal a 25ºC. Para calcular la temperatura a la que ocurre la reacción se puede usar la ecuación anterior, teniendo en cuenta si se presentan pérdidas o no de calor. Si la reacción es adiabática, entonces H es igual a cero, por lo tanto la ecuación anterior se convierte en:
ΣH P
=
Σ HR
-
Fernando Méndez Delgado
Σ ∆ Hr
( 3.14)
135
Conocido HR y Hr entonces se puede calcular HP. Luego este valor se iguala a la ecuación que involucra la capacidad calorí�ca y se despeja T2 teniendo como referencia T1 igual a 25ºC. Otra posibilidad es suponer T2 y calcular la capacidad calorí�ca; como ya se sabe, el gradiente de temperatura y la masa se obtienen mediante el balance de materia, se calcula la entalpía y se veri�ca por ensayo y error. Si la reacción no ocurre adiabáticamente18, para calcular la temperatura de reacción se debe conocer el calor absorbido o perdido por el sistema durante la reacción. La temperatura calculada por este método, sea adiabática o no, se denomina temperatura teórica de llama. Existen datos sobre temperaturas reales de llama que se obtienen experimentalmente (ver anexos al �nal del libro, Tabla N0 18).
3.5. Combustión y medio ambiente Los avances que el hombre ha logrado para su bienestar, a partir del descubrimiento de los combustibles fósiles son indiscutibles y se pueden comprobar al estudiar la historia. Tampoco se puede desconocer el papel del trabajo y la mano del hombre en la transformación del mono en especie humana. La salud por ejemplo, sería imposible sin la presencia de los combustibles que permiten entre otros usos, la pasteurización y conservación de los alimentos y la obtención del alcohol antiséptico. Por lo tanto, no se pretende que el hombre retroceda y rechace el aprovechamiento de los recursos que han contribuido a la satisfacción de sus necesidades. Sin embargo, no se puede evadir la responsabilidad de pensar, que así como ha obtenido bene�cios del desarrollo, también ha ocasionado perjuicios que deben ser asumidos, porque signi�can la diferencia entre la perpetuidad y la extinción. Si se tiene en cuanta que la combustión produce emisiones que se descargan directamente a la atmósfera, es importante describir el per�l térmico de la misma. Básicamente está conformada por cuatro zonas ien de�nidas: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. En la troposfera la temperatura es inversamente proporcional a la altitud, al igual que en la mesosfera; en la estratosfera la relación entre la temperatura y la altitud es directamente proporcional, al igual que en la termosfera. Lo anterior indica que hay puntos de inversión térmica donde la temperatura de una parte de la atmósfera es inferior 18 Un sistema o proceso adiabático es aquel que no intercambia calor con el medio que lo rodea.
136
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
a la temperatura de la zona que está inmediatamente sobre ella. Esto permite concluir que no se presentan movimientos verticales del aire que involucren dos zonas consecutivas; esto se presenta porque la capa inferior tiene una temperatura menor lo que se traduce en una mayor densidad. La rugosidas de la super�cie terrestre y la rotación del planeta hacen que la primera capa de la atmósfera (troposfera) sea una verdadera zona de mezcla, lo que favorece un gran número de reacciones químicas. Cuando se presentan emisiones permanentes, cuando las condiciones atmosféricas son propicias y cuando se tiene tiempo de permanencia su�ciente, ocurren las reacciones que dan origen a compuestos secundarios. En ciudades de alta actividad industrial y/o alta densidad vehicula, se presentan altas concentraciones de gases y material particulado que “enrarecen” el aire; ahora, la radiación infraroja que emite la super�cie terrestre al enfriarse, es absorbida por los gases y partículas presentes en el aire lo que aumenta la temperatura del medio. Esto puede dar lugar al calentamiento de la parte baja de la troposfera, lo que se traduce en una inversión de temperatura a poca distancia del suelo. El “atrapamiento” de las masas de aire produce el incremento de los contaminantes en la atmósfera de tal modo que si la humedad ambiental es elevada, se favorece la formación de niebla o smog. Además de esto, la presencia de otros contaminantes como óxidos de azufre y de nitrógeno, lo mismo que compuestos orgánicos, generados todos, por la combustión de los combustibles fósiles usados en motores de explosión, calefacción e industrias, favorecen reacciones químicas que producen una variada cantidad de contaminantes atmosféricos. Debido al papel que juega la luz solar en la activación de todas las reacciones químicas en cuestión, se denomina smog fotoquímico. Lo expuesto con anterioridad demuestra que los combustibles fósiles generan problemas graves. El hombre no puede comprometer su “continuidad” como especie al no respetar las leyes de la naturaleza. Es fundamental que su crecimiento económico y su bienestar estén enmarcados dentro del concepto de P roducción Más Limpia. La PML alcanza cada vez mayor importancia a nivel internacional. Sus conceptos son tenidos en cuenta en muchas compañías de todo el mundo.
Fernando Méndez Delgado
137
Problemas resueltos 1. Calcular la cantidad de oxígeno requerido para la combustión completa de 500 toneladas de gas natural (CH4). Calcular la cantidad de CO 2 y de H2O producidos. CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O 16,01 64 44,01 36 16,01 ton CH4.................. 64 ton O 2 500 ton CH4 ................... X
X = 1.998,75 ton O 2
16,01 ton CH4....................44,01 ton CO 2 500 ton CH4.................... X X = 1.374,45 ton CO 2 16,01 ton CH4.................. 36 ton H 2O 500 ton CH4................... X
X = 1.124,3 ton H 2O
Materia que entra = (500 + 1998,75) ton Materia que sale = (1374,45 + 1124,3) ton =
= 2.498,75 ton 2.498,75 ton
Siempre, la masa que entra debe ser igual a la masa que sale.
2. Calcular la cantidad de aire requerido en el problema anterior, si éste tiene una composición en volumen de 80% de N2 y 20% de O2. Para los gases, la composición en volumen es igual a la composición molar. Para calcular la composición en peso se toman como base
100 moles de aire, pero se puede usar mol-g, mol-lb o mol-kg. El peso molecular del N2 es 28 y del O2 es 32. 80 mol-g N2 x 28 g/mol-g = 2.240 g de N2 20 mol-g O2 x 32 g/mol-g = 640 g de O2 Masa total = 2.880 g de aire % peso N2 % peso O2
= (2.240 / 2.880) x 100 = 100 - 77,78
1.998,75 ton O 2............... 22,22% X ............... 77,78%
= 77,78% = 22,22% X = 6.996,52 ton N 2
Aire = 1.998,75 + 6.996,52 = 8.995,27 ton 3. Calcular el nuevo balance del problema anterior. Masa que entra = 500 + 1.998,75 + 6.996,52 = 9.495,27 ton.
138
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Masa que sale
= 1.374,45 + 1.124,3 + 6.996,52 = 9.495,27 ton
500 ton CH4 1.998,75 ton O2 6.996,52 ton N2 ————————— 9.495,27 ton
1.374,45 ton CO 2 1.124,3 ton H2O 6.996,52 ton N 2
————————— 9.495,27 ton
4. Calcular la cantidad de oxígeno requerido para la combustión de 800 cilindros de gas líquido propano (C3H8) que se consumen mensualmente en una urbanización, si cada cilindro es de 100 libras. Las reacciones que ocurren tienen en cuenta que, el 90% del gas se oxida hasta combustión completa, mientras el resto del gas tiene combustión incompleta, según las siguientes reacciones: C3H8 44,03
+
5 O2 160
3 CO2 132,03
+
4 H2O 72
C3H8 44,03
+
3,5 O2 112
3 CO 84,03
+
4 H2O 72
Cantidad total de gas = Gas con combustión completa = Gas con combustión incompleta =
800 x 100 = 80.000 x 0,9 = 80.000 x 0,1 =
44,03 lb. C3H8............. 160 lb. O 2 72.000 lb. C3H8............. X
X = 261.639,79 lb O 2
44,03 lb C3H8.............. 8.000 lb C3H8.............
X = 20.349,76 lb O 2
112 lb O 2 X
80.000 lb 72.000 lb 8.000 lb
5. Calcular la cantidad de O2 requerido por libra de C3H8 en combustión completa y en combustión incompleta para el problema anterior. Igualmente, calcular la cantidad de O2 que se requiere para completar la combustión, por libra de C3H8. 160 lb O2 44,03 lb C3 H 8
Fernando Méndez Delgado
=
3,63
lb O2 lb C3 H 8
para combustión completa
139
112 lb O2 44,03 lb C3 H 8
=
2,54
lb O2 lb C3H 8
para combustión incompleta
Dé�cit de oxígeno = (3,63 –2,54) lb = 1,09 lb por cada libra de propano que no realizó la combustión completa. Dé�cit total = 1,09 x 8.000 = 8.720 lb 6. El carbón, usado como combustible en una industria química, tiene la siguiente composición en peso: Humedad (H2O) = 2,70% Hidrógeno = 5,20%
Cenizas =10% Azufre = 5%
Carbono = 77,1%
A la empresa, se le asigna como cuota ambiental , sembrar en arboles maderables nativos, una hectárea (100 árboles por hectárea), por cada 18 tonelada de CO2 que vierta anualmente al medio ambiente e instalar un equipo puri�cador, para que sus emisiones de SO2 sean solo del 10% del dióxido de azufre generado. Igualmente, solo puede emitir una cantidad de ceniza equivalente al 5% de la generada mensualmente. Para cumplir con esta exigencia, debe colocar un �ltro de mangas o unos ciclones con una e�ciencia mínima del 95%. El aire usado en la combustión tiene una composición en peso de 77,78% de N2 y 22,22% de O2. El equipo puri�cador de SO2 opera bajo el principio de convertir catalíticamente este óxido en SO3 y luego, en ácido sulfúrico, según las siguientes reacciones: SO2 + 64
0,5 O2 16
SO3 80
SO3 + 80
H2O 18
H2SO4 98
La empresa trabaja 10 meses al año y consume 100 toneladas de carbón al mes. Para garantizar combustión completa se utiliza un 20% en exceso sobre el aire teóricamente necesario. Se pregunta: a. El oxígeno consumido al mes. b. El aire consumido al mes. c. Las hectáreas que debe sembrar en el año. d. El ácido sulfúrico producido por mes, en el convertidor catalítico.
140
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
e. La ceniza recolectada por año. f. La cantidad de árboles que debe sembrar. a. Oxígeno consumido al mes.
Tomando como base para los cálculos un mes, se parte de 100 ton de carbón que es el consumo mensual de combustible y cuya composición es: Humedad (H2O) = 100 x 0,027 = 2,7 ton. Hidrógeno (H2) = 100 x 0,052 = 5,2 ton. Azufre (S) = 100 x 0,050 = 5,0 ton. Carbono (C) = 100 x 0,771 = 77,1 ton. Ceniza = 100 x 0,10 = 10,0 ton. Las reacciones que tienen lugar, hasta combustión completa, son: C 12
+
O2 32
CO2 44
S 32 H2 2
+
O2 32 0,5 O2 16
SO2 64 H2O 18
+
O2 consumido: 12 ton C............... 77,1 ton C................
32 ton O 2 X
X = 205,6 ton O 2
32 ton S................. 32 ton O 2 5 ton S ................ X
X = 5 ton O 2
2 ton H2.................. 16 ton O 2 5,2 ton H2............... X
X = 41,6 ton O 2
Total O2 = 205,6 + 5 + 41,6 = 252,2 ton. Esto sin contar el O 2 consumido en la oxidación del SO2 a SO3. b. Aire teórico consumido, al mes:
252,2 ........... 22,22% X ........... 77,78% X = 882,8 ton de N 2
Fernando Méndez Delgado
141
Aire teórico = 252,2 + 882,8 Aire en exceso = 1.135 x 0,2
= 1.135 ton = 227 ton
c. Hectáreas sembradas en el año:
CO2 producido: 12 ton C............ 77,1 ton C.............
44 ton CO2 X
X = 282,7 ton CO 2 /mes.
CO2 por año = 282,7 x 10 Ha sembradas en el año = 2.827 / 18
= 2.827 ton = 157 Ha
d. Acido sulfúrico producido por mes en el convertidor catalítico:
32 ton S................. 5 ton S...................
64 ton SO 2 X
X = 10 ton SO 2
el 90% de los gases de emisión se puri�ca y el 10% se bota al medio ambiente donde produce la lluvia ácida. 64 ton SO2............. 9 ton SO2 .............
80 ton SO 3 X
80 ton SO3............. 11,25 ton SO3.............
98 ton H 2SO4 X
X = 11,25 ton SO 3 X = 13,78 ton H 2SO4
El 10% del SO2, que no se recupera en el convertidor catalítico, va a la atmósfera como precursor de la lluvia ácida. En la atmósfera, la presencia de ozono (O3) puede oxidarlo, puesto que es un oxidante muy fuerte. Posteriormente, y en presencia de agua, se produce el ácido sulfúrico, que causa la lluvia ácida: SO2 SO3
+ +
O3 H2O
SO3 + O2 H2SO4
e. Ceniza recolectada por año:
10 x 0,95 x 10 = 95 ton de ceniza/año. La ceniza restante, que el �ltro no puede retener por falta de e�ciencia, equivalen a 5 ton al año y van directamente al medio ambiente, como partículas. f. Según la cuota ambiental debe sembrar 100 árboles por hectárea, por lo tanto:
142
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Arboles sembrados en el año= 100 x 157= 15.700. Estos, son los árboles que se encargarían de “capturar” el CO2 producido por la quema del carbón. El lector se puede preguntar, si estos árboles pueden generar la cantidad de oxígeno que se consumió en el proceso de combustión, para mantener el equilibrio del planeta. ¿Cuál sería su respuesta? ¿Qué información se requiere para contestar la pregunta sobre el equilibrio del planeta? 46,8 ton H2O 282,7 ton CO2 882,8 ton N2 227 ton Aire en exceso 0,5 ton ceniza 1 ton SO2 2,7 ton H2O
100 ton Carbón 1.135,01 ton aire teórico 227 ton aire en exceso
13,78 ton H2SO4
9 ton SO2 9,5 ton ceniza
2,25 ton O2 2,53 ton H2O 7. Calcular el calor de reacción a 25°C a partir de los calores de formación y de combustión, en la siguiente reacción: C2H5OH (l)
+
3 O2(g)
2 CO2 (g) + 3 H2O (l)
Los calores de formación son: CO2 (g) = -94.051,8 cal/mol-g O2 = 0
H2O (l) = -68.317,4 cal /mol-g
El calor de formación del alcohol (C2H5OH) se calcula por la Ecuación (3.9) o (3.10), donde el calor de combustión para el alcohol etílico en estado líquido es de: -326.700 cal/mol-g. Por lo tanto, el calor de formación del alcohol es: Hf =-(- 326.700)–94.051,8 x 2-34.158,7x6= -66.355,8 cal/mol-g
El calor de la reacción, a partir de los calores de formación es:
Fernando Méndez Delgado
143
Hr=2(-94.051,8)+3(-68.317,4)–(-66.355,8)=-326.700 cal/mol-g
Para la misma reacción, el calor de reacción teniendo en cuenta los calores de combustión, y sabiendo que el calor de combustión para el H2O (l) y CO2 (g) son cero, será: Hr = (- 326.700) – 2 (0) – 3 (0) Hr = - 326.700 cal/mol-g.
El mismo resultado se obtiene para el calor de reacción, usando los calores de formación o los calores de combustión. Los calores de formación y de combustión se obtienen de las Tablas N0 16 y N0 17, de los anexos, al �nal del libro. 8. Calcular la capacidad calorí�ca del aire y del dióxido de carbono en estado gaseoso, a una presión constante y un intervalo de temperatura entre 25 °C y 200 °C. Cp = a +
b ( T2 + T1 ) 2
2
+
c ( T2
2
+ T1 T2 + T1 ) 3
La T en Kelvin
Las constantes para el aire y el CO2, Tabla N0 8, en los anexos al �nal del libro, son: Aire: a = CO2: a =
6,386 b = 1,762 x 10- 3 c = - 0,2656 x 10- 6 6,339 b = 10,14 x 10- 3 c = - 3,415 x 10- 6
El Cp del aire tiene un valor de 7,025 cal/mol-g K, con estas constantes. El valor de Cp para el aire se puede encontrar, también, entre una temperatura de 25 °C y otro valor cualquiera, usando la Tabla N0 13 de los anexos al �nal del libro. El valor obtenido por esta tabla es de 7,021 cal/mol-g K. Ahora, para el CO2 el valor calculado mediante fórmula, es de 9,989 cal/mol-g K, mientras que por la Tabla N 0 13 es de 9,701 cal/mol-g K. 9. Calcular la capacidad calorí�ca del jugo de naranja si su porcentaje en peso de agua es del 95%. De acuerdo con Ecuación (3. 6): C p = 1,675 + 0,025 x 95 = 4,05
144
kj kg
0
C
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
10. Calcular la capacidad calorí�ca del pimentón, si su composición en porcentaje en peso es: agua 95%, carbohidratos 1,2%, grasa 0,8%, ceniza 2%, proteína 1%. De acuerdo con Ecuación (3.7): CP = 1,424 x 0,012 + 1,549 x 0,01 + 1,675 x 0,008 + 0,837 x 0,02 + 4,187x 0,95 C p = 4,04
kj kg
0
C
11. Para el proceso de escaldado de fruta se usa agua a 80°C. Calcular la cantidad de calor que se debe agregar a 6.000 kg/h de agua para calentarla, a presión constante, si en la zona donde está ubicada la planta industrial el agua usada en el proceso tiene una temperatura de 30°C. Tomar como base de cálculo una (1) hora. Q = m. CP. T. La capacidad calorí�ca del agua, según la Tabla N0 10, de los anexos al �nal del libro, es 18,054 cal/mol-g 0C. La masa de agua es de 6.000 kg, que equivalen a 6’000.000 g y a 333.333,33 mol-g. Q=
333.333,33 mol - g h
x
18,054 cal mol - g
0
C
0
(80 - 30 ) C = 300'899.997
cal h
12. Gas metano (CH4) se usa como combustible en una caldera pirotubular; como comburente se usa aire húmedo de composición molar 20% de O2 y 80% de N2. El metano entra a la caldera a una temperatura de bulbo seco de 100 0C mientras que el aire entra a 200 0C; los gases de combustión se descargan al medio ambiente por la chimenea a una temperatura de 300 0C. El aire se usa en la combustión con un exceso del 10% sobre el teóricamente necesario y tiene una humedad absoluta de 30 gramos de agua por cada kilogramo de aire seco. Si a la caldera entran 100 mol-gramos de metano por hora, se pide: a. Realizar el balance de materia y demostrar que la masa que entra es igual a la masa que sale. b. Calcular la energía que entra al sistema de combustión con el metano y el aire.
Fernando Méndez Delgado
145
c. Determinar la energía que sale del sistema de combustión con los gases de chimenea. d. Calcular la energía que se trans�ere al agua para producir vapor saturado si se tienen unas pérdidas del 10% respecto a la energía que sale con los gases de combustión. CH4 (g) + 2 O2 (g)
CO2 (g) + 2 H2O (g)
B. C. = 1 hora a. Balance de materia.
1 mol-g CH4 ……………. 2 mol-g O2 100 ……………. X
X = 200 mol-g O2
200 mol-g …………………. 100% X …………………. 10%
X = 20 mol-g O2
O2 Total = 200 + 20 = 220 mol-g 220 ………………………. 20% X ……………………….. 80%
X = 800 mol-g N2
Aire seco = 220 + 800 = 1020 mol-g. Peso molecular medio del aire seco = 28 g/mol-g. Masa de aire seco = 1020 mol-g x 28 g/mol-g = 28.560 g = 28,56 kg. Humedad del aire: 1 kg aire seco ……… 30 g de H2O 28,56 kg aire seco …. X X = 856,8 g H2O = 47,6 mol-g. CO2 producido: 1 mol-g CH4 …………. 1 mol-g CO2 100 mol-g CH4 ………... X X = 100 mol-g CO2 H2O producido: 1 mol-g CH4 ………………. 2 mol-g H2O 100 mol-g CH4 ……………. X X = 200 mol-g H2O Balance de masa: Entra
146
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
CH4 O2 N2 H2O Total Sale O2 N2 H2O H2O CO2 Total
= = = =
100 mol-g 220 mol-g 800 mol-g 47,6 mol-g
= 1.600 g = 7.040 g = 22.400 g = 856.8 g 31.896,8 g
= = = = =
20 mol-g 800 mol-g 47,6 mol-g 200 mol-g 100 mol-g
= = = = =
640 mol-g 22.400 g 856,8 g 3.600 g 4.400 g 31.896,8 g
b. Energía de entrada
Es la energía que entra con el combustible (CH4) y el comburente (Aire). Con el combustible entra energía sensible y energía química. Con el comburente entra energía sensible. Combustible: H1 = m.Cp.ΔT H1 = 100 mol-g x 8,98 cal/mol-g.K x (373 – 298) K = 67.350 cal. H2 = m. H2 = 212.798 cal/mol-g x 100 mol-g = 21´279.800 cal. Comburente: O2: H3 = 220 mol-g x 7,181 cal/mol-g.K x (473 -298) K = 276.468,5 cal. N2: H4 = 800 mol-g x 6,996 cal/mol-g.K x (473 – 298) K = 979.440 cal. H2O: H5 = 47,6 mol-g x 8,177 cal/mol-g.K x (473 – 298) K = 68.114,41 cal. Total energía de entrada = 67.350 + 21´279.800 + 276.468,5 + 979.440 + 68.114,41 Total energía de entrada = 22´671.172,91 cal. c. Energía de salida
Es la energía que sale por la chimenea con los gases de combustión. Sale energía sensible. O2 en exceso: 20 mol-g x 7,293 cal/mol-g.K x (573 – 298) K = 40.111,5 cal.
Fernando Méndez Delgado
147
N2: 800 mol-g x 7,036 cal/mol-g.K x (573 – 298) K = 1´547.920 cal. H2O: 247,6 mol-g x 8,215 cal/mol-g.K x (573 – 298) K = 559.359,35 cal. CO2: 100 mol-g x 10,108 cal/mol-g.K x (573 – 298) K = 277.970 cal. Total energía con los gases de combustión = 40.111,5 + 1´547.920 + 559.359,35 + 277.970 Total energía con los gases de combustión = 2´425.360,85 cal. Energía perdida = 2´425.360,85 x 0,1 = 242.536,08 cal. d. Energía transferida al agua para producción de vapor.
H = 22´671.172,91 cal - 2´425.360,85 cal - 242.536,08 cal = 20´003.275,98 cal. 13. En la industria licorera se usa la melaza o miel de purga como materia prima para la obtención de alcohol etílico. El proceso básico es la fermentación con levadura en sistema continuo, aunque se puede realizar por cochadas o en sistema semicontinuo. El producto de la fermentación (guarapo) es sometido a un proceso de destilación en el que se utiliza una columna de destilación para separar todos los volátiles de la fracción pesada y tres sistemas de puri�cación que comprenden: una columna hidroselectora, una columna recti�cadora y una columna puri�cadora de metanol. En la destrozadora, la fracción pesada, denominada vinaza, sale en una proporción de 12 litros de vinaza por cada litro de alcohol de 96% en volumen y a una temperatura de 80 °C. Calcular la cantidad de energía que se puede recuperar de las vinazas obtenidas en una destilería que produce 60.000 litros de alcohol de 96% (vol.) por día y que espera cumplir con lo estipulado en el Decreto 1594 del medio ambiente que señala un máximo de 40 °C en los vertimientos. Al tomar un (1) día, como base de cálculo para desarrollar el problema, la cantidad de vinaza que se genera es: 60.000 x 12 = 720.000 litros. Al realizar una caracterización de las vinazas producidas al destilar el guarapo, se concluye que éstas tienen una capacidad calorí�ca similar a la del agua; por lo tanto, se puede tomar el valor del calor especí�co del agua, con un margen de error poco signi�cativo. De la Tabla N0 10,
148
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
en los anexos al �nal del libro, se encuentra que el calor especí�co del agua tiene un valor de 1,004 cal/g 0C. La densidad del agua se estima a una temperatura promedio entre la temperatura de entrada 80°C y la temperatura de salida 40°C; es decir 60 °C. De acuerdo con lo anterior, la energía que se puede recuperar por día es: Q = m CP (T 2 – T1) Q = 720.000 L
0,983 kg 1,004 cal 1.000 g 0
L
C
kg
0
10
(80 - 40) C = 2,84 x 10
cal .
14. Desde el punto de vista �nanciero y ambiental, es conveniente recuperar la energía que se va a “botar” en los gases de combustión o en los vertimientos. Calcular, a cuanto combustible equivale la energía que se recupera, si se asume que el combustible que se empleó en la industria licorera fue: a. Carbón mineral. b. Crudo de castilla. c. Cascarilla de arroz. Para cada uno de los combustibles, el poder calorí�co que se usa como punto de referencia, para establecer la comparación es: Carbón mineral = 24.200 BTU/kg Crudo de castilla = 152.000 BTU/gal Cascarilla de arroz = 14,5 MJ/kg = 14,5 x 106 julio/kg Por lo tanto: 2,84 x 10
10
2,84 x 10
10
1 BTU
cal
252 cal
cal
= 11,27 x 10
4,184 Julios 1 cal
7
BTU
= 11,88 x 10
10
Julios
El combustible recuperado, analizando cada uno de ellos, es: 7
a)
11,27 x 10 BTU 24.200
Fernando Méndez Delgado
BTU
=
4.657,02
kg de Carbón día
kg
149
7
b)
11,27 x 10 BTU 152.000
c)
11,88 x 10 6
14,5 x10
BTU
=
741,45
de crudo día
gal . 10
Julios
Julios
=
8.193 ,10
kg de cascarilla día
kg .
Si las cantidades obtenidas de cada combustible se multiplican por el precio unitario, se puede calcular la cantidad de dinero que se recupera. Para su aplicación en la industria, se debe realizar un análisis �nanciero que permita justi�car o no la inversión, porque para recuperar esa energía se requiere de una infraestructura: tubería, válvulas, intercambiadores de calor y otros accesorios, además de la mano de obra. Desde el punto de vista ambiental, se tiene una cantidad de combustible que no es necesario extraer de la tierra evitando la contaminación y los gastos que se ocasionan por su exploración, extracción, transporte, puri�cación del mismo y transporte del producto �nal. En el caso de la cascarilla, por ejemplo, se convierte en un recurso importante al considerarla dentro de la cadena productiva del arroz, como subproducto que abastece de energía al mismo molino donde se trilla el arroz y donde se puede comercializar los sobrantes como combustible. Otra buena alternativa para la cascarilla de arroz es su uso en los hornos de las plantas de cemento a los que puede aportar energía y sílice, lo que signi�ca un gran negocio para las dos industrias: cementera y molinera. Adicional a todo esto, también desde el punto de vista ambiental, se evitan los problemas con las Corporaciones Autónomas Regionales en virtud del cumplimiento del Decreto 1594 ya que descargas por encima de 40 °C son consideradas contaminación térmica por todos los daños que causan al ecosistema. 15. El jugo de naranja se obtiene a partir de la fruta fresca con un rendimiento del 25% en peso con relación a la fruta. Para la producción de jugo concentrado al 55% en peso de sólidos solubles se usa jugo recién extraído de la fruta, con 10% de sólidos solubles. Para la concentración se somete a evaporación sólo una parte del jugo, con el �n de conservar sus propiedades organolépticas, tan importantes para su
150
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
comercialización. Del evaporador sale el jugo con una concentración del 65% en peso de sólidos solubles, de tal suerte que al mezclarse con la corriente derivada, que no entró al evaporador, se obtenga la concentración �nal deseada. El equipo de evaporación opera a una presión absoluta de 1,3 atmósferas y recibe el jugo a 25°C. Si se utilizan 4.000 kg/h de naranjas en el proceso, y se usa una (1) hora como base de cálculo, se quiere calcular: a. Masa de residuos sólidos generados por día. b. Agua evaporada por día. c. Jugo que entra al evaporador. d. Jugo derivado. e. Jugo que sale del evaporador. f. Producto �nal. g. Calor que se debe agregar en el evaporador. h. Capacidad de la caldera que se puede usar en el proceso. i. Principales índices unitarios de producción. j.Principales índices unitarios ambientales. M5 M2
M1
M4
M7
I
II
M8
M3 M6
M1 = Fruta alimentada al proceso. M3 = Residuos sólidos generados. M5 = Agua evaporada. M7 = Jugo concentrado.
M2 = Jugo extraído. M4 = Jugo a evaporar. M6 = Jugo derivado. M8 = Producto �nal.
I = Extractor II = Evaporador. M1= 4.000 kg. M2 = 0,25 M1 = 0,25 x 4.000 = 1.000 kg M3 = M1 – M2 = 4.000 – 1.000 = 3.000 kg Balance en II
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151
Total: Sólidos solubles: Agua: De donde
M2 0,1M2 0,9M2 M8
= M5 + M8 = 0,55M8 = M5 + 0,45M8 =181,82 kgM5 = 818,18 kg
En el punto de mezcla, a la salida del evaporador: Total: Sólidos solubles: Agua: De donde:
M6 + M7 = M8 0,1M6 + 0,65M7 = 0,55M8 0,9M6 + 0,35M7 = 0,45M8 M6 = 33,05 kg M7 = 148,77 kg
En la derivación: M2 = M4 + M6 De donde: M4 = 966,95 kg a. 3.000 kg b. 818,18 kg c. 966,95 kg d. 33,05 kg e. 148,77 kg f. 181,82 kg g. El calor que se debe agregar al evaporador, con una e�ciencia del 100%, es el calor que se requiere para calentar el jugo desde 20 0C hasta la temperatura de saturación a 1,3 atmósferas, más el calor necesario para evaporar las 818,18 kg de agua. La temperatura de saturación a 1,3 atmósferas de la Tabla N0 22, en los anexos al �nal del libro, es 107 °C y el calor de vaporización a esa temperatura y presión es de 533 kcal/kg. La capacidad calorí�ca del jugo de naranja, con 10% de sólidos solubles, se puede calcular mediante la ecuación (3.6) y es igual a 0,938 kcal/kg. 0C. Entonces: Calor = 966,95 kg x 0,938
kcal o
kg C
o
(107- 20) C+ 818,18 kcal x 533
kcal kg
= 514.998 ,94 kcal
h. La capacidad de la caldera depende del tipo de vapor que se va a producir. Si se va a producir vapor saturado a 160°C y 6,1 atmósferas, entonces el vapor requerido por hora, con un valor de 496,5 kcal/kg es: 514.998,94 kcal/496,5 kcal/kg = 1.037,3 kg de vapor por hora.
152
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Si se supone una e�ciencia del 30%, incluyendo un margen de seguridad se tiene: Capacidad de la caldera: 1.037,3 x 1,3 = 1.349 kg de vapor por hora. i M8/M1 y M8/M2 son los principales indicadores unitarios de producción. M8/M1 = 0,045 kg. de producto/kg de fruta o materia prima. M8/M2 = 0,18 kg. de producto/kg de jugo. j. M3/M8, M3/M1, M5/M1 y M5/M8 son los principales indicadores unitarios ambientales. M3/M8 = 16,5 kg de residuos/kg de producto. M5/M8 = 4,5 kg de agua evaporada/kg de producto. M3/M1 = 0,75 kg de residuos/kg de materia prima. M5/M1 = 0,2 kg de agua evaporada/kg de materia prima.
Ejercicios propuestos 1. ¿Qué clase de energía se consume en su hogar? ¿De dónde proviene? 2. ¿Qué clase de energía se consume en el desplazamiento desde su hogar hasta su empresa o universidad? ¿En qué unidades se mide ese consumo energético? ¿Va a pie, en bicicleta, en moto o en carro? 3. ¿Qué diferencia existe entre la generación de la energía por termoeléctrica y la generación por hidroeléctrica? 4. ¿Qué tipo de impacto ambiental se causa al medio ambiente al generar por termoeléctrica y al generar por hidroeléctrica? ¿Cuál es su balance? ¿Cuál método causa menos contaminación? 5. ¿Qué tipo de energía consume una industria? ¿Por qué requiere de energía la industria? ¿Por qué requiere de energía una ciudad?. ¿En qué se consume la energía en una ciudad? 6. ¿Qué es energía eólica, solar, neptúnica y geotérmica? ¿En qué se diferencian de la energía química almacenada en los combustibles fósiles? 7. ¿Qué relación tienen la fotosíntesis, la combustión y la respiración? Explique su respuesta. 8. ¿Qué es el efecto de invernadero y qué relación tiene con la combustión y la deforestación?
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153
9. La cascarilla de arroz, el aserrín de madera, la cascarilla de café y el papel periódico se pueden usar como combustibles. ¿Cómo se explica que todos ellos tienen energía para extraer? ¿De donde proviene esa energía? 10. Calcular el calor especí�co del agua, aire, dióxido de carbono y metano (todos en estado gaseoso) entre 25°C y 400 °C. Calcular el calor especí�co entre 80 °C y 300 °C para los mismos gases. 11. Calcular la cantidad teórica de aire de composición molar 21% de O2 y 79% de N2 necesario para la combustión de 300 toneladas de propano (C3H8). Calcular la cantidad de gases de combustión. Suponer combustión completa. 12. Gas natural, a una temperatura de 200°C, se somete a un proceso de combustión usando como comburente aire de composición molar 21% de O2 y 79% de N2. Los gases de la combustión salen a una temperatura de 350 °C. Calcular el calor transferido al agua si se someten a combustión 0,5 kg/h de gas y se usa 40% en exceso de aire para garantizar combustión completa. 13. Calcular la temperatura a la que salen los gases producto de la combustión de H2 en estado gaseoso si se usa aire con un exceso del 50% sobre el teórico necesario. El H2 entra al quemador a una temperatura de 350 °C, lo mismo que el aire y se presenta combustión completa. Suponer un proceso adiabático (no hay pérdidas de calor) y una composición molar del aire de 21% de O2 y 79% de N2. 14. Calcular la temperatura a la que salen los gases de la combustión de 2 kg/h de alcohol etílico (C2H5OH) en estado líquido. El alcohol entra al proceso de combustión a una temperatura de 30°C y se presenta combustión completa usando aire, de composición molar 21% de O2 y 79% de N2, en un 50% en exceso. El proceso es adiabático. 15. Calcular la temperatura a la que salen los gases de combustión del problema anterior, suponiendo las mismas condiciones, excepto que el proceso no es adiabático y que las pérdidas al medio ambiente son el 30% del calor de reacción del alcohol a 25°C. 16. En la industria textilera se usa carbón mineral con la siguiente composición en peso: Carbono = 65% Hidrógeno = 4% Agua = 10% Azufre = 2% Ceniza = 19%
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Como comburente se usa aire de composición molar 21% de O2 y 79% de N2. Las reacciones de combustión son las siguientes: C 2 H2 S
+ + +
O2 .................. O2.................. O2..................
CO 2 2 H 2O SO 2
En el proceso atmosférico el óxido de azufre experimenta las siguientes reacciones: 2 SO2 + O2................... 2 SO 3 SO3 + H2O................. H 2SO4 El ácido sulfúrico formado es disuelto por el agua atmosférica y cae como lluvia ácida. Calcular la cantidad de aire, los gases de combustión y la cantidad de ácido sulfúrico que puede caer con la lluvia sobre la super�cie terrestre, producto de la combustión de 5.000 toneladas de carbón al año. 17. Aparte del ácido sulfúrico, que otro ácido inducido por la combustión de combustibles fósiles puede presentarse en la lluvia ácida. 18. ¿Qué se puede hacer con los combustibles fósiles que presentan altos contenidos de azufre en su composición? 19. ¿Qué piensa usted del uso de la madera y del alcohol obtenido por fermentación del jugo de caña como combustibles, sustituyendo a los combustibles fósiles? Recuerde que, con la tecnología actual, por cada litro de alcohol etílico obtenido por fermentación, se generan 12 litros de aguas residuales contaminadas. ¿La tecnología o la Producción Más Limpia pueden ayudar? 20. ¿Qué relación encuentra entre crecimiento económico de un país, consumo de combustibles fósiles y la contaminación ambiental? Discuta esto con sus compañeros y busque los aspectos positivos y negativos. 21. ¿Cuál es el proceso para obtener la miel de caña que se usará como materia prima en la obtención del alcohol? ¿Consume mucha energía? ¿Es un proceso contaminante? ¿Qué operaciones unitarias y procesos unitarios conforman el proceso para la obtención del alcohol carburante? ¿El proceso de obtención de alcohol es contaminante? ¿Qué futuro tiene el uso del alcohol etílico obtenido por fermentación del jugo de la caña de azúcar y posterior destilación?
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Bibliografía CÄRDENAS Támara, Felipe. Gestión Ambiental Dinámica Integral . Ministerio del Medio Ambiente, Bogtá (Colombia). 2.002 EPSTEIN Marc, J. El Desempeño Ambiental de la Empresa . ECOE EDICIONES, Bogotá (Colombia). 2.000 HENRY, J. Glynn. Ingeniería Ambiental . Editorial Prentice Hall, Ciudad de México (México). 1.999 INSTITUTO AMERICANO DE COOPERACIÓN PARA LA AGRICULTURA. Convenio Regional para la Competitividad de la cadena Arroz-Molinería del Tolima, Bogotá (Colombia). 2.000 KERN, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Editorial CECSA, Ciudad de México (México). 1.990 Mc Cabe/Smith. Operaciones Básicas de Ingeniería Química . Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.978 MORRISON y BOYD. Química Orgánica. Fondo Educativo Interamericano, Ciudad de México (México). 1.985 REKLAITIS, G. V. Balances de Materia y Energía. Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.989 RODRIGUEZ de Stouvenel, Aída. Tratamientos térmicos. Universidad del Valle, Cali. 1.990 SAWYER, Clair N. Química para Ingeniería Ambiental. Mc Grw-Hill, Bogotá (Colombia). 2.001 VASQUEZ Torre, Guadalupe Ana María. Ecología y Formación Ambiental . Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.996 WATSON Ragatz, Hougen. Principios de los Procesos Químicos. Balances de Materia y Energía. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.976 WELTY, James R. Transferencia de Calor Aplicada a la Ingeniería . Editorial Limusa, Ciudad de México (México). 1.978 WHITTEN. DAVIS. PECK. Química General . Editorial Mc Graw-Hill, Madrid (España). 1.998
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Capítulo
4 Operaciones y procesos unitarios Como se dijo anteriormente, los procesos productivos están constituidos por etapas dentro de las cuales se encuentran las operaciones unitarias y los procesos unitarios. Estas operaciones unitarias y procesos unitarios son para los procesos productivos como los eslabones son para las cadenas. En la operación unitaria se realizan transformaciones de carácter físico (destilación, �ltración, etc.), mientras que en el proceso unitario se realizan transformaciones de carácter químico o bioquímico (fermentación, hidrogenación, hidrólisis, combustión, etc.). Sin ningún temor a equivocaciones, comprender cada operación unitaria y cada proceso unitario es la clave para analizar y manejar los procesos productivos de una manera efectiva. El temor a manejar los procesos productivos se disipa cuando se entiende lo que pasa al interior de cada equipo que compone el proceso; es decir, cuando se tiene claridad sobre el como y el porqué. Muchas de las operaciones unitarias se usan a nivel industrial para separar sustancias que por condiciones de manejo o proceso se han mezclado, lo que implica concentrar o puri�car, como es el caso de la centrifugación, la destilación, o el tamizado, por ejemplo. En otros casos se puede presentar la operación para integrar y homogeneizar, como se presenta en la agitación o en la mezcla. Los procesos unitarios se usan a nivel industrial para obtener sustancias que no están en las materias primas, como en la fermentación con el alcohol obtenido a partir de azúcar. También se pueden usar los procesos unitarios para liberar la energía almacenada químicamente, como en la combustión. Quien diseña un proceso tiene la alternativa de poder reemplazar operaciones unitarias dado que pueden cumplir la misma función, solo que depende de las características físicas y químicas de las sustancias que esté manejando (centrifugación, �ltración y sedimentación, por ejemplo). En las operaciones de separación el ingeniero
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157
debe tener claro que siempre hay una corriente que interesa más que las otras, dado el objetivo de la operación; sin embargo, todas las corrientes interesan ya sea como subproducto o como residuo contaminante lo que puede llegar a causar muchos problemas. Los residuos contaminantes y problemáticos y en concordancia con la Producción Más Limpia, pueden convertirse en una buena oportunidad, como coproductos; por ejemplo, las cáscaras de huevo y la gallinaza, que anteriormente eran un problema, hoy se aprovechan como fuente de calcio, la primera, y como materia prima para producir compost, la segunda. Teniendo en cuenta que en algunas ocasiones no existe un límite de�nido entre operación unitaria y proceso unitario, y con el �n de tener claridad sobre el principio que gobierna la operación, los procesos donde se puede utilizar como tal y los equipos usados, además de los problemas que se pueden presentar en el momento de su operación, a continuación se estudiarán las operaciones unitarias más representativas.
4.1. Operaciones Unitarias 4.1.1. Absorción. Es una operación unitaria en la cual se pone en contacto una
mezcla gaseosa con un líquido, con el �n de retirar uno o más componentes de la mezcla gaseosa hacia el líquido y, así, obtener una solución de éstos en el líquido. El principio de esta operación de separación es la solubilidad del gas en el líquido. Como ejemplo, se tiene la separación del amoniaco presente en el gas proveniente de un horno de coquización; otro ejemplo, es la separación del alcohol etílico presente en el gas proveniente de los tanques de fermentación (el CO2 al separarse arrastra alcohol). El agua es, por supuesto, el solvente más económico y el más abundante (por ahora), aunque se deben tener en cuenta las siguientes características al momento de elegir el solvente: solubilidad gaseosa alta lo que signi�ca menos solvente usado por unidad de gas disuelto o separado, volatilidad baja (presión de vapor baja) para evitar fugas o pérdidas en la corriente gaseosa, efecto corrosivo bajo para que los equipos sean construidos con materiales comunes y por tanto económicos, bajo costo, baja viscosidad para una velocidad de absorción alta, no tóxico para usar esta operación en alimentos, no in�amable por seguridad y, químicamente estable. Generalmente, los contaminantes del aire, aún en la fuente, se encuentran en concentraciones relativamente bajas por los volúmenes tan grandes del gas (aire) que los transporta. Después de la emisión (expulsión), los gases y partículas
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
contaminantes experimentan una disolución posterior, haciendo pertinente el control antes de la emisión. Un método para controlar la contaminación del aire y que siempre se debe tener en cuenta como alternativa, es cambiar las condiciones de operación de la planta o cambiar las materias primas hasta donde se pueda, para eliminar o disminuir la contaminación. Sin embargo, si esto no es posible, una de las formas de “controlar” los contaminantes gaseosos presentes en gases es removiéndolos hacia una corriente líquida (absorción), donde se retengan en forma preferencial. La absorción de un gas en un líquido es una operación estándar de ingeniería química que puede ser usada en los procesos industriales como tal, o puede ser usada en los sistemas para descontaminar. El equipo usado para esta operación es básicamente un tanque, generalmente con forma de columna, que facilita el contacto íntimo entre el gas y el líquido. La columna o tanque puede tener en su interior un relleno o platos perforados como se muestra en el grá�co siguiente:
(A)
Figura 4.1. Columna de platos (A). Columna rellena (B).
(B)
El relleno usado es un sólido que garantiza una super�cie de contacto grande entre el líquido y el gas. Normalmente tienen forma de montura (como una silla para montar a caballo), forma de anillo o de esfera. El sentido del �ujo dentro del equipo puede ser en contracorriente, como se muestra en la �gura anterior, en paralelo o en contracorriente-corrientes paralelas como se muestra en la �gura siguiente.
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159
líquido
gas
(A)
(B)
Figura 4.2. Flujo en paralelo (A) y contracorriente-corrientes paralelas(B).
El tamaño del equipo (columna) depurador de gases y su efectividad son función de parámetros como la super�cie de contacto entre el líquido y el gas, la temperatura, el tiempo de contacto y la selectividad que desplaza el gas hacia el líquido la cual depende de la naturaleza química y de las concentraciones. Cuando se quema carbón o cualquier combustible que tenga azufre se va a producir dióxido de azufre (SO2), el cual es precursor de la lluvia ácida ya que se puede llegar a convertir en ácido sulfúrico, incrementando la acidéz del agua; en este caso la industria puede emprender acciones de descontaminación usando la absorción para lo cual se puede usar una solución alcalina como la del amoníaco, donde el SO2 es muy soluble. Es importante tener en cuenta que la solubilidad del gas en el líquido depende de la concentración de dicho gas en la corriente gaseosa y en el líquido; y que disminuye cuando el líquido se acerca al punto de saturación con el gas. La selección del líquido o solvente a usar en un sistema depurador de gases mediante la operación de absorción debe tener en cuenta las recomendaciones hechas con anterioridad; sin embargo como punto de referencia se pueden usar las siguientes combinaciones: agua para retirar ácido clorhídrico y amoníaco, ácido sulfúrico para retirar amoníaco, soluciones de metil y etil amina para retirar ácido sulfhídrico, soluciones de sul�to de sodio y pastas aguadas de caliza para retirar ácido sulfúrico, agua para retirar cloro de mezclas cloro-aire,
160
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
hexano para retirar etano, y en general, se puede a�rmar que los solventes de naturaleza química similar al soluto a absorber dan una buena solubilidad1. Los gases recolectados en algunos de los ejemplos anteriormente mencionados, con frecuencia se separan de la fase líquida usando calentamiento, directo o indirecto, obteniéndose un producto más concentrado. EL ingeniero se debe preguntar ¿cuál es la corriente que interesa en el proceso?, ¿la solución líquida?, ¿la corriente gaseosa?, ¿las dos?. Esto es relativo, es decir: depende del valor asignado a cada corriente. Sin embargo, desde el punto de vista productivo y ambiental, “siempre” interesan ambas corrientes. 4.1.2. Adsorción. Es una operación en la cual se pone en contacto un sólido
con un �uido (líquido o gas) con el �n de retener uno o más componentes del �uido. En esta operación se saca partido de la capacidad de ciertos sólidos de extraer de una manera selectiva determinadas sustancias de una solución líquida o gaseosa, es decir, dando un �ujo de materia desde el �uido hacia el sólido. El sólido se denomina adsorvente y el soluto a adsorber se denomina adsorbato. En general se puede decir que el material absorbido se disuelve hacia adentro del material absorbente mientras que el material adsorbido se �ja sobre la super�cie del sólido. Como ejemplo se tiene el retirar la humedad del aire, eliminar los olores e impurezas indeseables de los gases industriales, recuperar vapores valiosos, fraccionar mezclas de hidrocarburos gaseosos, extraer la humedad presente en la gasolina, decolorar soluciones de azúcar, eliminar el olor y el sabor objetable del agua y blanquear aceites vegetales, entre otros. En muchas ocasiones el amable lector se habrá interrogado sobre la presencia de un “pedazo” de carbón en la nevera: ¿Cual será el objetivo? El principio de la separación depende del tipo de adsorción que se esté realizando: puede ser adsorción física o adsorción química (quimioadsorción). La adsorción física es el resultado de las fuerzas de atracción intermolecular que se presenta entre las moléculas de un sólido y las moléculas de la sustancia adsorbida, mientras que la adsorción química es el resultado de la interacción química entre el sólido y la sustancia adsorbida. La adsorción física es “fácilmente” reversible mientras que la fuerza adhesiva es generalmente mucho más grande en la adsorción química, siendo “difícilmente” reversible, pero posible. Existen 1
STRAUSS, W. y MAINWARING, S. J. Contaminación del Aire: Causas, Efectos y Soluciones. Editorial Trillas. 1997
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161
casos como en la regeneración de la resinas para ablandamiento o desmineralización del agua donde es “fácilmente” reversible. La mayoría de los sólidos tienen la propiedad de adsorber gases y vapores, pero solo ciertos sólidos tienen la capacidad de adsorber cantidades signi�cativas como para ser tenidos en cuenta a nivel industrial, aquí es importante su naturaleza química y su super�cie por unidad de peso (el carbón de leña puede alcanzar 1’000.000 m2/kg). Los siguientes son los principales sólidos adsorbentes usados a nivel industrial: tierras de fuller (arcillas naturales o silicatos que se calientan y secan para que adquieran una estructura porosa), arcillas activadas (tratadas con ácidos), bauxita o alúmina (óxidos de aluminio), hueso carbonizado, carbones decolorantes, sílica gel (silicato de sodio), resinas sintéticas, etc. Como equipo para realizar la operación se puede usar un tanque con un falso fondo que soporta el sólido, de tal suerte que permita el contacto íntimo de éste con el �uido (algo parecido a una torre empacada para absorción) y permita una fácil percolación. Como el sólido se satura, se debe tener en cuenta cuál es su capacidad de retención y la forma como se puede regenerar, si es que resulta más económico regenerarlo que volverlo a comprar. Si es adsorción física, el sólido se puede regenerar con vapor de agua a alta presión; si es química, entonces se debe usar una sustancia especí�ca: para resinas que retiran la dureza del agua se usa cloruro de sodio en solución, mientras que para resinas que retiran minerales se usa un ácido y una base en solución respectivamente, por ejemplo. A continuación se muestra la reacción para la adsorción química y la regeneración al quitar la dureza del agua, entendiendo por dureza la presencia de sales de calcio y magnesio: 2R-Na + CaSO4 R2–Ca + Na2SO4 (Adsorción)
(4.1)
R2-Ca + 2 NaCl 2R-Na + CaCl2 (Regeneración)
(4.2)
R-Na es el sólido que realiza la adsorción química intercambiando el ión Na+ por el Ca++ y luego, al regenerarse con NaCl, vuelve a su forma inicial R-Na. Este tema se profundiza en el capítulo de tratamiento de aguas para la industria, en el tomo II. Lamentablemente, en muchas industrias no se usa correctamente esta operación debido a la ignorancia o al “facilismo” de las personas encargadas del proceso. Estas no realizan oportunamente la operación de regeneración del
162
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
sólido usado, una vez saturado, distorsionando el concepto de la operación como tal, especialmente en el caso del carbón empleado en plantas de tratamiento de aguas para caldera. Efectivamente, el carbón se encuentra dentro del equipo de adsorción, pero no está realizando la separación respectiva de adsorción ya que no se regenera una vez se ha saturado. En las plantas de tratamiento de agua donde se adiciona cloro al inicio del mismo para facilitar la clari�cación, el carbón de los �ltros puede almacenar materia orgánica que con el cloro puede reaccionar y formar compuestos organoclorados peligrosos. El siguiente esquema muestra la forma como se dispone la operación de adsorción en los sistemas de tratamiento de agua a nivel industrial. Es un sistema que opera en serie primero con un �ltro de arena, seguido del equipo de adsorción física con carbón y por último, la adsorción química reversible mediante intercambio ionico. El primero retira material suspendido y los otros dos, retiran sustancias disueltas que posteriormente, cuando los equipos se saturan, son retiradas mediante un proceso de regeneración. Agua
Arena
Carbón
Resina
Agua Figura 4.3. Sistema industrial de tratamiento de agua en se rie: �ltro de arena, adsorción física con carbón y adsorción química con resinas sintéticas.
Desde el punto de vista ambiental, esta operación puede ser usada para retener olores objetables al medio, igualmente para retener sustancias tóxicas. Sin embargo, se debe pensar que una vez el sólido ha retenido la sustancia ob jetable, éste se convierte en un problema puesto que lo que realmente se hizo fue trasvasar la sustancia contaminante del �uido al sólido. Ahora la pregunta es ¿Qué se hace con el sólido? ¿Dónde se dispone para que no cause problemas? Es importante tener en cuenta que, en esta operación, se puede generar una
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cantidad signi�cativa de residuos. Lo ideal es pensar en realizar un tratamiento a estos sólidos, para usarlos de nuevo en el mismo proceso o en otro. Sin embargo, en la mayoría de los casos, es más económico comprar un nuevo sólido adsorbente que reprocesar los ya usados. Por ejemplo, la tierra decolorante que se usa en el blanqueo de aceites, se bota una vez es recuperada en los �ltros. Una de las aplicaciones más importantes de la adsorción en ingeniería ambiental, ha sido la remoción de materia orgánica de las aguas naturales y residuales, ¿Existe diferencia? Algunos ejemplos incluyen la eliminación de materia orgánica que produce sabor y olor objetable, y trazas de contaminantes inorgánicos como los trihalometanos, pesticidas y compuestos orgánicos clorados del agua potable, eliminación de los contaminantes orgánicos excedentes de las salidas de aguas residuales tratadas, tratamiento de �ltración de aguas residuales industriales y de desechos peligrosos. En estos casos el carbón activado, granulado o en polvo, puede ser mezclado con el agua y removido con los materiales adsorbidos, por sedimentación y �ltración. Cuando se tienen que eliminar grandes cantidades de material orgánico, se puede dar un uso más e�ciente del carbón activado y obtener una calidad más alta del agua, pasando ésta a través de un �ltro con lecho de carbón de gran profundidad. El desarrollo de carbones activados especiales que pueden ser regenerados e�cientemente ha mejorado de manera considerable la economía del proceso. A partir del año 1949 y como consecuencia de diversos accidentes industriales asociados con la fabricación de fenoles clorados, las Dioxinas y los Furanos han despertado un marcado interés en la sociedad debido a su potencial tóxico, lo que actualmente se re�eja en la incorporación de unos límites más estrictos en la normatividad ambiental a nivel mundial. Se conoce como dioxinas y furanos a una familia de compuestos aromáticos clorados tricíclicos con propiedades químicas similares; que se diferencian porque los furanos tienen un átomo de oxígeno mientras que las dioxinas tienen dos. Una de las implicaciones ambientales de la incineración de residuos sólidos urbanos, mal llamados “basuras”, puede ser la formación de estas dos sustancias; se forman, en general, en aquellas zonas de la instalación de incineración en las cuales la temperatura no es excesivamente alta, con rangos del orden de 250 a 450 0 C. De acuerdo con esto, pueden formarse en el sistema de evacuación de los gases, incluso en el penacho resultante de la emisión de los humos, si las condiciones de temperatura, tiempo de permanencia y cantidad de oxígeno son las adecuadas. El calentamiento del aire en presencia de cualquier compuesto
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orgánico o inorgánico que contenga en su molécula átomos de cloro, hidrógeno y carbono, conduce a la formación de dioxinas: la combustión de plásticos que contienen cloro como el PVC, la combustión incompleta de la lignina procedente de los residuos de la madera o la reacción entre compuestos fenólicos y el ácido clorhídrico. La adsorción con carbón activo en incineradoras se usan como método de eliminación de compuestos orgánicos; así se puede reducir considerablemente la concentración de dioxinas y furanos; cuando el sólido adsorbente se satura de gas adsorbido y su efectividad no alcanza los niveles requeridos, se procede a su regeneración o sustitución. Existen cigarrillos que tienen �ltros con carbón activo para capturar sustancias nocivas presentes en el humo; también hay máscaras industriales para adsorber del aire respirado por el trabajador. Cuidado: se puede presentar un caso de trasvase de la contaminación ¿Qué se debe hacer con el �ltro saturado de contaminante? ¿Se desecha el cartucho de la máscara y se instala uno nuevo? 4.1.3. Agitación. Aunque se confunden fácilmente, agitación y mezcla no
son sinónimos. La agitación se re�ere al movimiento inducido de un material homogéneo que se encuantra dentro de algún recipiente; la mezcla es la distribución al azar de dos fases inicialmente separadas logrando que ambas fases se distribuyan y encuentren �nalmente la homogeneización. Se puede agitar un tanque con agua, pero un tanque con agua al que se le agrega azúcar pulverizada inicialmente se mezcla y, una vez homogeneizado, se agita. A nivel industrial es frecuente realizar operaciones de mezclado del tipo líquido - líquido, líquido gas o líquido - sólido buscando varios �nes. Por ejemplo, poner en suspensión partículas sólidas, agitar líquidos miscibles, dispersar un gas en el seno de un líquido para hacer homogénea su concentración, dispersar un líquido en otro no miscible con él para formar una emulsión, favorecer la transferencia de calor desde un serpentín o para favorecer la realización de una reacción química o bioquímica al facilitar el encuentro de las sustancias que van a reaccionar y evitar los puntos muertos dentro del recipiente. Se tienen diferentes ejemplos, a nivel de procesos industriales, donde es importante la operación de mezcla o agitación. En la fermentación donde es prioridad que el sustrato o alimento del microorganismo esté presente en toda la solución; también es importante como operación anterior a la centrifugación donde es clave que exista una concentración homogénea para evitar cambios bruscos que pueden llegar a “desbalancear” la centrífuga y que puede causar
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daños signi�cativos en su funcionamiento mecánico (en la centrifugación de la miel de purga, por ejemplo). En la elaboración de aguardiente (metanol, agua, esencias y azúcar) donde la calidad del producto depende del grado de mezcla y posterior agitación que se presente; en el tratamiento de aguas residuales por el método de lodos activos para que no existan puntos muertos en oxígeno y sustrato lo que conlleva a la muerte de los microorganismos encargados de realizar la degradación del contaminante. También en la elaboración de jarabes donde se requiere una buena agitación y mezcla para la formaciones de emulsiones; en la transferencia de calor por convección forzada para mayor velocidad de transferencia. Estos son, entre otros, algunos de los muchos ejemplos presentes a nivel industrial. El ejemplo más sencillo en nuestra casa es cuando se agrega azúcar a la jarra del jugo para obtener un sabor homogéneo se agita lo su�ciente.
(A)
(B)
Figura 4.4. Tanque agitado típico con placas de�ectoras y eje vertical (A), y sin placas de�ectoras y eje de entrada lateral (B).
Los equipos comúnmente usados en la industria para realizar esta operación, son tanques cilíndricos con el eje vertical o inclinado, cuyas dimensiones y proporciones varían de acuerdo con el problema a resolver. El fondo del tanque no es plano sino que es redondeado para que no se presenten bordes rectos con lo que se evitan los puntos muertos (sitios del tanque donde el �uido no se mueve y por lo tanto no se reemplaza ni se mezcla). En los tanques agitados es común que se presenten vórtices; éstos son remolinos que desplazan el líquido hacia la super�cie del tanque y pueden causar derrames de la sustancia que se está agitando.
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Para entender qué es un vórtice y los problemas que causa, se debe observar el remolino que se forma al usar la licuadora y los regueros que muchas veces se presentan, obligando a disminuir la cantidad de líquido dentro del vaso, disminuyendo su capacidad. Para evitar este fenómeno se usan placas de�ectoras que desvían el �ujo como se muestra en la Figura 4.4. La clase de �ujo o corriente que se produce en un tanque depende de varios aspectos: rodete del agitador, tipo de �uido, tamaño del tanque, placas de�ectoras y agitador. agitador. La velocidad del �uido dentro del tanque tiene tres componentes que determinan el tipo de �ujo global: componente radial ra dial (perpendicular al eje del rodete), longitudinal (paralela al eje del rodete) y tangencial o de rotación (tangencial a la trayectoria circular marcada por el rodete). La siguiente �gura muestra los tipos de �ujos en tanques agitados:
(A)
(B)
Figura 4.5. Flujos en tanques agitados: radial, longitudinal (A) y tangencial (B).
En la industria se pueden presentar diferentes requerimientos de agitación que dependen del tipo de sustancia y sus características físico - químicas. Se puede presentar, además, el caso de un tanque con un eje vertical y varios agitadores colocados a diferentes distancias. Otro estado de agregación de los materiales mezclados o agitados, usados a nivel industrial, es el de los sólidos. Como ejemplo están las harinas usadas en productos alimenticios (pan, pastas), o las harinas de caliza, mineral de hierro y arcilla para la producción de cemento mediante el proceso vía seca. Aquí la homogeneidad es de vital importancia para mantener condiciones de calidad
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en el producto �nal, porque favorece la ocurrencia de las reacciones químicas pertinentes. La calidad del producto �nal en un proceso productivo viene determinada por el buen desarrollo de las operaciones y los procesos unitarios que componen el proceso total. Un mal manejo de la operación de agitación o mezcla puede ocasionar, por ejemplo, reacciones químicas incompletas afectando el rendimiento, la calidad o la productividad. También puede generar puntos muertos causados por la no agitación tanto en un proceso físico como en un proceso biológico lo que implica focos de contaminación. La de�ciente transferencia de calor ocasionada por una mala agitación, puede tener como consecuencia en el proceso una baja velocidad de transferencia de calor. FinalFinalmente, la falta de uniformidad en la concentración de una solución puede afectar desde la calidad del producto hasta el funcionamiento mecánico mecáni co de los equipos. La siguiente �gura muestra una mezcladora abierta ab ierta de cinta y de tornillo de giro usados para la mezcla de sólidos, en las cuales la energía mecánica se aplica directamente a la masa de material mediante partes móviles. Estas máquinas pueden mezclar varias toneladas de material por hora y se pueden disponer en sistemas continuos o por baches.
Figura 4.6. Mezcladora abierta de cinta y de tornillo de giro.
Cuando se aborda el problema de la contaminación, contaminació n, lo que queda claro es que el mayor inconveniente es que no hay disolución a gran escala y la sustancia problema o contaminante, se está concentrando o disolviendo en pequeñas cantidades de solvente (aire o agua); agua); además, se puede a�rmar que a veces falta un buen proceso de mezcla. El fenómeno llamado inversión térmica tiene como
consecuencia que no permite la dispersión amplia de los contaminantes; es decir, no permite una mezcla en una zona más amplia de la atmósfera. La ciudad de
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Santiago de Chile presenta, con mucha frecuencia, problemas de contaminación de aire por la descarga de chimeneas y de los exostos de los autos en una atmósfera limitada y con poca agitación y mezcla para poder dispersar y diluir estas sustancias. La ciudad de Bogotá podría presentar el mismo problema; sin embargo, la diferencia entre estas dos ciudades es que la capital de Colombia tiene un ventilador natural entre los cerros de Monserrate y Guadalupe que dispersa los gases contaminantes emitidos por la industria y el parque automotor. Cuando se realiza una descarga de aguas residuales con una alta concentración de materia orgánica, el hecho de no realizar una adecuada mezcla y dispersión del contaminante, produce el consumo acelerado, puntual o localizado, del oxígeno disuelto en el agua ocasionando un agotamiento agotam iento instantáneo. Esto implica un daño ambiental mayor que cuando el contaminante contamina nte se mezcla y dispersa, ya que produce una baja concentración por la alta velocidad de reacción; esta situación está relacionada con la capacidad de autodepuración que pueden presentar los ecosistemas, especí�camente los ríos, para este caso. Un río puede acusar un impacto ambiental negativo menor o amortiguado si se descarga cierta cantidad de agua residual con materia orgánica biodegradable, a través de un trayecto determinado, cuando se compara con una descarga de la misma cantidad de agua con la misma cantidad de materia orgánica de una manera instantánea en un solo punto: es cuestión de mezclar el mismo solvente en mayor cantidad de medio dispersante. 4.1.4. Briquetizado o Aglomerado. Aglomerado. Muchas veces, las materias primas usadas
en un proceso productivo tienen un tamaño pequeño; esto debido a la forma como ellas se obtienen, o, simplemente, porque así se requieren. Un ejemplo típico de esta situación es la harina o salvado de arroz, que se obtiene en forma impalpable en el proceso de molienda del paddy; es decir, decir, el tamaño es inherente al proceso. Como no siempre el uso posterior p osterior requiere un tamaño pequeño, en ciertas actividades es necesario emplear operaciones de agregación para aumentar el tamaño; esto por requerimientos de proceso. Briquetización, aglomerado o pelletizado, es la operación operació n que se encarga de aumentar el tamaño del material impalpable con el �n de entregar la forma deseada por requerimientos de proceso o de consumo �nal. La presentación p resentación �nal normalmente es esférica, cilíndrica, en hojuela o de forma irregular; el briquetizado aumenta la densidad, lo que facilita el sistema de almacenamiento y transporte, a la vez que incide favorablemente en los costos.
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Figura 4.7. Extrusor de tornillo.
Ejemplos típicos del uso de la aglomeración o briquetizado se presentan en la fabricación de concentrado para peces, pollos, cerdos y aves, lo que facilita su consumo, a la vez que disminuye las pérdidas en el momento de ser suministrado. Esta operación también se usa en la producción de alimentos y drogas para el hombre, así como en la adecuación industrial industria l de la harina producto del pulimento del arroz. Para realizar la lixiviación en material sólido de presentación impalpable o harina en la mayoría de los casos es necesario aumentar su tamaño mediante un proceso de briquetizado, brique tizado, lo que permite tener mayor control sobre las condiciones de operación y, por lo tanto, sobre el proceso. Generalmente, la aglomeración se realiza por compactación, lo que se entiende como la compresión del material impalpable entre super�cies para llenar un espacio o molde (cubos de azúcar, cubos de caldo de gallina, jabón, ciertos medicamentos en pastas, etc.). Sin embargo, se pueden dar otras formas como la extrusión (forzar a través de un ori�cio con el cual se le da la forma al aglomerado, como el concentrado para aves a través de una matriz), el granulado (como el caso del café granulado en una corriente de aire y que se obtiene a partir de material impalpable). Finalmente, la inducción (unión de material a partir de una semilla como la formación de granos de azúcar). El control de la humedad del material por aglomerar es muy importante para el desarrollo de esta operación. A propósito, propós ito, a raíz de la escasez de agua en los centros urbanos, es muy importante que en las empresas donde se fabrique el granulado bajo el principio de concentración de soluciones, se piense en la forma de hacer reconversión industrial para recuperar la cantidad de agua que se retira, ya que las cifras son considerables y, por lo general, ésta se disipa al medio ambiente. Como punto de referencia para el café granulado, el porcentaje
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de agua con que se obtiene la solución de sólidos só lidos solubles es del 85%, pasando al 60% antes de entrar a la operación de aglomeración por granulado. Al salir de esta operación el porcentaje de agua es del 1,5%, es decir, que en dicha operación se remueve un 38,5% de agua que será enviada al medio ambiente. Si la empresa produce 50 ton/día de granulado �nal � nal con una humedad de 1,5%, entonces estará “botando “botando”” al medio ambiente la no despreciable suma de 73,12 ton/día de agua, lo que equivale a 73.120 litros/día. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), una persona puede vivir con 200 litros de agua/día; esto equivale a decir que con el agua que se pierde en la producción de tan solo 50 ton de granulado, pueden vivir 365 personas; personas ; es decir, se puede abastecer una urbanización de 75 casas. 4.1.5. Centrifugación. Operación unitaria por medio de la cual se separan
líquidos inmiscibles, sólidos no disueltos (en suspensión) en líquidos o sólidos dispersos en gases, usando la acción de la fuerza centrífuga. Variadas mezclas de materiales se pueden separar a causa de la diferencia de densidad de sus componentes (lo cual puede representar diferencia en la velocidad de sedimentación). En recipientes comunes de sedimentación se usa la fuerza de gravedad, pero ésta es limitada; si se quiere acelerar el proceso de separación, se puede usar una fuerza mayor a la gravedad que es la fuerza centrífuga. Los equipos usados en centrifugación pueden alcanzar valores cientos de veces superiores a la fuerza de la gravedad de la tierra y con tamaños relativamente pequeños; sin embargo, estos equipos no son muy indicados para separar mezclas con concentraciones muy altas de sólidos. sólido s. Existen centrífugas para trabajar por baches, de manera continua y de manera semicontinua; esto depende del tipo de material que van a separar y de su concentración. Ejemplos de uso de la centrifugación en la industria, es la clari�cación clari �cación de mieles en los procesos de fermentación de las industrias licoreras, licoreras, la separación de la levadura presente en la cerveza luego de la fermentación, la separación se paración de la levadura luego de la fermentación del jugo de caña, el descremado de la leche, la separación de los ácidos grasos, el jabón y la lecitina de los aceites vegetales, la separación de los cristales de azúcar de la meladura concentrada, etc. Sin embargo, es importante que en el manejo de la operación de centrifugación se tenga muy en cuenta la e�ciencia de la separación; ya que generalmente, una de las dos corrientes tiene más valor económico que la otra. Si se está clari�cando miel de purga, la solución de azúcar tiene más valor económico que la tierra, el bagacillo y otros
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sólidos suspendidos presentes, que sin embargo, también tienen valor. En la Figura 4.8, se muestran algunos equipos usados en la industria para operaciones de separación por centrifugación.
Figura 4.8. Ciclón y Centrífuga tubular.
Como es conocido, la separación no tiene una e�ciencia del ciento por ciento; por lo tanto, siempre es recomendable estar realizando análisis de composición a las corrientes que salen de la centrífuga para realizar los ajustes respectivos. Así como quedó claro que las centrífugas tienen ventajas, es importante aclarar que consumen mucha potencia y son muy costosas. El ciclón no consume energía debido a que el principio de separación está fundamentado en la entrada tangencial de la corriente a separar. Cuando la corriente a separar tiene una alta concentración de sólidos se acostumbra realizar una separación preliminar mediante una operación sustituta como es la �ltración, o la sedimentación, si es posible; se pretende aliviar la carga, disminuyendo la concentración. Además, es importante que se garantice que a la centrífuga entra un caudal y una concentración de sólidos suspendidos constante, para no producir cambios bruscos que ocasionen trastornos mecánicos en la centrífuga (“choques” de operación).
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Las centrífugas de platos pueden almacenar los sólidos separados de la suspensión y descargarlos, cada cierto tiempo, de un manera intermitente, donde el intervalo de tiempo entre descarga y descarga depende de la capacidad de almacenamiento de la centrífuga, del caudal alimentado y de la concentración de sólidos en la corriente de alimentación. Pero las centrífugas de platos también pueden realizar la descarga de los sólidos de una manera continua, igual a como lo hace la centrífuga tubular.
Figura 4.9. Centrífuga de platos.
Para algunas separaciones de sistemas líquido – líquido, es muy e�caz la centrífuga de platos. Las centrífugas tubulares y de platos se emplean con preferencia para extraer porcentajes pequeños de sólidos contenidos en aceites vegetales, leches, mieles o bebidas. Un �ltro tendría problemas para realizar separaciones de sólidos gelatinosos ya que puede obstruirse fácilmente o se tendrían que emplear coadyuvantes de �ltración, cosa que no ocurre con una centrífuga. El ciclón es, tal vez, el aparato colector de partículas de mayor uso en el mundo. En una instalación industrial, una persona detallista podrá visualizar un equipo de éstos, en las afueras de la fábrica. En los molinos de trilla de arroz es generalmente usado para separar impalpable (harinas del pulimento del arroz) para evitar pérdidas de materiales valiosos; en el proceso vía seca de fabricación de cemento y con el �n de aprovechar el calor transportado por los gases de la combustión del horno de la cementera, se usa un sistema en cascada de ciclones, en donde se encuentran y separan la harina de caliza, el mineral de hierro y la arcilla con los gases que abandonan el horno. El ciclón consta de un
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cuerpo cilíndrico vertical que termina en un fondo cónico; el gas con los sólidos que se van a separar entra por una admisión rectangular dispuesta de forma tangencial al cuerpo circular del ciclón, de suerte que el gas entre y tenga un efecto centrífugo dentro del equipo, moviéndose en espiral dentro del cuerpo cilíndrico. El gas se separa del sólido para salir por la parte superior a través de un tubo que entra cierta porción dentro del cuerpo cilíndrico (Figura 4.8). Si se recuerda que el ciclón usa la fuerza centrífuga para la separación de sólidos �nos y luego realiza una sedimentación por gravedad, es importante analizar las características del sólido porque este equipo es propenso a obstruirse en el fondo, lo cual puede conducir a una mala operación que signi�can problemas de proceso o directamente a contaminación del aire, puesto que no retiene el material impalpable y lo puede dispersar directamente al medio. Sin embargo, desde el punto de vista de operación no representa un costo para la empresa, ya que no consume energía. Desde el punto de vista ambiental, algunas industrias pueden incurrir en problemas de contaminación, sobre todo, cuando la centrífuga descarga a una corriente de agua próxima a la fábrica o directamente al alcantarillado2. Esto se puede presentar cuando una de las corrientes de separación que abandona la centrífuga no tiene importancia económica para la empresa y no se realiza un seguimiento estricto a la e�ciencia de la separación. La centrifugación puede ser usada para la deshidratación de fangos o lodos provenientes de aguas residuales domésticas obteniendo una torta con una humedad aproximada del 75% en peso; sin embargo, el clari�cado puede contener un alto contenido de sólidos no sedimentables, lo que obliga a devolver este e�uente nuevamente a la planta. Para controlar estos problemas se puede disminuir la capacidad de alimentación a la centrífuga o coagular el fango antes. Los olores que se pueden presentar al centrifugar fangos se pueden controlar al agregar cal. Sin embargo, en ciudades con una buena presencia solar, generalmente se utilizan lechos de secado, aprovechando esta energía. 4.1.6. Cristalización. Es una operación unitaria por medio de la cual se separa
el soluto de una solución líquida (soluto + solvente) al llevar la solución hasta el grado de sobresaturación, de tal forma, que éste precipite; es decir, es la forma2
Los vertimientos que tengan presencia de Sólidos Suspendidos y/o Demanda Biológica de Oxígeno pagan por cada kilogramo presente. Este vertimiento debe ser puntual y a una fuente de agua.
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ción de partículas sólidas en el seno de una fase homogénea. La concentración de saturación es la máxima posible en las condiciones de presión y temperatura, aunque generalmente, es la temperatura la condición más importante que hace casi despreciable la presión. Una solución del tipo líquido - sólido (agua con azúcar, por ejemplo) puede saturarse de dos formas: la primera es agregando soluto (azúcar) hasta el punto de encontrar la máxima cantidad posible que se disuelve a las condiciones de presión y temperatura requeridas; la segunda, que obviamente busca el mismo objetivo, encuentra la saturación pero disminuyendo la cantidad de solvente, lo que se puede alcanzar, por ejemplo, por evaporación. Sin embargo, a nivel de la industria, la cristalización por el primer método no es muy frecuente. Existe un método más práctico que es cuando se baja la temperatura (enfriamiento) hasta que la concentración de la solución sea mayor que la concentración de saturación de la solución a dicha temperatura. Otro método para obtener la cristalización es variando la naturaleza del sistema, como por ejemplo, agregando alcohol para precipitar sales inorgánicas bajo la forma de cristales. Se puede decir, entonces, que la cristalización (llevar a sobresaturación) se puede alcanzar disminuyendo la temperatura de la solución, evaporando el solvente o agregando un tercer componente que actúa, físicamente, con el disolvente original en la que la solubilidad del soluto disminuye bruscamente. Como ejemplos típicos de procesos donde se use la cristalización a nivel industrial están: la producción de cristales de azúcar en los ingenios y la concentración de soluciones de café, aunque en esta última lo que se cristaliza es el solvente (agua), para posteriormente separarlo por medio de una membrana de determinado tamaño de poro (�ltro) o por sublimación. Para la cristalización se utilizan varias clases de equipos que, dependiendo del tipo de mecanismo usado, involucran simultáneamente la evaporación y la cristalización. La industria azucarera usa, por ejemplo, esta operación para obtener los cristales de azúcar que posteriormente recuperan mediante una operación combinada de centrifugación y �ltración. Las centrífugas usadas para recuperar los cristales de azúcar están recubiertas interiormente por una malla �ltrante, con el �n de poder extraer la miel que queda atrapada en la torta de cristales. Un equipo típico es el cristalizador - evaporador de líquido circulante, donde la sobresaturación se realiza por evaporación del solvente, usando calentamiento indirecto en un intercambiador de calor hasta donde la solución se hace circular, tal y como lo muestra la Figura 4.10.
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vapor
solución
cristales Figura 4.10. Cristalizador - Evaporador de líquido circulante.
Naturalmente, la operación de cristalización no implica, como tal, una separación en el sentido estricto de la palabra ya que lo que realmente hace ésta, es pasar parte del soluto sólido, de disuelto, a insoluble o precipitado. Un cristal en sí es muy puro, pero está en contacto con la solución original lo que implica que para separarlo del seno de la solución se debe realizar otra operación unitaria como la �ltración o la centrifugación. Sin embargo, al realizar otra operación unitaria de separación, los cristales retienen una cantidad considerable de solución y de otras sustancias que se encuentren presentes en la solución original, por lo que la pureza del cristal obtenido es directamente proporcional a la pureza de las aguas madres retenidas entre los cristales al separarlos. 4.1.7. Desorción. Es una operación unitaria en la cual se pone en contacto una
corriente líquida con una corriente gaseosa, con el �n de realizar la transferencia de uno de los componentes de la corriente líquida a la corriente gaseosa. Como puede verse, es la operación contraria a la absorción; la diferencia es la dirección en la cual ocurre la transferencia de masa. Como ejemplo se tiene el contacto entre la corriente líquida formada por amoníaco y agua, con una co-
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rriente gaseosa como el aire; parte del amoníaco dejará el líquido para entrar en la fase gaseosa. En la operación de absorción se usa aceite mineral para separar el benceno o el tolueno presente en una corriente gaseosa, de tal forma que se puede usar la desorción para puri�car el aceite y volver a usarlo en operaciones de absorción. Como equipo se puede usar, básicamente, el mismo de la absorción. El simple hecho de ser la operación contraria o inversa de la absorción resalta su importancia, desde el punto de vista ambiental, por las diferentes aplicaciones que puede tener. 4.1.8. Destilación. Es una operación unitaria por medio de la cual se sepa-
ran, por calentamiento directo o indirecto, los componentes de una solución líquido-líquido; el principio de la separación es la diferencia entre los puntos de ebullición de los componentes de la solución. En la destilación se parte de una fase líquida y, por calentamiento, se crea la fase gaseosa; esta fase gaseosa es la que se condensa por enfriamiento y permite la separación. El grado de separación depende de la forma como se distribuyan los componentes de la solución dado que éstos se reparten entre la fase líquida y la fase gaseosa. A una temperatura determinada, el vapor que se produce al calentar la solución original contiene una mayor proporción del componente más volátil; al remover los vapores formados, la solución líquida que va quedando contiene una mayor proporción del componente menos volátil. Esta operación se denomina destilación simple si se realiza una sola vez; si se repite esta operación, se denomina destilación fraccionada. A nivel industrial, para realizar la destilación, los equipos que se utilizan son las columnas de destilación que pueden ser de platos o rellenas; los platos pueden ser perforados o con campanas de borboteo. El relleno de las columnas puede ser de cerámica, vidrio o de cualquier material inerte, para que no reaccione con las sustancias involucradas en la operación; además, el material de relleno debe ser resistente a las condiciones de operación de la columna. La forma del material de relleno puede ser irregular, como anillos o como monturas. Si se tiene una solución líquido-líquido a una presión total de con�namiento o presión absoluta P1, la temperatura a la cual la solución hervirá o la temperatura de ebullición de la solución, será la temperatura a la cual la presión total de vapor de la solución será igual a la presión total de con�namiento o presión absoluta P1. Como ejemplo se puede tomar una sustancia pura, el agua en estado líquido a una presión de con�namiento de 86 kPa; el agua hervirá a
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la temperatura a la cual la presión de vapor del agua sea de 86 kPa, es decir a 368 K (95 0C). Para el caso de una solución se debe calcular la presión de vapor de la solución. La temperatura de ebullición depende de la composición de la solución y su valor está entre la temperatura de ebullición del componente menos volátil y la temperatura de ebullición del componente más volátil. Es un error creer que al calentar una solución se evapora solamente el componente menos volátil; esto depende de la diferencia que existe entre los puntos de ebullición de los componentes. A nivel industrial, la destilación tiene diferentes aplicaciones. El fraccionamiento del petróleo para obtener desde aceites pesados hasta compuestos altamente volátiles como la gasolina; las columnas de destilación son básicamente los equipos representativos de una re�nería de petróleo. En la re�nación de los aceites vegetales (palma, soya, etc.) los ácidos grasos se retiran por destilación. La destilación también se usa en la obtención de alcohol industrial o de alcohol carburante, a partir del jugo de caña fermentado. En este caso, por la cima de la columna de destilación se obtiene el alcohol y por el fondo un líquido denominado vinaza, que se caracteriza por tener alta temperatura, metales disueltos y alta Demanda Biológica de Oxígeno. Por cada litro de alcohol obtenido se producen 10 litros de vinaza; Si la vinaza se evapora y se concentra, se puede llegar a proporciones de un litro de vinaza por cada litro de alcohol obtenido. En un principio, la vinaza se consideró un problema por el pago de Tasa Retributiva; sin embargo, hoy es una excelente materia prima para la producción de fertilizantes para el mismo cultivo de la caña. Este es un típico caso de “opción” de Producción Más Limpia, al pasar de una sustancia problema a una buena alternativa económica. La cantidad de vinaza generada y su capacidad contaminante fue convertida en una muy buena opción, desde el punto de vista de ventaja competitiva; la economía que se puede obtener en fertilizantes para el cultivo de la misma caña, es bastante signi�cativa Si bien es cierto que se tienen ventajas competitivas al usar la vinaza en la producción de fertilizantes, desde el punto de vista ambiental la destilación es una operación que consume mucha energía ya que la separación se da por calentamiento. La mayor parte de esta energía se disipa en las torres de enfriamiento; el ingeniero de proceso se debe preguntar a que porcentaje del combustible usado en la caldera corresponde la energía usada y disipada en la operación de destilación.
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4.1.9. Evaporación. Es una operación unitaria que se usa para retirar el solvente
de una solución en la cual el soluto es un sólido.Se usa para concentrar soluciones (es un paso previo de la cristalización, por ejemplo), por calentamiento indirecto; es decir, usando una super�cie de calentamiento. Sin embargo, por evaporación se entiende el paso de un líquido a vapor y, como tal, puede considerarse la operación sin que necesariamente necesa riamente esté de por medio una solución (soluto+solvente). Es una operación que consume mucha energía, ya que el paso de líquido a vapor requiere calor (Q = m , si solo involucra el calor latente o de cambio de fase). Este cambio, camb io, y por lo tanto el consumo de energía, dependen dep enden de la presión absoluta sobre el sistema; además, entre mayor sea la presión absoluta sobre el sistema, mayor es la temperatura alcanzada. Es importante recordar que el punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor de equilibrio se iguala con la presión total sobre su super �cie (presión absoluta). Para líquidos en recipientes abiertos la presión total es la atmosférica, de tal suerte, que la presencia de un soluto no volátil disminuye dism inuye la presión de vapor comparada con la del líquido puro, p uro, haciendo que el punto de ebullición aumente. Una forma de equilibrar o compensar esta situación para disminuir la temperatura es disminuir la presión absoluta; abso luta; esto se consigue haciendo vacío en el sistema (el sistema es el recipiente en el cual se va a realizar la evaporación). Se debe recordar que la presión absoluta, en sistemas al vacío, v acío, es igual a la presión atmosférica menos la presión de vacío. En la industria se tienen soluciones que se deben concentrar por evaporación, pero que independientemente del consumo energético, se requiere de una presión absoluta baja (temperatura de ebullición baja), para evitar el deterioro o daño de los componentes de la solución. Es el caso de la concentración de jugos de frutas, los cuales no se deben calentar a altas temperaturas ya que pueden perder sus características organolépticas; también, es el caso de la concentración de lixiviados de café, la producción de leche condensada o leche en polvo. Otros procesos como la concentración del jugo de caña para una posterior cristalización, no son muy afectados por el incremento de temperatura, pero se caracterizan por el excesivo consumo de energía. Los equipos de evaporación usados a nivel industrial deben contener grandes super�cies de calentamiento porque la velocidad de transferencia de calor es directamente proporcional al área, y como se mencionó anteriormente, el calentamiento es indirecto. Los mecanismos de transferencia de calor por conducción y por convección están presentes en este tipo de operación. Se
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recomienda al ingeniero encargado del proceso, que tenga su�ciente claridad sobre el tema para lograr una mejor comprensión del funcionamiento del equipo donde se realice la evaporación evapora ción y, por consiguiente, para encontrar con mayor prontitud, posibles problemas en el desarrollo de la actividad: una incrustación, por ejemplo. Existen diferentes formas de equipos de evaporación. En la FIgura 4.11 se observa uno típico. Vapor de la solución Solución
Vapor
Condensado Solución concentrada
Figura 4.11. Evaporador de calandria o serpentín.
Es muy importante recordar que actualmente en el mundo se está es tá empezando a sentir el rigor de la escasez de los combustibles fósiles, al igual que la intensi�cación del efecto producido por los gases generados g enerados en la combustión (Efecto de invernadero). Otro problema digno de resaltar es la escasa oferta de agua potable, por lo menos en los sitios donde el hombre la requiere. El tema se trae a colación porque ésta es una operación unitaria con alto consumo energético, pero que igualmente parte de esa energía se puede volver a recuperar para optimizar el recurso. La masa de agua producto de la evaporación de la solución, se puede usar para calentar o precalentar muchas sustancias dentro del mismo proceso, como el agua que va a la caldera, o la misma solución; es más, se puede usar para calentar sustancias en otra sección del proceso o en procesos diferentes ubicados cerca. De la misma manera, se tiene que pensar en recuperar el agua evaporada, ya que dentro de muy poco, por no decir que ya, este recurso estará escaso para muchas industrias, dada la prioridad que tiene el consumo doméstico sobre sob re el consumo industrial. Se puede a�rmar que la evaporación es una operación donde se comprometen recursos de mucha
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importancia como el agua y la energía, y que pueden afectar el bienestar o la misma supervivencia del hombre. En la industria se usa también un sistema conocido como evaporador de múltiple efecto, el cual se muestra en la Figura 4.12.
Figura 4.12. Evaporador de triple efecto. efec to.
El principio fundamental de un evaporador de múltiple efecto es que el vapor procedente de un efecto sirve como medio de calentamiento para el e l efecto siguiente; además, mediante un condensador se establece un vacío en el tercer efecto y se liberan los incondensables. El primer efecto de un evaporador es el único que recibe vapor vivo procedente de la caldera y tiene la mayor presión del espacio de vapor, mientras que el último efecto, es el que tiene la menor presión en el espacio de vapor; de esta forma la diferencia de presión entre el vapor vivo (el que viene de la caldera) y el condensador, se extiende a lo largo de dos o más efectos (dos, si es de triple efecto). La presión en cada efecto es menor que en el efecto del cual recibe el vapor y superior, s uperior, a la del efecto al cual suministra vapor. En general, se puede decir que cada efecto es un evaporador eva porador de efecto simple, donde un kilogramo de vapor vivo que entra, calienta y condensa en el primer efecto, genera aproximadamente un kilogramo de vapor el cual va al segundo efecto y así, sucesivamente. Es decir, que un kilogramo de vapor vivo procedente de la caldera produce tantos kilogramos como efectos tenga el evaporador. Esta operación unitaria es usada en los sistemas de tratamiento de aguas residuales cuando se hace la extracción de lodos de los sistemas anaerobios (UASB) o de los sistemas aerobios (Lodos Activos). Como estos lodos salen con cantidades considerables de agua (90%), y es necesario deshidratarlos, se utiliza la energía solar para retirar el agua hasta unos valores (40%) que hacen prác-
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tica su manipulación, transporte y disposición. Los procesos naturales utilizan la evaporación como medio de transporte de la energía de unos sitios de la super�cie terrestre a otros, aprovechando el calor ganado por el agua bajo la forma de calor sensible y latente. La energía solar no llega con toda la intensidad a todos los puntos de la tierra por lo cual se absorbe a bsorbe más energía en el Ecuador que en latitudes inferiores; esta energía se dispersa hacia las regiones mas frías del planeta, donde el aire y el agua actúan como una máquina de calor global tratando de igualar las temperaturas del mundo. A la atmósfera llegan cantidades considerables de vapor de agua, todas ellas producto de la evaporación en ríos, lagos y océanos. Esta masa de agua porta grandes cantidades de calor que mediante su ciclo va a regiones más frías donde se condensa, libera su energía al interior de la atmósfera y trata de nivelar térmicamente el planeta. El agua, también, juega un papel importante a través del proceso de evaporación desde los suelos húmedos y desde las plantas, mediante el fenómeno de evapotranspiración; su importancia se fundamenta en que esta evaporación ayuda a enfriar la super�cie terrestre, del mismo modo que el cuerpo se enfría en época de calor cuando transpira o suda. El proceso de evaporación natural es, además, el responsable de que se origine un grado mayor de precipitaciones en ciertas regiones del planeta3. 4.1.10. Extracción líquido-líquido. Es una operación unitaria, llamada también
extracción con solventes, por medio de la cual se extrae uno o más componentes de una solución líquida usando un solvente s olvente selectivo en estado líquido. De manera didáctica, la operación se puede representar así: B (Softawre) A (Re�nado. R)) A+C (Alimentación)
Extracción
B+C (Extracto. E) Figura 4.13. Operación de extracción líquido - líquido. 3
LUDEVID Anglada Manuel. El Cambio Global en el Medio Ambiente. Editorial Marcombo, Barcelona (España). 1.997
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En todas estas operaciones la solución de la cual se irá a extraer se denomina la alimentación y el líquido con el que la alimentación hace contacto es solvente. El producto de la operación rico en solvente se llama extracto (E), el solvente. y el líquido residual del que se ha eliminado el soluto se llama re�nado (R). En procesos más complicados se pueden llegar a utilizar dos solventes para entrar a separar los componentes de una alimentación. Es una operación semejante seme jante a la destilación; aún más, se puede usar como sustituta de ella. Igualmente se puede usar como sustituta de la evaporación, especialmente cuando las sustancias a separar son químicamente distintas. Es claro que el principio de la separación de esta operación es la solubilidad selectiva; esto explica que pueda usarse glicol dietileno para separar fácilmente los hidrocarburos aromáticos de peso molecular muy parecido, mientras que por destilación es casi imposible dado que sus presiones de vapor vap or son muy parecidas. La penicilina se encuentra de manera natural en mezclas tan complejas que se debe usar la extracción líquida para aislarla. Separaciones metálicas y productos como el ácido fosfórico, el ácido bórico, el hidróxido de sodio y los semejantes, se pueden puri�car económicamente mediante la extracción líquida. Ácidos grasos presentes en los aceites vegetales pueden ser extraídos de una manera selectiva usando como solvente el hexano. Sin embargo, es preciso tener en cuenta, que después de la extracción, es necesario recuperar nuevamente el solvente, por lo que se deben analizar estos costos. En esta operación, lo mismo que en la lixiviación con solventes orgánicos, se deben tener como indicadores de rendimiento los consumos o pérdidas de solvente. Entonces al seleccionar el solvente, s olvente, éste debe tratar de cumplir cumpli r, hasta donde sea posible, con los siguientes requisitos: La selectividad debe ser superior a la unidad; mientras más sea ésta, mucho mejor. Si la selectividad es igual a uno, la separación es imposible. (Fracción en peso de C en E)(Fracción en peso de A en R) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- = -----------------------------(Fracción en peso de C en R)(Fracción en peso de A en E)
• Aunque no es necesario que el coe�ciente de distribución sea mayor que uno, se desean grandes valores, ya que se necesitará menos solvente para la extracción. = Fracción en peso de A en R / Fracción en peso de A en E
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• El solvente B debe ser muy poco o nada soluble con A y debe ser, fácilmente recuperable de la solución formada en el extracto (B+C). Además, no debe reaccionar químicamente. • Debe existir una buena diferencia de densidad entre el extracto y el re�nado para facilitar una posterior separación. • El solvente, en lo posible, debe ser no tóxico, no in�amable, tener baja viscosidad y baja presión de vapor y, además, bajo costo y de fácil consecución. En la Figura 4.14 se muestran los esquemas de algunos de los equipos usados. B+C
A +C
B A+C
M
D
E
R
B
A Figura 4.14. Torre rociadora , equipo de mezcla (M) y decantador (D).
La extracción se puede realizar en una sola etapa o en etapas múltiples, en paralelo o en contracorriente. Los equipos usados corrientemente en la industria para realizar esta operación son recipientes, donde ocurre la mezcla de la alimentación con el solvente, seguidos de decantadores por gravedad para separar el extracto del re�nado. También, se pueden usar torres rellenas, con platos o de rociado. 4.1.11. Filtración. Es una operación unitaria por medio de la cual se pueden
separar los sólidos suspendidos (no disueltos) presentes en un �uido (líquido o gas), al hacer pasar la mezcla a través de un medio �ltrante. Éste tiene unos ori�cios, que por su tamaño determinan el material que se retiene, o sea, las partículas de tamaño superior al del ori�cio y permiten el paso del �uido y de
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las partículas de tamaño inferior al del ori�cio. Como medio �ltrante se usan diversos materiales tales como arena, tela metálica, arcilla, papel, algodón, asbesto, vidrio, lana, carbón, entre otras. Las primeras partículas son retenidas por el medio �ltrante pero, a medida que transcurre el tiempo, los sólidos depositados van formando una masa acumulada, denominada torta, que es la que �nalmente realiza la separación. Si esta masa no tiene la porosidad su�ciente se puede llegar a obstruir el paso del �uido causando el taponamiento del �ltro. La �ltración se puede realizar para retirar parcialmente sólidos y aliviar la carga, para una posterior operación como la de centrifugación; es decir, se pueden combinar la �ltración y la centrifugación para cumplir con el objetivo de retirar los sólidos suspendidos hasta determinado grado de separación. A nivel doméstico, el ejemplo más claro se presenta cuando se prepara el jugo de piña o de zanahoria y se usa el “colador”, que no es más que un �ltro, siendo la torta el afrecho o �bra que queda retenida. La Figura 4.15 muestra los componentes esenciales de un sistema de �ltración. Torta Fluido con sólidos
Filtrado
Medio filtrante Figura 4.15. Componentes de un sistema de �ltración.
La �ltración se puede realizar a presión constante o a volumen constante. A presión constante ocurre cuando la presión de entrada permanece invariable, lo que hace que el volumen de �ltrado vaya disminuyendo con el tiempo hasta un determinado valor, a causa del taponamiento del medio �ltrante. La �ltración a volumen constante se presenta cuando la presión de entrada se aumenta, gradualmente, hasta un determinado valor, ocasionando, que el volumen de �ltrado permanezca constante; en la medida en que el volumen de �ltrado trata de disminuir, por taponamiento, se aumenta la presión de alimentación al �ltro. Igualmente, la �ltración se puede realizar a presión atmosférica (�ltro
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abierto), la cual sólo se puede realizar a presión constante. La �ltración también se puede realizar a presión manométrica o positiva (�ltro cerrado) o a presión vacuométrica o de vacío (�ltro cerrado). Estas dos últimas se pueden realizar a presión constante o a volumen constante. A nivel industrial, cuando se está realizando la �ltración, puede ocurrir que el equipo se obstruya por las características físicas de la torta (ceras o gomas, por ejemplo, que no permiten el paso del �ltrado). Esto trae como consecuencia la suspensión de la operación para desarmar el �ltro, retirar la torta y limpiar el medio �ltrante, causando traumatismos en la producción industrial. Para evitar esto, se pueden usar equipos en paralelo, para que mientras un equipo esté en mantenimiento el otro se encuentre en operación. En la industria, cuando los sólidos son muy �nos, en forma de lodos o con características como las de las gomas y las ceras, se requiere aumentar la porosidad de la torta para que permita el paso del líquido �ltrado a una velocidad razonable; para esto, se usan coadyuvantes de �ltración tales como tierra de diatomeas, asbesto, celulosa de madera puri�cada o cualquier otro sólido poroso e inerte. El coadyuvante se puede agregar a la mezcla a �ltrar o se puede realizar una precapa antes de iniciar la �ltración. En la industria, esta operación unitaria se usa para remover sólidos presentes en muchas sustancias. Como ejemplo del uso de la �ltración a nivel industrial se tienen los siguientes casos: proceso de tratamiento de aguas, gaseosas y refrescos, lácteos, licores, aceites, cerveza y azúcar. En este último sector, la �ltración se combina con la centrifugación, usando centrífugas con una malla interior para retirar los cristales de azúcar formados. En algunos casos el líquido es el componente valioso (el vino o la cerveza), en otros casos es el sólido (azúcar o ácido cítrico); pero, en muchos otros casos, son valiosos los dos componentes (aceite y margarina, por ejemplo). Cuando la fase valiosa es el líquido, es muy importante tener en cuenta que al parar la operación para retirar la torta, ésta se encuentra llena de líquido, por lo que es prudente soplar la torta, con el �n retirar y recuperar el líquido, para no bajar la e�ciencia de la operación ni tener pérdidas económicas. Cuando la fase valiosa es el sólido, es decir la torta, también debe realizarse una buena separación del líquido para no bajar la calidad del sólido. El mismo criterio de análisis se debe aplicar cuando ambas fases son de interés. Sin embargo, no se debe olvidar que las dos fases deben ser de interés. La Figura 4.16 muestra el esquema de una unidad de �ltro prensa.
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Figura 4.16. Unidad de �ltro prensa.
Hay equipos diseñados para operar retirando continuamente la torta formada, como es el caso de los �ltros rotatorios de tambor que operan al vacío. Existen otros �ltros que están formados por más de un medio �ltrante, como un “paquete” conformado por unidades. Como ejemplo, está el �ltro prensa que no opera de forma continua, y que una vez se obtura debe ser desarmado. Desde el punto de vista ambiental esta operación unitaria merece especial interés. Por ejemplo, algunos medios �ltrantes son cambiados luego de una sola postura o uso (papel o placas de celulosa), puesto que el proceso así lo requiere; otros, se pueden limpiar y lavar para posteriormente ser usados de nuevo. Es importante tener presente que los �ltros que usan medios �ltrantes de una sola postura pueden generar problemas de residuos sólidos en la empresa. La mayoría de las veces no se reutilizan, lo que los convierte en una carga contaminante para el medio ambiente. Si el medio �ltrante debe ser lavado, para su posterior uso, es importante ser conscientes de que puede causar problemas de contaminación de aguas y que hoy en día la legislación y las normas son bastante estrictos en este sentido. Si el sólido (la torta) no tiene importancia económica para el sector industrial y si se ha usado coadyuvante, también se convierte en un problema. Hoy en día se tiene una Bolsa de Residuos Sólidos a nivel Industrial (BORSI ), para aplicar el concepto de Producción Más Limpia (PML) y buscar otras oportunidades de uso de los residuos sólidos que se generen en todas las industrias; es decir, reciclar o reusar.
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En los sectores industriales donde se produce mucho material particulado o impalpable, la empresa tiene dos enfoques: si el material sale al medio ambiente, como tal, causa problemas de contaminación; pero también, puede ser un material de valor económico para la empresa, como el caso del proceso de disminución de tamaño del feldespato o de la materia prima del cemento (arcilla, mineral de hierro y caliza). La �ltración puede ser de mucha ayuda en estos casos, lo mismo que la centrifugación en ciclones. En las plantas de tratamiento de agua municipal se usan los �ltros de arena para retirar el material que no se “agregó” bien y, por lo tanto, no se pudo retirar e�cientemente por sedimentación. Una vez que el �ltro se tapona se usa agua en contracorriente para retirar el material sólido; así, se crea una corriente de agua residual con una concentración de sólidos mucho mayor que laqueteníaelagua original.Estoocasionaeltrasvase de la contaminación; igualmente problemático para el medio ambiente. El método de �ltración lenta en lechos de arena permite tratar aguas municipales de ciertas características, sin necesidad de usar químicos, solamente mediante el uso de un �ltro de arena de grandes proporciones. En éste se crea una película biológica en la super�cie del mismo; se usa la arena como soporte para que ocurra la biodegradación de la materia orgánica presente en el agua. El sistema de �ltración lenta no tiene una alta capacidad de tratamiento de agua, pero para poblaciones pequeñas y con aguas no muy contaminadas, puede dar buenos resultados. 4.1.12. Flotación. Operación unitaria por medio de la cual se logra la separa-
ción de partículas sólidas suspendidas en un medio líquido. La separación se puede lograr bajo dos principios: el primero es mediante el uso de un agente separador, y el segundo aprovechando directamente la diferencia de densidad entre el líquido y las partículas. El primer caso se da agregando aire bajo la forma de microburbujas a un jugo de caña, por ejemplo, que contiene partículas muy �nas de celulosa procedente de la caña (bagacillo). Las microburbujas de aire se adhieren al bagacillo y, por la tendencia del aire a escapar hacia la super �cie, arrastran la partícula permitiendo la separación y formando en la super�cie una especie de cachaza, que puede ser retirada continuamente. La Figura 4.17 muestra el esquema básico de la operación. Otro caso se presenta cuando el material particulado o sólido, que debe separarse, se mezcla con un líquido de densidad intermedia: el material menos denso que el líquido usado �ota y, naturalmente, el más denso irá al fondo rea-
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Cachaza Separador
Suspensión
Clarificado
Aire Sólidos livianos Mezcla de sólidos
Separador Sólidos pesados
Figura 4.17. Esquema básico de un sistema de separación por �otación.
lizándose la separación. Esto se usa en la puri�cación del carbón mineral para separarlo de tierra o de otras impurezas. Un experimento sencillo que veri�ca lo anterior, es hacer �otar un huevo en un vaso de agua con sal para marcar la diferencia de densidad entre el huevo y el agua. 4.1.13. Lio�lización. Es una operación unitaria por medio de la cual se separa
el agua de una sustancia sólida o de una solución. Esto se logra combinando la congelación, la sublimación y posteriormente, una evaporación o calentamiento para terminar de retirar la humedad. En la congelación se realiza un enfriamiento a temperaturas bajo cero, para congelar la humedad libre (la no ligada químicamente). Posteriormente, se realiza la sublimación, la cual se efectúa generalmente al vacío. La sublimación es el paso de una sustancia, desde el sólido hasta el vapor, sin pasar por el estado líquido. El calentamiento �nal, donde se pueden alcanzar temperaturas hasta de 50 0C, permite retirar el agua remanente. Como puede verse, esta operación retira la humedad de los sólidos al igual que el secado. Tiene la ventaja de conservar muchas de las características organolépticas del producto, a pesar de que el contenido �nal de humedad del sólido puede ser hasta del 2%. Las propiedades organolépticas son aquellas que se pueden percibir por los sentidos y que en la mayoría de los alimentos determinan su calidad y, por consiguiente, su competitividad. El café soluble puede obtenerse por lio�lización; además, otros productos alimenticios como los jugos, las carnes y las verduras, pueden concervarse porque el nivel
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de humedad al que se llega no permite la actividad de los microorganismos, los cuales pueden descomponer fácilmente ciertos alimentos, si encuentran el ambiente propicio. La Figura 4.18 muestra el esquema que representa la operación de lio�lización. Agua
Calor Sólido Húmedo
Congelación
Sublimación
Agua
Secado
Sólido Seco Figura 4.18. Esquema de lio�lización.
El objetivo de una operación de lio�lización es retirar el agua presente en un sólido, generalmente un alimento. El �n principal de deshidratar un alimento es conseguir su conservación, para evitar que proliferen los microorganismos presentes en todas partes, dada su dependencia del agua, como todo ser vivo. Además, se logra disminuir el peso y el volumen del sólido, lo que se ve compensado en una disminución en costos de transporte y de almacenamiento. La congelación de un sólido, un alimento por ejemplo, implica bajar la temperatura del agua que contiene; es decir retirar calor (los alimentos tienen cantidades elevadas de agua). El calor que se retira es la suma del calor sensible del agua y todos los demás componentes del alimento, y el calor latente contenido, generalmente solo el del agua a evaporar. Algo que caracteriza la lio�lización y que la hace más usada con respecto al secado, es la conservación de las características organolépticas. Para esto, es de vital importancia que la operación de sublimación se realice bajo unas condiciones de vacío que garanticen bajas temperaturas. El contenido �nal de humedad, generalmente, está entre el 2% y el 3%. 4.1.14. Lixiviación. También conocida como extracción líquido-sólido, es una
operación unitaria por medio de la cual se realiza la separación mediante la solución de una manera preferencial, de uno o más componentes de un sólido, por medio del contacto con un solvente líquido. Si el solvente líquido está en su punto de ebullición, la operación se denomina decocción y si la materia soluble está en su mayor parte sobre la super�cie de un sólido insoluble, la operación
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se denomina elutración. La aplicación se presenta en la industria a nivel de la metalurgia; por ejemplo el cobre con ácido sulfúrico y el oro con cianuro de sodio. Productos orgánicos que se separan de su medio natural por ejemplo el azúcar con agua caliente, aceite de soja, algodón y girasol con solventes orgánicos como el hexano, los taninos con agua y muchos componentes de raíces, tallos y hojas con agua o alcohol. Cuando se realiza la operación con un solvente, como el hexano, se debe tener en cuenta que el sólido agotado retiene solvente y que el solvente queda con el material soluble extraido y parte del sólido, por lo cual, el sólido se debe desolventizar y el solvente se debe �ltrar para retirar las partículas en suspensión; la torta de esta �ltración también debe desolventizarse. Todos estos pasos pueden incrementar el consumo de solvente y debe recordarse que el rendimiento de esta operación se mide de acuerdo a la cantidad de solvente consumido por unidad de sustancia retirada: galones de hexano gastado por cada kilogramo de aceite obtenido de la semilla de soja, por ejemplo. El éxito de la lixiviación depende en gran parte de la preparación del sólido, de la temperatura a la cual se realiza la lixiviación y de la pureza del solvente empleado. El sólido se debe adecuar convenientemente ya que muchas veces la sustancia que se va a extraer está rodeada de material que no permite el paso del solvente, o si lo hace, es muy lento. El caso de la soja con la cutícula que rodea el grano es un ejemplo adecuado (recordar que la soja es un fríjol); además, la semilla se debe quebrantar, triturar y laminar para facilitar la extracción. La temperatura a la cual se realiza la lixiviación debe ser la más alta posible ya que la solubilidad del material a retirar, aumenta. Pero esto, trae complicaciones ya que también aumenta la solubilidad de sustancias indeseables que, posteriormente, deben retirarse para puri�car la sustancia deseada, lo que acarrea costos adicionales. Por lo tanto, se debe buscar una temperatura tal, que permita un punto de equilibrio entre lo extraído, lo no extraído y los costos. La pureza del solvente es importante debido a que al calentarlo, parte de él puede evaporarse y disminuir la e�ciencia al igual que aumentar sus pérdidas por fugas (una sustancia pura tiene un punto de ebullición constante; si no es pura, entonces tendrá un rango de temperatura para la ebullición). Las fugas del solvente se presentan, generalmente, por sobrepresión del equipo extractor; esto se debe evitar por costos y por seguridad, sobre todo si el solvente es explosivo como en el caso del hexano.
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La operación se puede realizar en tanques con un falso fondo (lámina perforada), sobre el que se soporta la semilla ya adecuada. La adecuación de la semilla, soja por ejemplo, se realiza quebrantando, separando cutícula y laminando; la cutícula se incorpora, luego de la extracción, a la torta desoventizada. El solvente entra por la parte superior percolando a través de ella y realizando la extracción del material de interés (aceite, por ejemplo). La operación se puede realizar usando un solo tanque y trabar por baches o de forma continua hasta que el sólido se agota, es decir, se llega a la cantidad máxima que se piensa extraer, dejando un mínimo en el sólido que conforma la torta. También se puede usar más de un tanque en serie o un solo equipo que hace las veces de muchos tanques. El sistema Shanks es un caso especial que usa más de un tanque y convierte un sistema de contacto múltiple por baches, en un sistema global continuo. 2
2
Solvente
1
1 3
Solvente
3 6 6 4
4
5 Solución
5 Solución
Figura 4.19. Contacto múltiple en contracorriente. Sistema Shanks.
El sistema mostrado en la Figura 4.19 consta de seis tanques los cuales se llenan de material sólido a extraer, pero, en operación solo están cinco tanques, quedando uno en reserva. El solvente pasa en serie por los cinco tanques, donde entra como solvente puro al tanque uno y sale, como solución concentrada del tanque cinco. Cuando el sólido del tanque uno se agota, entonces, el solvente puro ya no entra al tanque uno, sino al tanque dos y la solución concentrada sale ahora del tanque seis, como lo muestra el segundo sistema de la �gura. El tanque uno se desolventiza, se desocupa y se vuelve a cargar con sólido fresco para esperar el turno de entrar nuevamente al sistema. De esa manera, se van turnando los tanques en tal forma que cada uno de ellos, en algún momento, va a estar desocupado. El término “desolventiza” signi�ca, literalmente hablando,
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retirar el solvente (hexano, por ejemplo), lo cual se realiza por calentamiento. En la industria del aceite, la solución formada por el aceite y el solvente se denomina miscela mientras que se llama “torta”, a la semilla lixiviada y desolventizada. La torta se usa como materia prima en las fábricas de concentrados para animales (torta de soja, de algodón, de ajonjolí, de girasol, etc.). La Figura 4.20 muestra el grá�co de un equipo continuo de contacto múltiple, empleado en la industria aceitera (tecnología alemana). Entrada de sólido.
Salida sólido Solvente puro
Solvente concentrado
Figura 4.20. Extractor horizontal continuo
Si el proceso de lixiviación se analiza detenidamente, se puede concluir que lo que realmente se hace con el solvente es comprarlo para �nalmente, “botarlo a la atmósfera” sin ningún proceso de transformación química, es decir, botarlo entero, porque las pérdidas ocurren por evaporación. En la obtención de aceites hay una cantidad de solvente que se considera “normal” que se pierda, por cada unidad de masa de aceite crudo obtenido; este solvente se mide en galones de solvente “perdido” por cada tonelada de aceite crudo obtenido. Es el índice de productividad o índice unitario más importante usado en el sector aceitero. Además, se tienen grandes cantidades de solvente en circulación en el
proceso con respecto a la masa de sólido que se está procesando. Por ejemplo la concentración de la miscela (aceite + solvente) en las plantas de extracción de aceite está cerca del 30%, al igual que en el proceso de extracción de sólidos solubles del café.
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Desde el punto de vista ambiental se puede establecer que, a nivel industrial, en esta operación, cuando se usa un solvente diferente al agua como es el caso de los solventes orgánicos, se está aportando la materia prima para que ocurra una serie de reacciones químicas a nivel atmosférico. Cuando se presentan condiciones de inversión de temperatura (una capa de aire caliente sobre una capa de aire frío), se forman compuestos como el Nitrato de Peroxi Acetilo (PAN ) a partir de dichos compuestos orgánicos. Éste es el responsable de la irritación en los ojos en las situaciones de smog fotoquímico, en los grandes centros urbanos. Ahora, además de la producción de PAN, las reacciones químicas catalizadas por la luz solar también conducen a la formación de ozono (O3) sobre todo en los días de verano que presentan temperaturas muy elevadas y sin vientos que dispersen estos compuestos. La envoltura gaseosa que cubre la tierra consta de varias capas; la troposfera que es la más cercana a nosotros, es donde ocurren la mayoría de las reacciones químicas siendo como una “sopa” de sustancias químicas emitidas por las actividades antropogénicas y naturales. A partir de los 10 km y hasta los 50, se encuentra la estratosfera la cual contiene un cinturón de ozono equivalente al 95% del ozono que existe en la atmósfera. Este ozono actúa como un �ltro frente a los rayos ultravioleta, preservando la vida. Se puede a�rmar entonces, que el ozono en la estratosfera es un ozono bueno, mientras que el ozono en la troposfera es un ozono malo, ya que resulta venenoso cuando se encuentra a nivel del suelo. Actualmente es una realidad el agotamiento de los combustibles fósiles, entre ellos el petróleo. Para nadie es un secreto, que la petroquímica abastece de materias primas e insumos, un alto porcentaje de la industria en el mundo. Para la industria aceitera y muchas otras más, es el momento de ir pensando en sus departamentos de Investigación y Desarrollo (I&D), cuales serán los sustitutos de los solventes orgánicos en los procesos que dependen de una manera directa o indirecta del petróleo. Es un nuevo reto al que se enfrenta la humanidad. 4.1.15. Reducción de tamaño. Debido a la presentación que tiene en la na-
turaleza y a la forma como se realiza la extracción, muchas sustancias que se emplean como materia prima en la industria no pueden ser usadas directamente, ya que su uso implica una adecuación. Las sustancias sólidas requieren una reducción de tamaño que va desde tamaños de varios centímetros hasta el mismo impalpable. Este tamaño es necesario si se requiere facilidad para una reacción química, facilidad de transporte, facilidad de separación de uno de sus
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componentes, etc. La reducción de tamaño fue desarrollada para la conversión de granos en harina y otra clase de alimentos; sin embargo, también es importante la reducción de tamaño en procesos de minería, fabricación de cemento, metalurgia, producción de papel y variadas operaciones de producción química. En la terminología de los procesos industriales se hace distinción entre los equipos usados para disminuir el tamaño de grandes terrones y las que pulverizan. Es así como aparecen los conceptos de quebrantado, triturado y molienda en orden decreciente de tamaño. Las primeras pueden aceptar materiales de hasta dos metros de diámetro, las segundas de hasta medio metro y las ultimas, se usan para producir material �no de hasta un micrómetro. Es una operación que consume mucha energía pero, la gran mayoría de ésta, se pierde como calor por fricción o por impacto. En la medida que el tamaño del material disminuye, el consumo de potencia por unidad de masa producida aumenta, de ahí los costos del material �no. También in�uye la dureza del material. Dentro de los equipos usados a nivel industrial para realizar la reducción de tamaño se encuentra la quebrantadora de quijadas la cual está compuesta por dos placas que forman un conducto en forma de V . Se tienen dos diseños conocidos que son el tipo Blake y el tipo Dodge. El primero, tiene una placa pivotada en la parte superior mientras que en el segundo, la placa está pivotada en la parte inferior, aunque el concepto de la operación para ambas es comprimir y triturar el material hasta que lo hacen lo su�cientemente pequeño para que pase por la garganta o abertura del fondo de la V . La quebrantadora giratoria tiene forma de cono y por el fondo, entra un mortero con un pivote en la par te superior del embudo; la base de la masa gira excéntricamente haciendo que el espacio de contracción en la descarga oscile. Opera de una manera similar a la de quijadas, pero, ésta es más propensa a atascarse. El molino de rodillo o de barras es un cilindro giratorio dispuesto de manera horizontal que tritura el material contra otro rodillo, el cual gira de manera opuesta y a diferente velocidad; están limitados en el tamaño del material de entrada. Los molinos de bolas son cilindros giratorios horizontales, que tienen como medio de trituración bolas; si el medio de trituración son barras, entonces se llaman molinos de barras. Por fuerza centrífuga, las bolas giran pegadas a las paredes del cilindro pero luego, cuando la fuerza de gravedad vence la fuerza centrífuga, caen triturando el material por impacto. En estos mismos equipos se puede realizar trituración con agua como es el caso de la trituración de la caliza, el mineral de hierro y la arcilla para la
Fernando Méndez Delgado
195
A
B
C
Figura 4.21. Quebrantador de mandíbula Blake (A), Dodge (B) y Giratoria (C).
elaboración de cemento, vía húmeda. Los molinos de barras no son e�cientes para la trituración �na, pero, son muy buenos para la trituración intermedia. La presencia de material �no disminuye la e�ciencia de la reducción de tamaño y por consiguiente, disminuye la capacidad global de proceso: se requiere más capacidad de transporte y mayor consumo de energía. Por esto, es necesario trabajar de tal forma que se pueda ir retirando el material �no que haya cumplido especi�caciones. La mayoría de las empresas que hacen reducción de tamaño utilizan el sistema de circuito cerrado, en el cual el material que cumple especi�caciones se retira y el que no cumple se retorna al proceso. También se puede usar un sistema de equipos de reducción de tamaño en serie; la forma de saber si cumple especi�caciones es efectuando la operación de tamizado que realiza la clasi�cación de material, como se verá más adelante. El tamizado se puede realizar tanto en el circuito cerrado como en el proceso en serie; en este último caso, se coloca el tamiz o malla, justo antes de cada equipo de reducción de tamaño para ir retirando el material que ya cumplió especi�caciones. En el circuito cerrado se somete el material a la operación de
A
B
Figura 4.22. Molino de barras (A) y Molino de bolas (B).
196
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
reducción de tamaño, que generalmente es molienda; es decir, reducción de tamaño hasta material �no o impalpable. Una vez sale del molino entra al tamiz, donde se separa el material �no (pasa) y el material grueso, que no ha cumplido especi�caciones (no pasa), vuelve al molino. Alimentación
Reducción de tamaño
Tamizado
Material listo
Recirculación
Reducción de tamaño
Tamizado
Reducción de tamaño
Tamizado
Figura 4.23. Esquema de reducción de tamaño en circuito cerrado y en serie
Desde el punto de vista ambiental se puede decir que es una operación que genera mucho ruido dado que se fundamenta en el principio de impacto o de fricción. De igual forma y en caso de no tenerse las medidas preventivas o correctivas indicadas, se puede a�rmar que es una operación que produce mucho impalpable disperso en el ambiente y puede contaminar signi�cativamente el entorno. Para éste ultimo caso se usa, generalmente, un sistema de succión (aspiradora) y de �ltración para recuperar el material, no solo como medida de corrección ante un problema ambiental, sino como actividad que puede signi�car la recuperación de un subproducto o del producto para la empresa. 4.1.16. Secado. Operación unitaria por medio de la cual se retira la humedad
presente en un sólido o en un líquido. Generalmente, aunque no siempre, la humedad es el agua y el gas es el aire. Generalmente y a pesar de lo extenso del concepto de secado, la operación unitaria se considera como la relación entre un material sólido y una corriente gaseosa, de tal suerte que si se pone en contacto un sólido húmedo con una corriente de nuevo gas que contiene una determinada presión parcial de vapor
Fernando Méndez Delgado
197
pv, el sólido transferirá humedad hacia el gas hasta que la presión de vapor de la humedad presente en el sólido, iguale a pv. El contenido de humedad de las sustancias se puede de�nir de acuerdo a los siguientes términos: Contenido de humedad base húmeda = Se de�ne como la masa de humedad sobre la masa de sólido húmedo y la anterior relación multiplicada por cien. Se nota por X’. Contenido de humedad base seca = Se de�ne como la masa de humedad sobre la masa de sólido seco, y la anterior relación multiplicada por cien. Se nota por X. Humedad de equilibrio (X*) = Es el contenido de humedad del sólido cuando se halla en equilibrio a una determinada presión parcial de vapor. Es la humedad que no se puede retirar del sólido. Humedad libre = Es la humedad que contiene una sustancia y que se halla en exceso sobre la mezcla de equilibrio (Solo la humedad libre se puede retirar) = X – X*. Humedad límite = Es la humedad que contiene el sólido y que ejerce una presión de vapor menor que aquella del líquido puro a la misma temperatura. La humedad presente en un sólido o en un líquido ejerce una presión de vapor en una cantidad que depende de la naturaleza de la humedad, de la naturaleza del líquido y de la temperatura. Humedad no límite = Es la humedad que contiene el sólido y que ejerce una presión de vapor igual a la del líquido puro a la misma temperatura. Existe una relación entre la humedad base seca y la humedad base húmeda: Humedad Base Seca = X =
Masa de humdad Masa de sólido seco
Humedad Base Humedad = X =
x 100
Masa de humdad Masa de sólido húmedo
( 4.10)
x 100
( 4.11)
Masa de humedad X
,
198
=
Masa de humedad Masa de sólido seco Masa de humedad + Masa de humedad Masa de humedad
( 4.12)
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
X
,
1
=
1 X
+ 1
=
X
( 4.13)
1 +X
El contenido de humedad en el equilibrio, en unidades de masa base seca (masa de humedad/masa de sólido seco), se puede gra�car contra la presión parcial de la humedad en el gas. Sin embargo se puede dividir la presión parcial de la humedad en el gas entre la presión de vapor de líquido puro para obtener la humedad relativa. El siguiente grá�co muestra la curva de humedad de equilibrio de un sólido donde en la ordenada está masa de humedad por masa de sólido seco y en las abscisas está la humedad relativa del gas (Hr): 1,0
Hr
0 0
X*
Xa
Xb
Figura 4.24. Tipos de humedad en una curva de secado. Humedad de equilibrio = X* (masa de humedad/masa de sólido seco) Humedad límite = Xa (masa de humedad/masa de sólido seco) Humedad no límite = Xb – Xa (masa de humedad/masa de sólido seco) Humedad libre = Xb – X* (masa de humedad/masa de sólido seco)
Debido a que el secado es un proceso de evaporación por debajo del punto de ebullición, entonces cuanto mayor sea la super�cie del material a secar, mayor será la velocidad y mayor la temperatura del gas; por consiguiente, más completa y rápida es la operación de secado. Otra modalidad de secado es por pulverización o por aspersión de una solución en una corriente gaseosa; esta última, permite obtener como sólidos secos, el material disuelto en un líquido. Para esto y usando toberas, se inyecta la solución a grandes cámaras, donde se pone en contacto con una corriente de aire a alta temperatura. Esta es una forma de producir café soluble o leche en polvo, por ejemplo.
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199
Los equipos usados normalmente en la operación de secado a nivel industrial, se clasi�can de acuerdo a las condiciones de �ujo de masa. Pueden ser continuos o discontinuos. Dentro de los equipos para secado discontinuo se encuentra el secador de bandeja, el secador con carrito, el secador con circulación a través del lecho. Dentro de los continuos se encuentra el secador de túnel, tipo turbina, secador con circulación a través del lecho y el secador rotatorio, entre otros 4. Los secadores de bandeja, también llamados de compartimientos, de gabinetes o de anaqueles, se utilizan para secar sólidos que pueden incluir sustancias pastosas o sólidos en terrones; es, básicamente, un gabinete que contiene bandejas móviles sobre las que se coloca el sólido que se va a secar. Después de cargarse se cierra el gabinete y se sopla aire caliente a través de las bandejas y entre ellas, con circulación cruzada o transversal, para evaporar la humedad. Si las bandejas se disponen sobre sistemas con rodachines, de tal forma que pueden entrar y salir del gabinete, entonces son secadores de carrito. Como se pueden cargar y descargar los carritos fuera del secador se economiza tiempo. Si el material a secar es granulado, se pueden disponer sobre tamices y se hace pasar el aire a través de ellos, siendo mucho más rápido el secado. Muchas veces, es necesario un pretratamiento para el sólido, para tener una forma que favorezca la operación de secado. El secador de túnel es una adaptación del secador con carrito; son túneles relativamente largos, donde los carritos cargados con bandejas llenas del sólido a secar circulan y se ponen en contacto con una corriente de gas para evaporar la humedad. Los carros se pueden arrastrar en forma continua por el secador utilizando una cadena móvil. Los sólidos que normalmente se pueden secar en bandejas de una manera discontinua, se pueden también secar en forma continua en secadores tipo turbina. En éste, las bandejas forman una columna y están girando lentamente, alrededor de un eje vertical; cada bandeja tiene una ranura de tal forma, que la alimentación del sólido es en la parte superior que va cayendo lentamente en cascada, encontrándose con el gas caliente que circula por encima de las bandejas por medio de unos ventiladores tipo turbina y sale por la parte superior. El secador continuo con circulación a través del lecho tiene una banda transportadora perforada tipo sinfín que atraviesa el secador; los ventiladores soplan el aire caliente a través del sólido, usualmente hacia arriba. 4
TREYBAL, Robert. Operaciones con Transferencia de Masa . Editorial Hispano Americana S.A, Buenos Aires (Argentina). 1.973
200
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
El secador rotatorio es un cilindro instalado en forma horizontal con un pequeño ángulo de inclinación; es aconsejable para el manejo de materiales granulares que �uyen libremente y que no tienen restricciones por rotura. Se puede usar aire en contracorriente con calor directo, en donde se introduce el sólido a secar en forma continua. Dentro del secador hay desplazadores elevadores que se extienden por las paredes del cilindro a lo largo de todo el secador, elevando el sólido y dejándolo caer en forma de lluvia, para exponerlo a la acción del gas. Para el secado de soluciones se utilizan las torres por aspersión, en las cuales, el gas y la solución entran el paralelo por la parte superior. La humedad retirada sale con el gas, el cual se pasa por un ciclón para retirar material particulado el cual se une al producto �nal. Gases de la Combustión
Solución
Torre
Gases
Ciclón
Sólidos Figura 4.25. Torre de secado por aspersión en una corriente de gases caliente.
Como puede apreciarse en el equipo de secado por aspersión, es necesario producir una corriente de gas caliente que se ponga en contacto con la solución y produzca la evaporación de la humedad. La corriente de gas es el producto de la combustión de un combustible, generalmente un combustible fósil, el cual proporciona la energía su�ciente para el calor sensible necesario para elevar la temperatura de la solución y luego, el calor latente necesario para el cambio de fase de la humedad. Esta energía, junto con la humedad evaporada, es luego disipada al medio ambiente sin ningún tipo de recuperación, siendo una operación altamente derrochadora de recursos. La reconversión industrial
Fernando Méndez Delgado
201
debe tener en cuenta estos aspectos para trabajar bajo los principios de la Producción Más Limpia (PML). Usted se puede imaginar, de una manera rápida, cuánta agua puede sacarse de un río o de un acueducto para producir 100 toneladas de solución con una concentración de sólidos disueltos del 35% en peso. También, se puede imaginar cuanta agua se envía al medio ambiente al concentrar dicha solución del 35% al 98% en peso. ¿Cuánta energía y agua se requieren y cuánta se arroja al medio ambiente? Como ejercicio, puede realizar el balance de materia para el caso planteado y calcular la cantidad de agua que está presente en la solución original, la cantidad de agua que se envía al medio ambiente y encontrar el valor de las toneladas de agua evaporada por tonelada de producto de 98% obtenido; este valor obtenido es un indicador unitario de producción. Siempre se miran las toneladas de materia prima consumidas por unidad de producto obtenido y, rara vez, se mira este tipo de indicadores, a no ser que el agua tenga costos signi�cativos en el proceso. 4.1.17. Sedimentación. Es una operación unitaria por medio de la cual se sepa-
ran sólidos (partículas) o gotas de líquido suspendidos en �uidos, usando como principio de la separación la fuerza gravitacional. El �uido puede ser líquido o gaseoso y puede estar en movimiento o en reposo. El objetivo, en algunos casos, es eliminar las partículas de una corriente de �uido con el �n de separar los contaminantes del mismo; también puede ser para recuperar las partículas y, en otros casos, el objetivo puede ser obtener por separado el �uido y las partículas. Sin embargo, siempre se debe tener en cuenta que las dos corrientes son de interés. En la Figura 4.32 se muestra dos tipos de sedimentadores.
(A)
(B)
Figura 4.26. Sedimentador de partículas (A) y Sedimentador clasi�cador (B).
202
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Esta operación unitaria puede llegar a ser complementaria o sustituta de la centrifugación, de la �otación o de la �ltración. La sedimentación se usa en la depuración de aguas residuales y en el tratamiento de agua para consumo doméstico en acueductos; también, se usa en la limpieza del aire o de los gases provenientes de una combustión o de algún proceso industrial como el que se hace en las plantas de producción de cemento o en las de los molinos de arroz. De igual manera, se usa en la separación de sustancias líquidas inmiscibles como es el caso del agua y el aceite. Cuando la partícula suspendida en un líquido no tiene el su�ciente peso para sedimentarse por gravedad, se puede realizar la operación de coagulación y posteriormente la �oculación para, ahora sí, realizar la sedimentación que toma el nombre de asentamiento. Cuando algunos autores la denominan asentamiento es para diferenciarla de aquella sedimentación que no requiere coagulantes5. En la industria se encuentran equipos de sedimentación por gravedad para realizar separaciones líquido-líquido, líquido-sólido o gas–sólido, en las que se presentan simultáneamente separaciones y clasi�caciones. La mayoría de las operaciones unitarias usadas en la industria, requieren equipos que consumen energía eléctrica. Esta operación tiene la ventaja de no tener costos altos (la gravedad es gratuita), motivo por el cual, es importante que el ingeniero piense en su gran utilidad, sobre todo cuando es una operación alternativa a la centrifugación y a la �ltración. Naturalmente, no siempre se puede realizar la sustitución; por ejemplo, hablar de sedimentación para separar partículas en aceites o mieles, no tiene sentido. También es importante tener en cuenta que, en la sedimentación, no se obtienen sólidos con un grado alto de concentración y a veces, es necesario pensar en espesadores (equipos para concentrar) o en secadores. 4.1.18. Tamizado. Operación unitaria empleada para separar y clasi�car sólidos,
usando como principio de separación la diferencia de tamaño que existe entre el diámetro de la partícula y el diámetro del ori�cio del tamiz. En el tamizado que se realiza en procesos industriales, se vierten los sólidos de diferente tamaño sobre una super�cie perforada denominada malla o tamiz, la cual deja pasar las partículas pequeñas o “�nos” y retiene o no deja pasar las partículas grandes denominadas gruesos o “rechazos”; éstos se descargan por la parte 5
TCHOBANOGLOUS, George. Tratamiento de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones. Editorial Mc Graw Hill, Bogotá (Colombia). 2.000
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superior. De un tamiz se obtienen solamente dos corrientes: el material que pasa, denominado �nos o corriente inferior y el material que no pasa, también llamado gruesos o corriente superior. Como fórmula general, si un módulo de separación tiene n tamices, se obtienen n+1 corrientes diferentes de material. Los tamices industriales se construyen con barras metálicas, placas metálicas perforadas o telas metálicas de materiales como el acero, acero inoxidable, bronce, cobre o níquel. En muchos tamices, las partículas pasan por la fuerza de gravedad debido a la inclinación que a ellos se les da, según su diseño en la industria. En otros casos, se les da movimiento haciéndolos girar, agitándolos o, también, mediante vibración por medios mecánicos. En la operación de tamizado se deben tener en cuenta dos aspectos: la e�cacia de la separación y la capacidad del tamiz. La e�cacia de un tamiz es la medida de la capacidad que éste tiene, para separar netamente los materiales gruesos y los �nos. Esta es del ciento por ciento si todos los �nos salen por el fondo del tamiz y todos los gruesos salen por la parte superior. La capacidad está dada por las toneladas de alimentación que son tratadas por hora y por metro cuadrado de tamiz. La e�cacia y la capacidad son inversamente proporcionales ya que para obtener una e�cacia alta la capacidad debe ser baja y solamente aumenta su capacidad si disminuye la e�cacia; en la industria se busca un punto de equilibrio. En la Figura 4.27 se muestran algunos tipos de tamices y el tipo de movimiento que se les puede dar. El tamizado es una operación unitaria que se puede estudiar de acuerdo con una fórmula obtenida a partir del balance de materia realizado a una sóla unidad, es decir, a un solo tamiz. Con base en estas ecuaciones, el ingeniero de proceso puede hacer un diagnóstico del comportamiento de la separación. Igualmente, se puede anticipar, de una manera teórica, a lo que puede ocurrir. Si se conocen por el laboratorio, la fracción masa de gruesos y de �nos en la corriente de alimentación, en la corriente superior y en la corriente inferior, se puede tener una idea muy aproximada de dos de las tres corrientes involucradas en la operación, previo conocimiento de una de ellas. Por ejemplo, si se conoce la fracción masa de las tres corrientes y la alimentación al tamiz, puede calcularse teóricamente el valor de la corriente superior y de la corriente inferior. La Figura 4.28 sirve de base para la deducción de las ecuaciones mediante el balance de materia. Igualmente, a partir de estas ecuaciones se pueden obtener las fórmulas para el cálculo de la e�ciencia de �nos, la e�ciencia de gruesos y la e�ciencia global.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Figura 4.27. Clases de tamices y movimientos.
G
Tamizado
E
C Figura 4.28. Esquema para el balance de materia de un tamiz. G C E XG XC XE
= Flujo de masa de alimentación al tamiz, kg/h = Flujo de masa de la corriente inferior, kg/h = Flujo de masa de la corriente superior, kg/h = Fracción masa de gruesos de la corriente de alimentación = Fracción masa de gruesos de la corriente inferior = Fracción masa de gruesos de la corriente superior
Del grá�co se pueden deducir las ecuaciones. Un balance total de materia, para el tamiz: G=C+E
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(4. 14)
205
Balance de gruesos: GXG = CXC + EXE
(4. 15)
Si de la Ecuación (4.14) se despeja C y se reemplaza en la Ecuación (4.15) se obtiene: C = G (XE – XG) / (XE – XC)
(4. 16)
El valor de E se puede obtener si se despeja de la Ecuación (4.14) y se reemplaza en la Ecuación (4. 15) con lo que se obtiene: E = G (XG – XC) / (XE – XC)
(4. 17)
La e�ciencia del tamiz se puede obtener de acuerdo al material �no (Ef), de acuerdo al material grueso (Eg) y de una manera combinada (Efg), así: Eg =
E f =
E XE G XG
( 4.18)
x 100
C (1 - X C ) G (1 - X G )
x 100
( 4.19)
E fg = E f x E g x 100
( 4.20)
Como se mencionó con anterioridad, la capacidad de un tamiz se mide de acuerdo a la masa de material alimentado por unidad de tiempo y por unidad de área de tamiz; generalmente, la capacidad en ton/h m2. A nivel industrial, cuando el tamiz se rompe, la capacidad aumenta; sin embargo, la e�ciencia disminuye considerablemente. Para poder controlar este problema, se deben tomar muestras antes y después del tamiz para analizarlas en el laboratorio y tomar las medidas correctivas pertinentes, en caso de que la situación así lo requiera.
4.2. Procesos Unitarios De mucha importancia para la industria son también los procesos unitarios llevados a cabo en las transformaciones industriales. Por proceso unitario se entiende, tal y como se había de�nido al inicio de esta unidad, una transformación química o bioquímica, total o parcial, del material involucrado en la operación. El kumis es producto de un proceso unitario, lo mismo que la liberación de la
206
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
energía contenida en los combustibles fósiles. La cerveza, el vino, el ácido cítrico, los polímeros, y muchos productos más, son producto de un proceso unitario. 4.2.1. Combustión. La combustión es una reacción de oxidación - reducción
fuertemente exotérmica de una sustancia con el oxígeno, habitualmente, con una llama visible. A nivel industrial, los combustibles fósiles se queman desde la revolución industrial y hoy en día, se ha sumado la quema de residuos agrícolas, industriales y residuos sólidos domésticos, mal llamadas “basuras”. Estas últimas se queman con el �n de liberar la energía presente en los enlaces químicos y generar electricidad constituyendo una de diferentes alternativas de proceso que tienen. En la industria, es la energía la que mueve los equipos y la que permite que se realicen las operaciones unitarias y los procesos unitarios que lo requieran como en el caso de la destilación y del secado. Sin embargo, desde el punto de vista ambiental, la combustión es la responsable de la intensi�cación de fenómenos que se presentan en la naturaleza como la lluvia ácida o el efecto de invernadero. Se puede decir que los gases, producto de la combustión, como el dióxido de carbono y los óxidos de nitrógeno y de azufre, incrementan el fenómeno.
La respiración también es un proceso de oxidación, aunque no se puede denominar combustión. Tiene, también, la función de liberar energía y es el fenómeno contrario de la fotosíntesis. En la fotosíntesis se toma la energía que proviene del sol, la cual queda atrapada como energía química en los enlaces de las sustancias formadas: carbohidratos, proteínas y lípidos, básicamente. Con la revolución industrial, los combustibles usados para los procesos industriales fueron los combustibles fósiles, sobresaliendo, inicialmente, el carbón. Posteriormente, se volvió común el uso del petróleo y sus derivados al igual que el gas natural, los cuales fueron usados ampliamente por su aporte energético. Combustible Energía química.
Comburente
Cámara de combustión
Gases de la combustión y calor (partículas)
Figura 4.29. Esquema general de un proceso de combustión.
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En la actualidad, los residuos agrícolas como la cascarilla de café y de arroz, los residuos industriales como el papel o el ripio del café, los “residuos” de los sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas como el biogas y los residuos domésticos llamados de una manera equivocada “basuras”, están siendo considerados la materia prima para los procesos de combustión. A futuro, la madera obtenida de especies de rápido crecimiento y el alcohol carburante obtenido a partir de la fermentación de materiales como el jugo de caña, la papa o la yuca, están llamados a ser asunto de “profunda investigación” , en materia de combustibles y se consideran los combustibles de transición hacia el combustible del futuro (¿H 2?). 4.2.2. Escaldado. Es un tratamiento térmico que se realiza frecuentemente, a
frutas y a legumbres. Estas se sumergen en agua que está entre 70 °C y 95 °C durante un tiempo que oscila entre uno y diez minutos; también en vapor de agua con temperaturas alrededor de 100°C. Es un proceso en el cual el consumo energético es signi�cativo, hasta el punto que es de suma importancia realizar estudios de investigación orientados a aumentar la e�ciencia energética encaminados a la competitividad. ? Agua de reposición
Agua
Calentador
Alimento crudo
Tanque de escaldado
Planta de tratamiento de aguas residuales
Alimento escaldado
Agua contaminada
Figura 4.30. Esquema de un proceso de escaldado.
De suma importancia es que se comprenda qué es la operación de escaldado; sin embargo, también es demasiado importante saber por qué se realiza,
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
cuáles son sus ventajas y cuáles sus desventajas. Con el �n de disminuir las pérdidas durante el almacenamiento, ocasionadas por el deterioro, se somete el alimento al escaldado, para destruir el sistema enzimático del alimento. Algunas sustancias en pequeñas cantidades, tienen la propiedad de acelerar las reacciones químicas sin que se alteren ellas mismas después de la reacción. Las enzimas pertenecen a este tipo de sustancias y son consideradas catalizadores orgánicos. Adicional a la acción destructiva sobre las enzimas, el escaldado es un tratamiento térmico poco severo que, además, destruye microorganismos que están en forma vegetativa sobre la super�cie del alimento, aviva el color de las legumbres, elimina sustancias indeseables del alimento como el amargo de algunas de ellas, elimina el aire ocluido que puede propiciar una actividad de oxidación que desmejora la calidad del alimento, favorece el precalentamiento para operaciones posteriores como la esterilización, facilita la manipulación para envasado, siendo éstas, unas de sus muchas ventajas. Sin embargo, el escaldado no solo presenta aspectos positivos o favorables; también presenta aspectos negativos o inconvenientes ya que puede alterar la textura de los alimentos. Además, las características organolépticas o calidad sensorial, se pueden desmejorar presentando sabores que no son naturales, sobre todo cuando el enfriamiento, que se debe realizar para controlar el tiempo de duración del tratamiento térmico, se efectúa por inmersión en agua. Ésta puede extraer sustancias solubles que caracterizan el alimento, lo que generalmente disminuye su valor nutritivo, a la vez que contamina el agua con materia orgánica. Un tiempo prolongado del tratamiento térmico tiene efectos sobre la textura del alimento y es, además, un consumo de recursos que cuesta. Una forma de disminuir el tiempo de escaldado, es agregando al agua un ácido en baja concentración (ácido cítrico al 0,6%); con esto, se aumenta la sensibilidad al calor de los sistemas enzimáticos. La consistencia obtenida por escaldado común puede ser mejorada, agregando al agua de escaldado una sal como el cloruro de sodio; sin embargo, no es igual para todos los alimentos ya que algunos de ellos, presentan buena respuesta cuando se usa azúcar, en lugar de sal. Esto, igualmente, contamina el agua de escaldado. Desde el punto de vista ambiental se debe considerar que se producen aguas contaminadas procedentes del escaldado, las cuales se generan en la operación como tal. Dos de los parámetros considerados en la contamina-
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209
ción de aguas son la DBO (Demanda Biológica de Oxígeno) y los SST (Sólidos Suspendidos Totales). Hoy en día, estos parámetros deben tenerse en cuenta como costos adicionales al proceso atendiendo al principio de que se deben internalizar las externalidades. La Tasa Retributiva es un tributo que pagan las personas naturales o jurídicas por realizar vertimientos puntuales a fuentes de agua; de esos vertimientos se cuanti�ca la carga orgánica como DBO y los sólidos como SST, factores que se pagan en $/kg para cada uno de ellos. Estos costos se cargan al precio del producto, que �nalmente paga el consumidor, con consecuencias sobre la competitividad de la empresa. Importante es que el e�uente de la operación (agua que sale), una vez tratado, pueda ser usado en el mismo proceso, nuevamente, o en otro. Además del agua tratada, de la planta de tratamiento salen otras sustancias, cuyas características dependen del tipo de tratamiento usado. 4.2.3. Esterilización. La presencia de microorganismos diferentes a los reque-
ridos en un proceso biológico, es decir, microorganismos extraños al proceso, pueden originar verdaderos desastres en la industria. La fermentación de la miel de caña es realizada por levaduras en cultivos puros; si esta condición se da, el producto elaborado por la levadura es alcohol etílico. Pero, si por algún motivo, los tanques donde ocurre la fermentación se contaminan con bacterias acéticas, por ejemplo, ésta utiliza como alimento el alcohol producido por la levadura y lo convierte por intermedio de su metabolismo en ácido acético, que no es el objetivo del proceso. Adicional a lo anterior, los productos del microorganismo “invasor” pueden ser nocivos para la levadura, atacándola letalmente o compitiendo con ella por nutrientes o por sustrato. Por situaciones como las planteadas se requiere, en la mayoría de los procesos biológicos, que en el medio exista una sola clase de microorganismos. El proceso de esterilización es tratado de diferentes formas y bajo diferentes términos. Duarte Torres, Alberto, profesor de la Universidad Nacional de Colombia, dice al respecto: “La esterilización destruye, inactiva, o remueve toda forma de vida microbiana y produce en los microorganismos una pérdida irreversible de su capacidad de reproducción en el ambiente considerado, pero no signi�ca la inactivación de las enzimas celulares y de las toxinas” (Introducción a la Ingeniería Bioquímica). Rodriguez, Aída, profesora de la Universidad del Valle, dice al respecto: “La esterilización que conduce a la esterilidad absoluta comprende la destrucción completa de todos los microorganismos, cualquiera
210
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
sea su forma o especie” (Tratamientos Térmicos). De acuerdo con estos autores, la operación de esterilización tiene un grado de relatividad. Se puede hablar de esterilización total cuando se mata todo tipo de microorganismo y sus formas, o de esterilización comercial que es una esterilización que garantiza, que en las condiciones de almacenamiento, los microorganismos patógenos o productores de toxinas no van a ocasionar la degradación del producto. Esto implica, que los productos comercialmente esterilizados pueden contener una cantidad relativamente restringida de esporas, pero ellas no se desarrollan normalmente. Desde el punto de vista de la microbiología se entiende por esterilización , el proceso de destruir todas las formas de vida microbiana. Un objeto esterilizado, en el sentido microbiológico, está libre de microorganismos vivos. Los términos estéril, esterilizary esterilizaciónse re�eren a la ausencia o destrucción completa de los microorganismos y no se usan en sentido relativo. Una sustancia o un objeto están estériles o no lo están, pero nunca están semiestériles o casi estériles6.
Los microorganismos se eliminan, inhiben o matan por medio de agentes físicos, procedimientos físicos o agentes químicos. Se cuenta con una gran variedad de técnicas y agentes que actúan de maneras muy diferentes y cada uno, tiene sus ventajas y sus limitaciones. Se debe, entonces, realizar un análisis detallado del método que se va escoger para hacer el control microbiano, teniendo en cuenta las condiciones de proceso, las condiciones de seguridad y �nalmente, el aspecto económico. La esterilización es de suma importancia para el proceso de fermentación e implica que necesariamente el medio debe estar estéril antes de inocular el cultivo de levaduras por lo que se calienta la meladura hasta 107°C durante cinco minutos; esto, sin embargo, no es recomendable donde exista la presencia de proteínas, a no ser que el tiempo de calentamiento sea de segundos. La temperatura alta combinada con un grado de humedad alto, es uno de los métodos más utilizados por su efectividad para destruir microorganismos. Sin embargo, se debe distinguir entre calor húmedo y calor seco; el calor húmedo mata los microorganismos porque coagula sus proteínas, mientras que el calor seco los mata por oxidación: es más rápido y efectivo el calor húmedo. El vapor proporciona temperaturas más altas que las que se obtienen por ebullición. La luz ultravioleta es otra forma de eliminar microorganismos; sin embargo, sólo los microorganismos que se encuentran en la super�cie de los objetos que se 6
PELCZAR / REID / CHAN. Microbiología. Editorial Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.982
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exponen directamente a su acción son susceptibles de ser destruidos. Algunos materiales, particularmente los líquidos biológicos como el suero o las soluciones de vitaminas o enzimas se destruyen con el calor o son susceptibles de sufrir daños por radiaciones, para los que resulta una buena opción, la �ltración. En el comercio existen �ltros bacteriológicos que se construyen de porcelana, de asbesto o tierra de diatomeas, los cuales están basados en el tamaño de sus poros. Gran número de compuestos químicos en concentraciones apropiadas son capaces de matar o inhibir los microorganismos. Debido a las grandes variaciones en el ambiente y a la magnitud y diversidad de organismos, no es posible determinar o recomendar un sólo agente químico para eliminar o reducir la �ora microbiana; por esto, es importante conocer las sustancias químicas con que se cuenta para cada propósito, sus características y su e�cacia como agentes antimicrobianos. La selección del agente químico que se utiliza, tiene en cuenta los siguientes aspectos: • Naturaleza del material que será tratado. La sustancia seleccionada deberá ser compatible con el material sobre el que se aplicará. • Tipos de Microorganismos. Los agentes químicos no tienen la misma efectividad cuando actúan contra hongos que cuando actúan contra bacterias. • Condiciones ambientales. Factores o condiciones como temperatura, pH, tiempo y concentración deben ser tenidos en cuenta, a la hora de mirar la e�ciencia del agente químico. Algunos de los principales agentes químicos usados para matar los microorganismos son: alcoholes, fenoles, halógenos, metales pesados y sus compuestos, detergentes, ácidos y bases, entre otros. La penicilina es un antibiótico de mucha importancia en la actualidad; sin embargo, algunas cepas de bacterias normalmente susceptibles, adquieren resistencia a la penicilina. A nivel industrial es muy usado el método de esterilización con vapor de agua haciéndolo pasar por todos los equipos y tuberías, antes de iniciar el proceso biológico; sin embargo, es importante para el ingeniero encargado del proceso, conocer cuales son las posibles vías de ingreso de los microorganismos “invasores” o contaminantes: el suministro de aire si es aerobio, el medio, el inóculo y el proceso de inoculación, los nutrientes que se adicionan y el antiespumante, son posibles causas para que los microorganismos aparezcan en los procesos.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
4.2.4. Fermentación. Literalmente hablando, la fermentación es un proceso
unitario donde se presenta la transformación de una sustancia orgánica en otras sustancias por la acción de un complejo enzimático. Su nombre viene de la palabra fermento que signi�ca enzima; una enzima es un catalizador orgánico formado básicamente por una proteína. Desde el punto de vista bioquímico la fermentación es la degradación enzimática anaerobia de los hidratos de carbono, mientras que la degradación enzimática de las proteínas y los aminoácidos se denomina putrefacción.7. Reproducción de levadura.
Miel de purga
Alcohol
Levadura
Proteína
CO 2
Cuba de fermentación
Destilación
Vinaza
Centrifugación
Guarapo
Tratamiento y a cultivos
Figura 4.31. Esquema del proceso de fermentación alcohólica.
Si no existieran microorganismos que realicen la fermentación y la putrefacción, la vida se acabaría, ya que con el tiempo todos los átomos de carbono y nitrógeno estarían en los cuerpos de los animales y vegetales muertos sin que existiera materia prima disponible, como mineral, para la síntesis de nuevo material vivo8. En los procesos industriales son varias las aplicaciones que tiene la fermentación. Entre ellas se pueden citar: la producción de alcohol a partir del jugo de la caña (guarapo) y posterior destilación, la producción de vino a partir del jugo de la uva, la cerveza a partir de malta, el vodka y el whisky fermentando almidones de papa y cebada respectivamente. La fermentación de jugos de 7 8
WILCHES, Mauricio. Bioingeniería. Universidad de Antioquia, Medellín (Colombia). 1.985 VASQUEZ Torre, Guadalupe Ana María. Ecología y Formación Ambiental. Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.993
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variadas frutas como mora, curuba y cereza por ejemplo, también puede ser vir para la producción de ciertas bebidas alcohólicas. Existe una fermentación no alcohólica que permite la producción de sustancias como el kumis, el yogurt y una gama de quesos. Es importante no perder de vista, que todos estos procesos industriales están asociados a un microorganismo, que es el que se encarga de aportar la enzima o las enzimas; generalmente es un complejo enzimático el que participa en el proceso de transformación. La tecnología moderna ha permitido aislar las enzimas de tal forma, que se puede realizar la fermentación sin la presencia del microorganismo que las produce. Actualmente la humanidad tiene un gran problema: el agotamiento del agua en los sitios que ésta se requiere ya que, la poca que hay, está contaminada. No se puede decir que un país es rico en agua y que no tiene de que preocuparse, cuando el agua no se encuentra donde están los asentamientos humanos, sino que se encuentra bastante lejos y en zonas poco accesibles. Los vertimientos industriales y las descargas de las aguas residuales domésticas directamente a los ríos, está causando el famoso “efecto gallinero”, que consiste en que los habitantes de las zonas altas contaminan el agua y las descargan a los ríos, contaminando a su vez, el agua que consumen los habitantes de las zonas bajas.
Los procesos biológicos anaerobios son los más usados en el tratamiento del agua residual. Estos presentan “ventajas” respecto a los procesos aeróbicos: poca producción de biomasa, generación de biogas, bajo consumo energético de elementos mecánicos para su funcionamiento, etc. Sin embargo, también presenta desventajas como el mayor tamaño de los reactores biológicos y un posible trasvase de la contaminación hacia la atmósfera. La biotecnología se está imponiendo en todos los campos, sobre todo en los sistemas de tratamientos de residuos lo que hace de la fermentación y la putrefacción procesos unitarios de obligado conocimiento de parte del ingeniero. En la Figura 4.32 se muestra el diagrama simpli�cado de una planta de tratamiento de aguas residuales, donde se resalta la importancia del reactor biológico, como tratamiento secundario. Los equipos empleados en los procesos de fermentación son tanques que deben contar con una muy buena agitación que garantice homogeneidad en todos sus puntos, con sistemas de intercambio calórico, en caso de que la reacción sea exotérmica o endotérmica. En términos generales, se puede decir que estos equipos deben tener las condiciones que permitan el “bienestar” del microorganismo desde el punto de vista físico–químico. El equipo donde “vive” y “actúa” el microorganismo recibe el nombre de biorreactor.
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Agua
Biogas
tratada
Agua contaminada
Tratamiento primario
Reactor biológico
Sedimentador
Bio-lodos
Figura 4.32. Diagrama del proceso del tratamiento de aguas residuales.
4.2.5. Hidrogenación. La hidrogenación es el método más fácil para preparar
alcanos; no es sólo la síntesis de alcanos, sino un método para convertir un doble enlace carbono-carbono, en uno simple. Dependiendo del equipo, del catalizador y de las condiciones, se puede convertir un alqueno en un alcano, un alcohol no saturado en uno saturado o un éster no saturado en uno saturado. |
|
|
- C = C- H -H
|
-C – C|
|
H
H
La hidrogenación es exotérmica; es decir, es una reacción que libera calor. El calor desprendido al hidrogenar un mol de un compuesto se llama calor de hidrogenación; es, simplemente, el cambio de entalpía de la reacción (H). El calor de hidrogenación de casi todo alqueno se aproxima a un valor de 30 kcal por cada doble enlace del compuesto. Lo mismo que la química de los alquenos es la del doble enlace, la de los alquinos es la del triple enlace carbono-carbono. La adición de hidrógeno a los alquinos es muy similar a la adición de los alquenos, excepto que en éste caso, pueden consumirse dos moléculas de hidrógeno por cada triple enlace. Si se eligen condiciones apropiadas, es posible limitar la reacción a sólo un enlace, convirtiendo alquinos en alquenos.
- C C - + 2H2
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H
H
|
|
-C – C|
|
H
H
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Se sabe que las grasas contienen glicéridos de ácidos carboxílicos no saturados y que la insaturación de una grasa tiende a rebajar su punto de fusión convirtiéndola en un líquido a temperatura ambiente. Por lo tanto, la hidrogenación de algunos de los dobles enlaces de aceites como el de soja o el de la semilla de algodón, convierte estos líquidos en sólidos de aspecto parecido al de las margarinas. Este endurecimiento de los aceites es la base de una industria que produce grasas para cocinar. La hidrogenación no solo cambia las propiedades físicas sino también las químicas, ya que una grasa hidrogenada es menos propensa a ponerse rancia que una no hidrogenada. La rancidez se debe a la presencia de ácidos y aldehidos volátiles de mal olor, sustancias que resultan cuando las “ataca” el oxígeno. 4.2.6. Hidrólisis. Se de�ne como la descomposición de una molécula por la
acción del agua y por extensión, es la reacción de un compuesto con el agua. Desde el punto de vista químico se entiende la solvólisis como la reacción de una sustancia con el disolvente en el que está disuelta, de tal forma que cuando el solvente es agua se llama hidrólisis. Las grasas y aceites son sustancias que sufren hidrólisis con relativa facilidad. La hidrólisis de éstas, se puede inducir fácilmente por medios químicos; por ejemplo, en la saponi�cación o formación de jabón. De las grasas se obtiene, por hidrólisis, glicerina y ácidos grasos; si estos ácidos grasos reaccionan con bases forman una sal denominada jabón. Las bases normalmente usadas son el hidróxido de sodio y el hidróxido de potasio, aunque se puede usar la ceniza del fuego de leña. El jabón corriente es simplemente una mezcla de sales sódicas de ácidos grasos de cadenas largas. La siguiente es la marcha química de la hidrólisis de una grasa:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
La hidrólisis, por acción de enzimas bacterianas, divide la molécula de la grasa y del aceite en glicerol más ácido graso, tornándolas rancias. La hidrólisis del almidón de yuca en medio ácido permite obtener glucosa para posterior fermentación alcohólica; este, es uno de los proyectos que se tiene en el país para la producción del alcohol carburante, en regiones donde no es viable obtener carbohidratos a partir de la caña de azúcar. 4.2.7. Pasteurización. La pasteurización o pasterización es un tratamiento tér-
mico que se realiza a temperaturas que están por debajo del punto de ebullición del agua y que tiene como objetivo, la destrucción de todos los microorganismos patógenos por desnaturalización de sus enzimas y sus productos coloidales. El tratamiento no garantiza la esterilización, motivo por el cual esta operación debe ir combinada con un sistema posterior de refrigeración; de lo contrario, los microorganismos no patógenos que son resistentes, pueden llegar a reproducirse. Como el calentamiento puede llegar a cambiar la apariencia o las condiciones organolépticas de los alimentos, debe tenerse mucho cuidado al realizar la pasteurización. Se debe escoger muy bien la relación tiempo-temperatura para que cumpla con el objetivo y no cause deterioro alguno al alimento. Siendo la producción de vinos una de las principales industrias en Francia, Louis Pasteur estudió los métodos y procedimientos que intervenían en ella, con objeto de ayudar a producir un producto de buena calidad, sin tener lotes con �uctuaciones en sus características. El cientí�co observó, que la labor de fermentación de las frutas y de los granos que producían alcohol la llevaban a cabo unos microorganismos. Al analizar varias cosechas de vinos, reconoció que los microorganismos fermentadores eran de variadas clases, predominando cierto tipo de ellos. En los buenos lotes sobresalía un tipo de microorganismos y en los vinos de regular o mala calidad, otro. Mediante la selección adecuada del microbio, el productor de vinos podía estar seguro de obtener un producto uniforme y de calidad constante. Como los microbios estaban ya en los jugos de la uva, éstos debían ser separados y comenzar una nueva fermentación, con microorganismos obtenidos de tanques donde se hubiera presentado una buena fermentación. Pasteur, señaló que los microorganismos indeseables podían ser eliminados por calentamiento, no lo bastante para desvirtuar el aroma de los jugos de la fruta, pero sí, para hacer inocuos a los microbios, concluyendo que esto se lograba, si la temperatura de los jugos se mantenía a 62°C, durante media hora. Hoy el proceso de pasterización en la industria se realiza antes
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217
de inocular los microorganismos que van a realizar la fermentación, haciendo combinaciones entre la temperatura y el tiempo de exposición. Se puede hablar de temperaturas de 60 °C por 30 minutos o de 120 °C, por apenas segundos de exposición. Actualmente, en la industria se utilizan diferentes tipos de pasteurización, realizando diferentes combinaciones de temperatura y tiempo. Por ejemplo, se puede aumentar la temperatura de exposición de la sustancia, pero se disminuye el tiempo de contacto. Igualmente, se puede disminuir la temperatura de exposición, pero se aumenta el tiempo de contacto. A continuación se muestran las diferentes alternativas con que se cuenta para combinar las dos variables: tiempo y temperatura. Sistema
T (0C)
Tiempo
Pasterización baja o lenta
62 - 68 68 - 72 71 - 74 82 - 85 135 - 150
30 minutos 8 – 40 segundos 40 – 45 segundos 8 - 15 segundos 2 - 8 segundos
Pasteurización rápida Pasteurización alta Ultrapasteurización
La pasteurización, en condiciones de vacío, actúa sobre los microorganismos vegetativos y se puede llevar a cabo a temperaturas por debajo de los 100 °C. Este tratamiento tiene como característica especial, que si el material o sustancia a pasteurizar es un alimento, conserva las propiedades organolépticas y nutritivas del alimento, así como la inhibición de enzimas y destrucción de los microorganismos vegetativos. La mayoría de las enfermedades en los países en vía de desarrollo son causadas por bacterias, virus y otros microbios que son depositados con las heces y aguas contaminadas que la gente usa para beber o lavar. Cuando la gente bebe agua que contiene los microorganismos, estos se multiplican, causan la enfermedad y se evacuán en las heces que vuelven nuevamente al agua, cerrando así el ciclo y propagando enfermedades. ¿Como se pueden matar los microbios del agua para realizar el saneamiento? En los países desarrollados, los microbios se matan mediante la cloración del agua, después de haberla �ltrado. En los países de escasos recursos, generalmente, no se tienen tratamientos e�cientes y en algunos países, ni siquiera se tiene. Una forma de hacerlo, cuando el agua está contaminada, es hervirla
218
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
durante 10 minutos; sin embargo, muchas veces esto no se realiza por falta de recursos. Una muy buena alternativa es la pasteurización solar que equivale al calentamiento pero con la energía solar; a medida que el agua se va calentando, con temperaturas sobre los 56 °C, empiezan a morir los microorganismos que pueden causar enfermedades. Se ha descubierto que calentando el agua con energía solar hasta 66°C, se tiene su�ciente calor para pasteurizar el agua matando los microorganismos causantes de enfermedades. El hecho de que el agua pueda sanearse a una temperatura de 66°C, en lugar de hacerlo a 100 °C (ebullición normal) es una muy buena oportunidad para que en zonas rurales o en ciudades con aguas mal tratadas, pero con buena energía solar, se pasteurice a bajo costo y con criterios de Producción Más Limpia.
4.3. Mezclas de gas y vapor La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea la tierra y que está compuesta por una mezcla de aire seco y de vapor de agua. Son muchos los usos que el aire tiene a nivel industrial; se puede emplear como materia prima para obtener, con un alto porcentaje de pureza, cualquiera de los elementos que lo componen: nitrógeno, oxígeno, argón, helio, hidrógeno, entre otros. En la combustión es empleado como comburente para sostener la reacción en la cual se libera, como calor, la energía química presente en los combustibles. También se usa en los procesos biológicos aeróbicos para suministrar el oxígeno necesario al microorganismo; tal es el caso del tratamiento de aguas residuales mediante el sistema de lodos activos o en la producción de levadura a nivel industrial. Otro uso del aire, a nivel industrial, es en los sistemas neumáticos de control; además, en el aire acondicionado o como medio de transporte. El aire contiene vapor de agua que recibe de la evaporación de la misma, en los ríos, lagos y océanos o por transpiración de las plantas o del suelo. Este vapor se puede condensar y caer en forma de lluvia cuando se alcanzan condiciones de saturación; es un componente importante del denominado ciclo del agua, el cual actúa puri�cándola por evaporación. El ciclo del agua interviene, además, en la regulación de la temperatura del planeta, llevando el calor a las zonas polares desde la zona ecuatorial, por la gran cantidad de energía que esta zona recibe del sol. El hombre, debido a sus actividades industriales y domésticas, produce una serie de residuos gaseosos llamados emisiones o residuos livianos. Por otra
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219
parte, los combustibles quemados por el transporte, generan una cantidad signi�cativa de descargas. Este tipo de emisiones, tienen un destino inicial que es la atmósfera, medio en el cual éstos, pueden tener variedad de caminos: pueden desplazarse con las masas de aire, transformarse por medio de reacciones químicas o disolverse en el medio acuoso de las nubes para precipitar de nuevo sobre la tierra. Debido a la gran movilidad de los compuestos en la atmósfera (se mueven más rápido en el aire que en el agua o que en el suelo), los efectos o impactos de estas sustancias gaseosas pueden alcanzar extensas zonas del planeta. Se puede a�rmar entonces que la atmósfera es el sitio al cual el hombre arroja una gran cantidad de sustancias producto de sus actividades y que pueden permanecer tal y como fueron descargadas o pueden reaccionar con otras sustancias presentes en el medio y convertirse en otras sustancias. En la atmósfera pueden distinguirse cuatro zonas diferentes dependiendo del gradiente de temperatura que impere en cada una de ellas. La capa más baja es la troposfera, la cual comprende la zona que va desde la super�cie terrestre hasta una altura media de 12 km; la temperatura disminuye desde 15°C hasta –56 °C. Debido al gradiente negativo de temperatura, se produce una mezcla constante de masas de aire, tanto en la dirección vertical como en la horizontal, lo cual hace que la troposfera sea una zona de gran actividad meteorológica. La estratosfera es la siguiente capa de la atmósfera; va desde los 12 km hasta los 50 km y tiene un gradiente positivo de temperatura: desde –56 °C hasta –2 0 C. Este gradiente positivo ubica una masa de aire menos densa sobre una más densa lo que impide el ascenso de las masas frías de aire por encima de las más calientes; en esta zona, sólo prevalece el movimiento horizontal de las masas de aire. La siguiente capa es la mesosfera que va desde los 50 km hasta los 85 km con un per�l de temperatura que va desde –2°C hasta –92°C. Al igual que la troposfera, el gradiente de temperatura es negativo. Sin embargo, la densidad de esta zona es baja por lo que los movimientos por convección son casi nulos. Por último, está la termosfera que comprende la zona que va hasta los 500 km de altitud con un per�l de temperatura positivo que va hasta los 1.200°C. Puesto que la densidad de la atmósfera disminuye mucho con la altura, prácticamente toda su masa se concentra en los primeros treinta kilómetros: es en esta zona donde van a parar prácticamente todos los residuos que el hombre arroja como vertidos. Entre los 10 y los 35 km de altitud se encuentra la mayor parte del ozono atmosférico y que se denomina capa de ozono; ésta, actúa como pantalla para la incidencia de la luz energética (ultravioleta) nociva para la vida terrestre.
220
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Se puede a�rmar que la composición del aire es casi constante en los primeros kilómetros de altitud. Los componentes mayoritarios son el nitrogeno con 78% en volumen, el oxigeno con 20,9% y el argón con 0,92%. El porcentaje restante está formado por CO2, He, Kr, CH4, N2O, CO y O3. Se puede deducir que la industria puede aprovechar el aire para obtener sus componentes puros, o para combinarlos y producir otras sustancias como en el caso del proceso Haber, del cual se obtiene amoníaco a partir del H2 y del N2. De igual manera, el aire no solo sirve para extraer y combinar sus componentes o para depositar las emisiones que se generan por las actividades del hombre y de la naturaleza, sino que puede ser utilizado a nivel industrial como comburente; esto ocurre en los procesos de combustión. También, se puede usar como medio de transporte de materiales o de energía; este último caso se presenta cuando se retira la humedad de un sólido mediante la operación unitaria de secado, tal y como se explicó al de�nir esta operación. El psicrómetro es un aparato usado en meteorología para medir el grado de humedad del aire. Fenómenos naturales como las heladas, la nieve o el color de las nubes pueden ser comprendidos y explicados por la sicrometría. El estado o las condiciones que tiene el aire pueden establecerse de acuerdo a unos parámetros o términos termodinámicos, sobre todo cuando se trata de darle al aire un uso industrial, como en el caso del secado de granos de café, arroz o cebada, o de otros materiales como la arcilla o papel, por ejemplo. Es necesario tener claros algunos conceptos básicos que ya fueron tratados en unidades anteriores, como los de presión de vapor y punto de ebullición; además, otros términos nuevos que a continuación se explican. 4.3.1. Curva de presión de vapor. Cada líquido ejerce una presión de equilibrio:
la presión de vapor. Esta presión de vapor es, en cierta medida, dependiente de la temperatura de modo tal, que cuando se representan las presiones de vapor del líquido en función de la temperatura, se obtiene una curva como la bf de la Figura 4.399. La curva de presión de vapor es única para cada sustancia, pero presenta características similares a las de la �gura. Además, la curva separa dos zonas del grá�co: una zona, donde la sustancia existe totalmente en el estado líquido y otra, donde existe totalmente en el estado de vapor. Si las condiciones 9
TREYBAL E. Robert. Operaciones con Transferencia de Masa. Editorial Hispano-Americana, Buenos Aires (Argentina). 1.973
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221
de la sustancia de�nen un punto como el d , entonces la sustancia está en estado líquido. En el punto c , la sustancia se encuentra en estado de vapor. Para todas las condiciones que de�nan un punto sobre la curva bf , pueden coexistir líquido y vapor en diferentes proporciones. El líquido que se encuentre sobre la curva bf se denomina líquido saturado y el vapor que se encuentre sobre dicha curva se denomina vapor saturado. Un vapor que se encuentre a una temperatura cuyo valor es superior al valor de la temperatura de saturación, se denomina sobrecalentado o recalentado. En el caso de las calderas, por ejemplo, se puede producir un vapor con unas condiciones tales que sea vapor saturado o vapor sobrecalentado. La diferencia entre ellos está determinada por su temperatura y por el calor que fue necesario agregar. g P. crítica f Líquido Sólido d
e
Gas
b a
c
Vapor
T crítica
Figura 4.33. Presión de vapor de un líquido puro
La curva de presión de vapor tiene dos puntos extremos: el punto b y el punto f . A partir del punto b se originan las curvas bg y ba, curvas que separan las condiciones del estado sólido de las condiciones del estado líquido y del estado de vapor; éste se denomina punto triple, en el que pueden coincidir los tres estados: sólido, líquido y vapor. El punto f es el punto crítico o estado crítico, cuyas coordenadas son la presión crítica y la temperatura crítica. En el punto crítico, desaparece la distinción entre el líquido y el vapor y todas las propiedades del líquido como la densidad, la viscosidad o el índice de refracción, son idénticas a las del vapor. La sustancia que está por encima de la temperatura crítica se denomina gas; éste no licuará, independientemente de la presión a la que sea sometido.
222
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
La distinción entre un gas y un vapor no siempre es tan estricta; el término gas se emplea frecuentemente para designar una condición relativamente alejada de la curva de presión de vapor. La temperatura correspondiente a cada presión de la curva se denomina punto de ebullición y la temperatura correspondiente a la presión de una atmósfera, temperatura normal de ebullición. Siempre que un proceso implique el paso de un �uido a través de la curva de presión de vapor, tal como el proceso isobárico (presión constante), de d hasta e o como el proceso isotérmico (temperatura constante), de d hasta c, se presenta un cambio de fase. Este cambio de fase irá acompañado de la eliminación de calor (condensación) o de la ganancia de calor (evaporación); este calor se denomina calor latente de condensación o calor latente de vaporización, según sea el caso. El calor latente de vaporización disminuye cuando se aumenta la presión, siendo cero en el punto crítico. Como es bien sabido, el calor agregado o extraído con cambios de temperatura se denomina calor sensible. La naturaleza del líquido es el factor más importante porque determina el valor de la presión de vapor; en general, entre líquidos de naturaleza química semejante, la presión de vapor a una determinada temperatura, disminuye a medida que aumenta el peso molecular. La temperatura a la cual una mezcla de vapor–gas se satura, cuando se enfría a presión total constante fuera del contacto con el líquido, es decir, a humedad constante, se denomina temperatura de rocío o punto de rocío o punto de saturación o temperatura de saturación. La diferencia entre la temperatura a la que se encuentra un vapor y su temperatura de rocío se llama recalentamiento de un vapor. Si se enfría o comprime un vapor saturado, habrá condensación y se forma lo que se conoce con el nombre de vapor húmedo. Si el vapor se encuentra en movimiento turbulento, porciones considerables de líquido condensado permanecen en suspensión mecánica como pequeñas gotas en el vapor y serán arrastradas con él. El título de un vapor húmedo es la relación entre el peso del vapor y el peso total del vapor y del líquido que lleva arrastrado, es decir: X
=
Wv W v + Wl
Donde: Wv = Wl = X = 100X =
( 4.21)
Peso de vapor Peso de líquido Título del vapor % de título de vapor.
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223
Un vapor de agua húmedo de 98% de título, es una mezcla de vapor de agua y agua (gotas) en estado líquido, donde el vapor es el 98% del peso total y el agua en estado líquido es el 2%. Es importante que el vapor producido en una caldera sea seco; es decir, que su título sea del 100%. Las fuerzas que causan la vaporización de un líquido son consecuencia de la energía cinética de traslación de las moléculas. Un aumento en la energía cinética de traslación de las moléculas, aumentará la velocidad de vaporización y por consiguiente, la presión de vapor. Se sabe que la energía cinética de traslación es directamente proporcional a la temperatura absoluta; de acuerdo con éste concepto, un aumento de la temperatura origina un aumento en la velocidad de vaporización y por lo tanto, una mayor presión de vapor en el equilibrio. “Es la temperatura de la super�cie del líquido la que, efectivamente, determina la velocidad de vaporización y por ende, la presión de vapor”. Para sustancias líquidas normales como el agua o los refrigerantes de uso común, la curva de temperatura y presión de vapor ha sido construida en muchos puntos. Pero, para la mayoría de los líquidos son relativamente escasos los datos disponibles, por lo que es necesario interpolar o extrapolar, con mucha frecuencia, para encontrar los datos requeridos. La ecuación de Clapeyron establece una relación entre la pendiente de la curva de presión de vapor mostrada en la Figura 4.39 y el calor latente de vaporización; es decir entre dP/dT y l: dP dT
=
λ
( 4.22)
T (VG - VL )
Donde: P = T = = VG = VL =
Presión de vapor. Temperatura absoluta. Calor de vaporización a temperatura T. Volumen molar de gas. Volumen molar de líquido
Si el volumen del líquido es despreciable y se supone que puede aplicarse la ley de los gases ideales, la Ecuación (4.22) se denomina Ecuación de Clausius– Clapeyron y se puede expresar así: dP P
224
=
λ dT RT
2
( 4. 23)
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Donde es el calor molar de vaporización en cal/mol-g y R la constante de los gases en cal/mol-g K. La Ecuación (4.23) es válida únicamente, cuando la presión de vapor es relativamente baja y se puede suponer que el vapor obedece la ley de los gases ideales y que el volumen en estado líquido es despreciable, comparado con el del estado de vapor. Cuando la temperatura no varía entre límites amplios puede suponerse que el calor latente molar de vaporización es constante y la ecuación anterior, se puede integrar entre los límites P0, T0, P y T, dándose el siguiente resultado: Ln
P P0
=
λ R
(
1
-
T0
1 T
)
( 4.24)
La ecuación anterior permite el cálculo de la presión de vapor P de una sustancia a una temperatura T, si se conoce la presión de vapor P0 y el calor molar de vaporización a una temperatura T0. Los resultados sólo son ciertos para márgenes de temperatura donde se supone que el calor molar de vaporización es constante y donde se cumple la ley de los gases ideales. También, se puede usar la ecuación de Antoine para calcular la presión de vapor P de una sustancia a una determinada temperatura T: Log P
= A -
B T +C
( 4.25)
Donde: P = Presión de vapor en mm Hg. T = Temperatura en 0C. A, B y C, son las constantes para la Ecuación de Antoine (Tabla N0 19, en los anexos al �nal del libro). 4.3.2. Mezclas de vapor con gas. El término vapor se usa para designar la
sustancia que está, como vapor, relativamente cerca de la temperatura de condensación para la presión reinante y se designa como A. El término gas se aplicará a la sustancia gaseosa que está relativamente sobrecalentada y se llamaB. 4.3.2.1. Humedad absoluta (HA). Aunque las unidades comunes de concentra-
ción son la presión parcial o la fracción molar, es decir las basadas en la cantidad
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225
total, cuando las operaciones implican cambios en el contenido de vapor de una mezcla vapor - gas sin cambios en el contenido de gas, es conveniente usar una unidad basada en la cantidad de gas que permanece invariable. La humedad absoluta se de�ne como la masa de agua por unidad de masa de aire seco o de gas seco. La masa se puede expresar en kg de H2O/kg de aire seco; también, se puede usar la unidad molar, es decir, moles de H2O/moles de aire seco. Por de�nición, presión parcial de un componente presente en una mezcla de gases, es la presión que se ejercería por este componente si sólo él estuviese presente en el mismo volumen y a igual temperatura que la mezcla. La naturaleza aditiva de las presiones parciales está expresada por la ley de Dalton, la cual establece que la presión total ejercida por una mezcla gaseosa, es igual a la suma de las presiones parciales. Si la mezcla gaseosa y cada uno de los componentes siguen la ley de los gases ideales y la ley de Dalton, entonces se puede establecer la siguiente relación: n A
=
p A V
nB =
RT
pB V
n =
RT
Pt V RT
en donde nA, n B, p A y pB son el número de moles de humedad (vapor A), número de moles de gas seco (gas B), presión parcial de la humedad en la mezcla vapor-gas (pA) y presión parcial del gas seco en la mezcla vapor-gas (pB), respectivamente. Por lo tanto: Humedad Absoluta = HA =
n A nB
=
Y A YB
=
p A pB
=
p A Pt - p A
( 4.26)
En la Ecuación (4.26), Pt es la presión total de la mezcla vapor- gas, YA es la fracción molar del vapor en la mezcla vapor - gas, mientras que YB es la fracción molar del gas en la mezcla vapor-gas. Si HA se expresa en unidades de masa, la humedad absoluta es: HAm
=
p A Pt - p A
x
M A MB
( 4.27)
en donde MA y MB son el peso molecular de la humedad y del aire seco respectivamente. El lector está en capacidad de calcular el peso molecular promedio del aire conocida su composición. Las unidades de HA son moles de
226
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
A/moles de B, mientras que las unidades de HAm son masa de A/masa de B (la masa puede ser kg, lb, g, etc.). 4.3.2.2. Humedad absoluta de saturación (HAs). Si se pone en contacto un
gas (B) con líquido su�ciente (A), el líquido se evapora en el gas hasta alcanzar un equilibrio donde la presión parcial de A como vapor en el seno del gas, es decir la presión parcial de A en la mezcla gas-líquido, alcanzará el valor de la presión de vapor de A (PA) a la temperatura que se encuentre el sistema. Las siguientes ecuaciones permiten calcular la humedad absoluta de saturación en diferentes unidades: HAs =
P A
( 4.28)
Pt - P A
HAms =
P A Pt - P A
x
M A MB
( 4.29)
4.3.2.3. Mezclas de vapor y gas no saturadas. En caso de que la presión par-
cial del vapor en la mezcla vapor-gas (pA), sea inferior a la presión de vapor de equilibrio del líquido(PA) a la misma temperatura, se puede a�rmar que la mezcla tiene capacidad para recibir más vapor, es decir, la mezcla no se encuentra saturada. De acuerdo con esto, se dan las siguientes de�niciones: 4.3.2.3.1. Temperatura de bulbo seco (T). Es la temperatura del aire húmedo
medida por un termómetro normal, comúnmente conocida como temperatura normal. Se expresa en unidades de 0C o de 0F, pero también se puede expresar en otras unidades como 0R o K. 4.3.2.3.2. Temperatura de rocío. Es la temperatura a la cual la mezcla vapor-gas
se satura cuando se enfría a humedad absoluta constante, es decir, fuera del contacto con un líquido. Se expresa en unidades de 0C, 0F o en unidades absolutas. 4.3.2.3.3. Temperatura de bulbo húmedo (Tbh). La temperatura de bulbo hú-
medo es la temperatura estacionaria alcanzada por una pequeña cantidad de líquido que se evapora en una gran cantidad de mezcla vapor-gas (agua–aire, por ejemplo). El bulbo del termómetro se cubre con una mecha humedecida
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y se hace pasar una corriente de la mezcla gaseosa. La temperatura alcanzada por el termómetro será menor que la de bulbo seco del gas, si el gas no está saturado (la evaporación es enfriamiento: cuando se derrama alcohol sobre la piel se siente frío ya que el alcohol toma del cuerpo el calor requerido para su evaporación). La diferencia entre la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo se denomina depresión de bulbo húmedo. La depresión de bulbo húmedo es un indicativo que no muestra valor alguno de la humedad del aire o del gas; sin embargo, entre mayor sea la depresión de bulbo húmedo, menor es la humedad relativa del aire o del gas y viceversa. Se expresa normalmente en unidades de 0C o de 0F, pero también se puede expresar en unidades de 0R o de K. 4.3.2.3.4. Humedad relativa (HR). También llamada saturación relativa, se
expresa en porcentaje y se de�ne como la relación porcentual entre la presión parcial del vapor en la mezcla vapor-gas (pA) y la presión de vapor de equilibrio del líquido a la temperatura de bulbo seco de la mezcla (PA). Una humedad relativa del 60% indica que la presión parcial del vapor en la mezcla es el 60% de la presión de vapor a la temperatura de bulbo seco de la mezcla. Matemáticamente se de�ne como: HR =
p A P A
x 100
( 4.30)
4.3.2.3.5. Porcentaje de Saturación (%S). También se conoce como porcentaje de humedad absoluta. Se de�ne como la relación porcentual entre la humedad
absoluta y la humedad absoluta de saturación. Matemáticamente se de�ne así: %S =
H A HS
x 100
( 4.31)
4.3.2.3.6. Volumen especí�co (Ve). Es el volumen ocupado por la mezcla va-
por – gas (que puede ser agua–aire), por unidad de masa de aire o gas libre de humedad a la temperatura y presión del sistema. Las unidades son m3 de aire húmedo/kg de aire seco, que en términos generales, son unidades de volumen de aire húmedo/unidades de masa de aire seco. Para una mezcla de humedad absoluta HAm a una temperatura de bulbo seco T y una presión total Pt, se tiene que el volumen especí�co es:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Ve
1 M B
0,0454
=
+
HAm M A
(T + 460) Pt
( 4.32)
Ve
= Volumen especí�co en m3 de aire húmedo/kilogramo de aire seco. T = Temperatura de bulbo seco, en 0F. Pt = Presión total en atmósferas. MA = Masa molecular del vapor (18 kg/mol-kg, en caso de ser agua) MB = Masa molecular del gas (28,9 kg/mol-kg, en caso de ser aire) HAm = Humedad Absoluta, kilogramos de humedad/kilogramo de gas seco. El volumen húmedo de una mezcla vapor–gas saturada se calcula con la HAm igual a HAms y el volumen de un gas seco con HAm igual a cero. Cuando en una mezcla vapor – gas se multiplica su volumen especí�co por la masa de gas seco, se obtiene el volumen de la mezcla. 4.3.2.3.7. Capacidad calorí�ca húmeda (Cch). Es el calor necesario para elevar
en un grado kelvin la temperatura de un kilogramo de gas y del vapor que éste contiene a presión constante. Si la mezcla vapor–gas tiene una humedad absoluta HAm entonces, la capacidad calorí�ca húmeda de la mezcla será: Cch
=
C B + HAm C A
( 4.33)
Cch =Capacidad calorí�ca de la mezcla húmeda (kcal/kg de gas seco. K) CB = Capacidad calorí�ca del gas (kcal/kg de gas seco. K) CA = Capacidad calorí�ca del vapor (kcal/kg de vapor. K) El calor Q requerido para aumentar la temperatura en un DT de una determinada cantidad de gas seco WB y del vapor que contiene será: Q
=
WB Cch DT
( 4.34)
4.3.2.3.8. Entalpía (H). Cantidad de energía calórica por unidad de masa de aire
o gas libre de humedad. La entalpía de una mezcla vapor-gas es la suma de la entalpía relativa del gas y la entalpía relativa del vapor que contiene el gas. Se
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expresa en unidades de kj/kg de aire seco ó kcal/kg de aire seco. También, se pueden usar otras unidades como Btu/lb de aire seco o Btu/mol-lb de aire seco. La entalpía de la mezcla se puede calcular de acuerdo con la siguiente ecuación: H = C B (T - T0 ) + HAm (C A (T - T0 ) + λ 0 ) = Cch (T - T0 ) + HAm λ 0
( 4.35)
H = Entalpía (kcal/kg de aire seco) T0 = Temperatura de referencia (Unidades consistentes) T = Temperatura de bulbo seco (Unidades consistentes) Como se puede observar en la relación, la entalpía (H) puede aumentar si aumenta la temperatura de bulbo seco (T) a humedad absoluta constante (HAm). También puede aumentar la entalpía, aumentando la humedad absoluta a temperatura constante o aumentando la humedad absoluta y la temperatura. 4.3.3. Carta sicrométrica. La integración en un solo grá�co, de todas las pro-
piedades analizadas en la sección anterior, se denomina carta sicrométrica Las propiedades de una mezcla vapor–gas se pueden llevar a un grá�co a partir de las ecuaciones correspondientes tal como se muestra en la Grá�ca N0 4 de los anexos, al �nal del libro. La temperatura de bulbo seco, de bulbo húmedo y de rocío, el volumen especí�co, la humedad absoluta y relativa y la entalpía, todas las anteriores propiedades de una mezcla vapor-gas, se pueden integrar en la carta sicrométrica. Los grá�cos sicrométricos para cualquier mezcla vapor–gas pueden prepararse cuando las circunstancias así lo requieran; sin embargo, el sistema conformado por el aire (gas) y el agua (vapor) es muy usado en la industria, lo que justi�ca que ya existan grá�cos bastante completos. Esta es la carta sicrométrica del aire y del vapor de agua. En la industria, el aire se puede usar en muchas de las operaciones o procesos unitarios, que transforman la materia y la energía para obtener los productos. Se puede necesitar aire caliente para un proceso unitario de combustión, donde actúa como comburente. También puede ser requerido como refrigerante, por lo que se va a tener que enfriar. En otros procesos industriales es impor tante la presencia de aire caliente y humidi�cado, para alcanzar unas condiciones ambientales sin las cuales no se pueden obtener los resultados esperados. Otras condiciones con las cuales se puede necesitar el aire, es a baja temperatura y baja humedad; es decir, requiere de enfriamiento y deshumidi�cación. El
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
almacenamiento de cereales requiere de una operación de secado, sin la cual el grano puede ser atacado por hongos y causar considerables pérdidas; esta operación requiere la presencia de aire, el cual debe ser adecuado. En algunos casos, dos corrientes de aire a diferentes condiciones deben ser mezcladas y se deben conocer las condiciones de salida. Todos los anteriores casos requieren del uso de la carta sicrométrica. La �gura siguiente muestra la relación entre las diferentes propiedades de la mezcla aire–vapor de agua construida para una presión total de una atmósfera; en ella, se pueden observar la temperatura de bulbo seco, la humedad relativa, la humedad absoluta, la temperatura de rocío, el volumen especí�co, la temperatura de bulbo húmedo y la entalpía. La carta sicrométrica básica es un grá�co representado en un sistema de ejes coordenados de los puntos correspondientes a temperaturas de bulbo seco y humedad absoluta. Debe notarse que todas las cantidades están representadas en función de la temperatura. Las líneas de humedad relativa son curvas y van en aumento hacia arriba, mientras que las de temperatura de bulbo seco se leen en la parte inferior y son líneas verticales. Las líneas de temperatura de bulbo húmedo son inclinadas y forman ángulos agudos con las líneas de temperatura de bulbo seco; su valor se puede leer en la curva de humedad relativa del 100%, es decir la curva de saturación. Las líneas de entalpía y las de volumen especí�co, son también inclinadas. Sin embargo, las de volumen especí�co tienen mayor pendiente. Las líneas de temperatura de bulbo húmedo y de entalpía, casi coinciden. La temperatura de rocío se puede leer sobre la curva de saturación de la humedad relativa, pero desplazándose a humedad absoluta constante; es decir, horizontalmente. Si una mezcla gas-vapor se ubica sobre la línea de saturación de la humedad relativa, en ese punto coinciden la temperatura de rocío, la de bulbo seco y la de bulbo húmedo. Finalmente, la humedad absoluta se puede leer sobre el eje del lado derecho. A continuación, se analizan las diferentes condiciones que se pueden presentar con una mezcla de aire–agua en la industria: 4.3.3.1. Proceso de saturación adiabática (secado). Es un proceso que se
realiza usando las mezclas de aire-vapor de agua, si la humedad relativa inicial es menor del 100%. Cuando la mezcla gaseosa se pone en contacto con un material sólido húmedo, se puede retirar cierta cantidad de humedad. El proceso se considera adiabático (sin transferencia de calor hacia o desde el entorno y por consiguiente, a entalpía constante) por lo que el calor necesario
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Humedad Relativa
Temperatura de bulbo seco
Humedad Absoluta
Volumen Especifico
Temperatura de Rocío
Temperatura de Bulbo Húmedo
Entalpía
Figura 4.34 Representación de las propiedades del aire en la carta sicrométrica.
para evaporar el agua, es entregado por el mismo aire. La mezcla gaseosa gana humedad y puede o no salir saturada; si sale saturada, la temperatura a la cual sale, se denomina temperatura de saturación adiabática (siempre y cuando sea proceso adiabático). En la industria el proceso se usa en operaciones de secado de grano como arroz y café; también se puede secar arcilla, tiza, fruta o papel.
232
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Figura 4.35. Comportamiento de la mezcla gaseosa aire - agua en la operación de secado.
4.3.3.2. Transferencia de calor a humedad absoluta constante (calentamiento o enfriamiento). El proceso se representa mediante una línea horizontal en
la carta sicrométrica y la dirección de la línea horizontal depende de la dirección de la transferencia de calor.
Figura 4.36. Comportamiento de la mezcla gaseosa aire - agua en la operación de calentamiento o enfriamiento.
Si el proceso es de calentamiento, la línea horizontal tiene sentido de izquierda a derecha (aumento de la entalpía, humedad absoluta constante y disminución de la humedad relativa). Para un proceso de enfriamiento, la situación es contraria, de derecha a izquierda; por lo tanto, la entalpía disminuye y la humedad relativa aumenta. El aire utilizado para una operación de secado, puede ser sometido primero a una operación de calentamiento a humedad absoluta constante, si el material a secar permite temperaturas altas. Cuando el aire se calienta a humedad absoluta constante, aumenta su capacidad para retirar humedad. A manera de ejemplo, el lector puede calcular la cantidad de humedad que se retira por kilogramo de aire seco, con un aire inicialmente a 40 °C de temperatura de bulbo seco y 20% de humedad relativa, si se supone que sale saturado. Ahora realizar el mismo cálculo, pero el aire con las mismas condiciones iniciales, se calienta a humedad absoluta constante hasta 68 °C; igualmente se supone que el aire sale saturado.
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4.3.3.3. Humidi�cación. Muchas aplicaciones a nivel industrial requieren la
adición de agua al aire. A este proceso se le denomina humidi�cación, ya que la adición de agua incrementa la humedad absoluta. La carta sicrométrica muestra valores mayores para la humedad absoluta en el estado de salida, pero la dirección del proceso, respecto a la temperatura de bulbo seco, depende de la entalpía del agua que entra. Si el agua entra a la temperatura de salida del aire y el proceso termina con humedad relativa del 100%, entonces el proceso es el de saturación abiabática (secado) y la menor temperatura posible de bulbo seco es la correspondiente a la temperatura de bulbo seco en el estado de saturación. Si se añade vapor de agua, el proceso puede alcanzar en la salida una temperatura de bulbo seco superior a la temperatura de bulbo seco de entrada aumentando también la entalpía, dándose un proceso de calentamiento y humidi�cación.
Figura 4.37. Representación de la operación de calentamiento y humidi�cación.
4.3.3.4. Deshumidi�cación. Este proceso consiste en retirar agua de la mezcla
inicialmente enfriando, a humedad absoluta constante, hasta saturación. Si se enfría más, como está saturado, condensará parte de la humedad disminuyendo el contenido de agua; es decir, deshumidi�cando la mezcla que saldrá saturada. La temperatura de bulbo seco de la mezcla experimenta, por consiguiente, una disminución.
Figura 4.38. Representación de la operación de enfriamiento y deshumidi�cación.
234
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Como se comentó anteriormente, el aire tiene muchos usos a nivel industrial, especialmente desde el punto de vista de que es una materia prima o un insumo que no tiene ningún costo. Lógicamente, si el hombre continúa contaminándolo a la velocidad que actualmente lo hace, muy pronto tendrá un costo bastante elevado. Existen procesos de separación de sus elementos constitutivos. La destilación del aire es una forma de separación física de sus componentes y encuentra mucha aplicación para satisfacer la demanda, a nivel industrial, de los siguientes productos: • Oxígeno de alta concentración de pureza para ser usado en soldadura; además, para corte de metales. • Nitrógeno de alta pureza para la fabricación de amoníaco. También, para obtener atmósferas inertes en sitios donde se considera de alto riesgo una explosión. • Oxígeno para procesos de combustión o para enriquecer aire para la combustión. • Producción de gases nobles como el Helio, Neón o Argón. • Oxígeno de alta pureza para ser usado en sistemas de lodos activos para tratamiento de aguas residuales industriales o domésticas Otra forma de separar los componentes del aire es mediante reacción química de uno de sus componentes, para �jarlo en forma de combinación y de este modo, quedar separado de los otros componentes. La reacción entre el nitrógeno y el hidrógeno para producir amoníaco y la reacción entre el monóxido de carbono y el vapor de agua para producir hidrógeno y dióxido de carbono, son ejemplos de separación química de los componentes del aire. Pero el aire no solo sirve en la industria para que se realicen las operaciones anteriormente mostradas; el hombre utiliza el aire, además, como receptor de los gases, de las partículas y de las demás sustancias, producto de actividades industriales, domésticas y de transporte. Aunque la naturaleza también deposita sustancias en la atmósfera, su característica y cantidad no son inconveniente para que sean asimiladas por el medio ambiente, porque rara vez se supera la capacidad de autodepuración que el medio ambiente posee. Además, el ingeniero y el hombre en general, no debe estudiar el aire o la atmósfera como un insumo o materia prima para producir o como el sumidero de sus vertidos, sino también, como el �uido en el cual vive, de la misma manera que los peces lo hacen el agua. Si se
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235
contamina el agua, los peces tienen serios problemas o simplemente mueren. Por lo tanto, ¿Cuál será la consecuencia, para el hombre, de la contaminación del aire? Las actividades realizadas por el hombre generan una gran cantidad de sustancias que al ser “vertidas” al aire, producen fenómenos que están causando daños posiblemente irreversibles: efecto de invernadero, lluvia ácida, inversión de temperatura y rompimiento de la capa de ozono, entre otros. La situación es crítica, sólo el hombre es capaz de deteriorar el �uido del cual depende; en la naturaleza, las especies tratan de perpetuarse o de garantizar su continuidad, el hombre no. El protocolo de Kioto tiene como principal objetivo disminuir la emisión hacia la atmósfera de gases contaminantes; lo curioso de todo esto, es que esos gases se producen cuando el hombre trata de alcanzar un desarrollo económico para satisfacer demandas insatisfechas, generar empleo y obtener un bienestar. Claro, quiere todo lo anterior, pero sin asumir un compromiso ambiental. El cambio de clima ha ocasionado modi�caciones en la dinámica de los ecosistemas hasta el punto de incrementar el crecimiento de plagas, como está sucediendo en los bosques de Alaska, o peor aún, la aparición de nuevas plagas. El hombre está en la obligación de poner mayor atención al uso de energías alternativas entendiendo que el consumo de combustibles fósiles ha causado un gran deterioro ambiental y a un ritmo acelerado. Sin embargo, no solo la tecnología está involucrada; también lo están, los valores del hombre que juegan un papel importante en la solución de estos problemas.
Evaluación 1. ¿Qué diferencia existe entre operación unitaria y proceso unitario? 2. Nombrar las principales operaciones unitarias y procesos unitarios usados por la industria. 3. Nombrar las operaciones unitarias que se usan a nivel industrial para separación de sustancias. 4. ¿Qué es Producción Más Limpia (PML), Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) y Tasa Retributiva? ¿Qué relación tienen con la industria? 5. ¿Qué diferencia existe entre Absorción y Adsorción? ¿En qué procesos industriales se usa cada una? 6. ¿Cuáles son los principales sólidos usados por la industria en adsorción? 7. Cuando en su casa se coloca carbón dentro de la nevera, ¿Para qué es?
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
8. En un tanque de proceso, ¿Qué son puntos muertos? ¿Qué problemas causan? 9. Qué es y en qué proceso industrial se usa la briquetización. 10. Qué relación y qué diferencia existe entre centrifugación y �ltración. 11. Desde el punto de vista ambiental, ¿Qué es una vinaza? ¿Cómo se produce y qué problemas puede causar? 12. Qué relación tiene la presión de vapor y el punto de ebullición de una sustancia. 13. Cuáles son las operaciones unitarias que más energía consumen. 14. Cuáles son los medios �ltrantes más usados en la industria. 15. Desde el punto de vista ambiental, ¿Qué problemas se pueden presentar en una industria por el uso de medios �ltrantes que no se puedan reusar? 16. ¿Qué diferencia existe entre sólido suspendido y sólido disuelto? 17. Nombrar cinco procesos industriales que usen la �ltración. 18. ¿Qué relación existe entre �ltración, centrifugación y sedimentación? 19. ¿Por qué se considera costoso realizar en la industria una evaporación? 20. ¿Qué es la lio�lización y en qué proceso industrial se usa? 21. ¿Qué se entiende por lixiviación y qué proceso industrial la usa? 22. ¿Qué cuidados se deben tener al usar hexano en la lixiviación? Desde el punto de vista ambiental, ¿Cómo se analiza? 23. Explicar qué es, en qué proceso se puede usar y cómo funciona el sistema Shanks. 24. ¿Cómo se de�ne el secado? ¿Qué proceso industrial utiliza esta operación? 25. ¿Qué diferencia existe entre humedad base húmeda y humedad base seca? Explicar cómo se convierte la una en la otra. 26. ¿Qué diferencia existe entre �ltración y tamizado? ¿Qué parecido presentan? 27. ¿Qué diferencia existe entre combustión y respiración? ¿Qué parecido tienen? 28. ¿Qué diferencia existe entre esterilización y pasteurización? 29. ¿Qué relación hay entre secado, lio�lización y crioconcentración? 30. ¿Por qué pude llegar a ser contaminante el escaldado? 31. ¿Por qué puede llegar a ser contaminante el uso de combustibles fósiles en la industria?
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32. ¿Qué es la Revolución Industrial? ¿En qué año y en qué países ocurre? ¿Por qué se relaciona con la contaminación del planeta? 33. ¿Cómo se de�ne y en qué procesos se usa la fermentación? 34. Explicar cómo se hace la panela. 35. Explicar cómo se produce el alcohol carburante. 36. Explicar cómo puede una industria contaminar el medio ambiente. 37. Explicar cómo evita una industria contaminar el medio ambiente. ¿Cómo puede una industria descontaminar el medio ambiente? 38. Explicar a nivel de los fenómenos que ocurren en la naturaleza, dónde se presentan las siguientes operaciones/procesos unitarios: a. Evaporación. b. Reducción de tamaño. c. Absorción. d. Filtración. e. Combustión. 39. ¿Qué diferencia existe entre fermentación y putrefacción? ¿Qué relación existe entre ellas? 40. ¿Qué es metabolismo y qué etapas lo componen? 41. ¿Qué relación existe entre el metabolismo de un microorganismo y el tratamiento de aguas residuales domésticas? 42. Si se entiende que un vertimiento es un líquido, una emisión es un gas y un residuo es un sólido, ¿qué operaciones unitarias pueden producir emisiones? ¿Qué operaciones unitarias pueden producir residuos? ¿Qué operaciones unitarias pueden producir vertidos? 43. ¿Qué problemas pueden causarle a una empresa los vertimientos producidos en su proceso productivo? Analizar la respuesta. 44. Si los residuos sólidos domésticos de una ciudad se dispusieran en un sitio sin ninguna clasi�cación previa, ¿qué operaciones unitarias y/o procesos unitarios se podrían utilizar para tratarlas? ¿Qué productos se podrían obtener de ese proceso? ¿Existe la posibilidad de que se presenten problemas ambientales en el proceso de tratamiento de los residuos sólidos? ¿Cuáles? Construir y analizar el diagrama de bloques donde se especi�quen las operaciones unitarias y/o procesos unitarios para el proceso de tratamiento de los residuos sólidos. 45. ¿Es más práctico clasi�car los residuos sólidos domésticos de una ciudad antes de disponerlos en un sitio? Si los residuos se disponen
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
ya clasi�cados en un sitio, entonces ¿cuales serían las operaciones unitarias y/o procesos unitarios que conformarían el proceso de tratamiento? Analizar detalladamente esta situación. 46. ¿Qué es la carta sicrométrica y para qué se usa? 47. ¿Con qué se mide la temperatura de bulbo seco? 48. ¿Cuál es la composición promedio del aire? ¿Por qué cambia? 49. ¿Qué diferencia existe entre un aire contaminado y un aire no contaminado desde el punto de vista de su composición? ¿Desde el punto de vista ambiental? 50. ¿Qué contaminantes arroja el hombre al aire? ¿Qué efectos pueden causar? 51. Calcular la presión de vapor del alcohol metílico a una temperatura de 80 °C usando la ecuación de Antoine. 52. Calcular la humedad relativa de un sistema vapor de agua y aire que se encuentra a una presión total de 0,78 atmósferas y 60°C si la presión parcial del vapor de agua es de 0,12 atmósferas. 53. Para secar papel, se piensa usar aire a 25°C de temperatura de bulbo seco y entalpía de 60 kj/kg de aire seco. Si el aire sale saturado de la operación de secado, ¿Cuanta agua se retira del papel por kilogramo de aire seco usado? 54. Para el aire del problema anterior calcular la temperatura de rocío, la temperatura de bulbo húmedo, la entalpía, el volumen especí�co y la humedad relativa a la entrada y a la salida de la operación de secado. 55. Analizar la situación de una empresa que requiere aire de alta pureza para la producción de leche en polvo y está localizada en una región donde se genera electricidad por termoeléctrica. Si la tecnología de la termoeléctrica es incipiente y contamina el aire, ¿qué situación se presenta? ¿Qué pasa con los costos de producción de la empresa lechera? ¿Qué pasa con la termoeléctrica? 56. ¿Qué es un recurso renovable? ¿Existe la posibilidad de que el aire se convierta en un recurso no renovable? Justi�car la respuesta. 57. ¿Existe relación entre la producción industrial, el crecimiento económico y la contaminación del aire? Argumentar las respuestas. 58. ¿Qué relación tiene el Protocolo de Kioto y el Producto Interno Bruto de un país? Sustentar la respuesta.
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59. ¿Qué relación tiene el Protocolo de Kioto, los combustibles fósiles, las energías alternativas y el desarrollo de un país? Analizar. 60. El objetivo principal del Protocolo de Kioto es disminuir la emisión de gases de efecto de invernadero, entre ellos el CO2. ¿Qué sucede si un país se acoge al protocolo sin haber desarrollado tecnología en el uso de energías alternativas, es decir, dependiendo aún de los combustibles fósiles? Analizar. 61. Usted qué opina de la siguiente a�rmación: “El verdadero objetivo de las empresas que promocionan su proceso como no contaminante, es el de aumentar las ventas, y no, como muchos piensan, que es cuidar el medio ambiente”. Justi�car la respuesta. 62. Si la Tasa Retributiva obliga a pagar por la descarga de contaminantes al agua (DBO y SST), ¿Se debe implementar una política que tenga como �n resarcir los daños ocasionados por la descarga de contaminantes al aire? ¿Qué bene�cios traería para el medio ambiente? ¿Puede ésta política causar costos de producción muy altos a una empresa hasta el punto que origine la pérdida de mercado para sus productos? ¿Puede la empresa salir del mercado por esto? ¿El prestigio de una empresa puede verse afectado si el público sabe que la empresa contamina? 63. Se desea enfriar un concentrado para peces utilizando aire a una temperatura de 10°C. Para este propósito se toma aire del medio ambiente, se deshumidi�ca y se enfría, hasta la temperatura requerida en el proceso. Calcular la cantidad de calor y de humedad que debe ser retirada de un caudal de aire de entrada de 5 m3/min que se encuentra a 32°C de temperatura de bulbo seco y 25°C de temperatura de rocío. 64. Si se pudiera representar la función de calidad de vida contra la cantidad de bienes producidos, es muy probable que fuera una función con pendiente negativa. En la abscisa, estaría la calidad de vida y en la ordenada la cantidad de bienes producidos. Esto se interpretaría como que, al aumentar la producción disminuye la calidad de vida y viceversa, considerando que los bienes se producen con tecnologías contaminantes del aire, por ejemplo. La función tendría la siguiente forma:
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Producción
Calidad de vida
¿Qué circunstancias harán que la curva, con el tiempo, se desplace hacia adentro? ¿Qué circunstancias harán que la curva, con el tiempo, se desplace hacia afuera? Analizar las dos situaciones anteriores para una misma calidad de vida y luego, para una misma producción. 65. El aire de los grandes centros urbanos se encuentra contaminado por sustancias como partículas, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y de azufre, dióxido y monóxido de carbono, entre otros, que son emitidas por las industrias o por el sistema de transporte. ¿Qué efectos se pueden dar sobre el proceso productivo de una empresa que requiere del aire como insumo y que se encuentra localizada en pleno centro urbano?
Bibliografía AMAYA Navas, Oscar Darío. La Constitución Ecológica de Colombia. Universidad Externado de Colombia, Bogotá. 2.002 ATLAS, Ronald M. Ecología Micribiana y Microbiología Ambiental. Prentice Hall, Madrid (España). 2.002 CLAUSEN, Chris A. Fundamentos de Química Industrial. Editorial Limusa, Ciudad de México (México). 1.982 Combustión. DAMA (Departamento Administrativo del Medio Ambiente), Bogotá (Colombia). SD
EPSTEIN, Marc J. El Desempeño Ambiental en la Empresa. ECOE EDICIONES, Bogotá (Colombia). 2.000 FELDER, Richard M. Principios de los Procesos Químicos. Editorial el Manual Moderno, Ciudad de México (México). 1.981 HENRY, J. Glynn. Ingeniería Ambiental. Editorial Prentice Hall, Ciudad de México (México). 1.999 HOWELL, John R. Principios de Termodinámica para Ingenieros. Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.990 LITTLEJOHN y MEENAGHAN. Introducción a la Ingeniería Química Editorial CECSA, Ciudad de México (México). 1.980 LUDEVID Anglada, Manuel. El Cambio Global en el Medio Ambiente. Editorial Marcombo, Barcelona (España). 1.997
Fernando Méndez Delgado
241
Mc CABE y SMITH. Operaciones Básicas de Ingeniería. Tomo I y II. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.978 MEJIA Acevedo, Miguel Ángel. Ecología Tropical. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. 2.003 OCON / TOJO. Problemas de Ingeniería Química. Tomo I y II.Colección Ciencia y Técnica. Barcelona (España). 1.977 PARRA Coronado, Alfonso. SicrometríaAplicada. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. 2.001 REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Universidad del Valle, Cali (Colombia). 1.990 SPIRO, Thomas G. Química Medioambiental. Prentice Hall, Madrid (España). 2.004 TEGEDER y MAYER. Métodos de la Industria Química. Tomo I y II. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.975 TREYBAL, Robert E. Operaciones con Transferencia de Masa. Editorial Hispano Americano, Buenos Aires (Argentina). 1.973 VASQUEZ Torre, Guadalupe Ana María. Ecología y Formación Ambiental Mc Graw-Hill, Ciudad de México (México). 1.996 Van WyLen y Sonntag. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Limusa, Ciudad de México (México). 1.997 VËLEZ Pasos, Carlos. Transferencia de Calor. Universidad del Valle, Cali (Colombia). 1.988 VIAN Ortuño, Angel. Introducción a la Química Industrial. Editorial Reverté, Barcelona (España). 1.996 WILCHES, Mario. Bioingeniería. Universidad de Antioquía, Medellín (Antioquia). 1.985 ZEMANSKY, Mark W. Calor y Termodinámica. Mc Graw-Hill, Madrid (España). 1.985
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Anexos Lista de tablas y grá�cas
Factores de conversión....................................................................................................................244 Fórmulas y constantes.....................................................................................................................246 Tabla N01. Densidad del agua en estado líquido a diferentes temperaturas..........247 Tabla N0 2. Grados Brix a 20 0C ..................................................................................................248 Tabla N0 3. Corrección de grados Brix por temperatura ..................................................248 Tabla N0 4. Tabla periódica de los elementos ......................................................................249 Tabla N0 5. Constantes críticas para gases ............................................................................251 Tabla N0 6. Constantes para la ecuación de Van Der Waals ............................................251 Tabla N0 7. Calores especí�cos de gases................................................................................252 Tabla N0 8. Constantes empíricas para calores especí�cos.............................................253 Tabla N0 9. Calores especí�cos de alimentos .......................................................................254 Tabla N0 10. Calores especí�cos .................................................................................................255 Tabla N0 11. Calor latente de fusión ..........................................................................................256 Tabla N0 12. Calor latente de vaporización .............................................................................257 Tabla N0 13. Calores especí�cos medios molares de gases entre 25 y T 0C cal/mol-g K .................................................................................258 Tabla N014. Composición del aire ..............................................................................................259 Tabla N0 15. Poder calorí�co de los combustibles tradicionales de la industria .......260 Tabla N0 16. Calores de formación .............................................................................................261 Tabla N0 17. Calores de combustión..........................................................................................262 Tabla N0 18. Temperaturas reales de llama. ............................................................................263 Tabla N0 19. Constantes para la ecuación de Antoine ........................................................264 Tabla N0 20. Propiedades termodinámicas del vapor de agua saturado y seco. .......265 Grá�ca N01. Grá�ca N02. Grá�ca N03. Grá�ca N04.
Factor de compresibilidad. Presiones bajas. ..................................................266 Factor de compresibilidad. Presiones intermedias. .....................................267 Factor de compresibilidad. Presiones altas. ...................................................268 Carta Sicrométrica. ..................................................................................................269
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Factores de conversión Longitud:
1m 1 pie 1 mm 1 milla
= 3,2808 pies = 100 cm = 39,37 pulgadas = 1,0936 yardas = 1 x 10 10 Angstrom = 30,48 cm = 0,3048 m = 12 pulgadas. = 0,001 m = 1.000 micras. = 1,609 kilómetros.
Masa:
1 kilogramo = 1.000 gramos = 2,205 libras = 1 x 10- 3 Ton = 15.430 granos. 1 libra = 453,5 gramos = 16 onzas = 7.000 granos. Tiempo:
1 hora = 60 minutos = 3.600 segundos = 0,0416 días. Temperatura:
K = 0C + 273 0R = 0F + 460 0C = 5 (0F – 32) / 9 Volumen:
1 litro 1 m3
= 1.000 mililitros = 1 x 10- 3 m 3 = 0,2642 galones = 0,0353 pies cúbicos = 1.000 cm 3 = 1.000 litros = 1 x 106 cm3
Fuerza:
1 Newton 1 kgf
= 1 Kilogramo x metro/segundo2 = 0,2248 librafuerza = 1 x10-3 kiloNewton = 9,81 Newton = 9,81 x 10-3 kiloNewton
Presión:
1 Pascal = 1 newton/metro2 = 1 x 10- 5 bares 1 atmósfera = 760 torr = 760 mm de Hg. = 1,01325 x 10 5 pascales = 14,7 libras fuerza/pulgada2 1 bar = 1 x 105 Pascales = 1,02 kgf/cm2 = 750 Torr 1 Torr = 1 mm de Hg.
244
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Energía:
1 caloría
= 4,184 julios = 4,129 x 10- 2 litro x atmósfera = 3,969 x 10 - 3 BTU 1 litro x atmósfera = 24,219 calorías = 101,33 julios 1 BTU = 252 calorías = 1.054,3 julios 1 Kw-h = 860 kcal = 3.413 BTU Potencia:
1 watt 1 kcal/h
= 1 x 10 – 3 kwatt = 14,34 cal/minuto = 1,341 x10 – 3 H.P = 0,05687 BTU/minuto = 3,413 Btu/h = 1,16 watt = 1,16 x 10-3 kwatt
Area:
1 m2 = 1 x 104 cm2 = 1 x 10-6 km2 = 10,76 pies2 = 1.550 pulgadas2 1 Ha = 10.000 m 2
Fernando Méndez Delgado
245
Fórmulas y constantes Fórmulas:
Longitud de la circunferencia = Perímetro del círculo = 2 r Área del círculo = r2 = D2/4 Área del cuadrado = l2 Área del rectángulo = b. h Área del cubo = 6 l2 Super�cie de la esfera = 4 r2 Volumen del cubo = l3 Volumen del cilindro circular recto = r2 h Volumen del cono circular recto = r2 h / 3 Volumen de la esfera = 4 r3 / 3 ln a = 2,303 log a log a = 0,434 ln a Constantes :
e
= 2,7183 base de logaritmo natural. = 3,1416 R = Constante de la ecuación de los gases = 1,987 cal / mol-g K = 1,987 Btu / mol-lb 0R = 82,06 cm3. atm / mol-g K = 0,082 L. atm / mol-g K = 10,731 pies3. librafuerza / pulgada2. mol-lb. 0R = 0,7302 pies3. atm / mol-lb. 0R K w = Producto iónico del agua a 25 0C = 1x10–14 Aceleración normal de la gravedad = g = 9,80665 m/s2 Velocidad de la luz = 2,988x1010 cm/s Volumen molar del gas ideal en condiciones estándar de presión y temperatura = 22,414 L. atm/mol-g K
246
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N01. Densidad del agua en estado líquido a diferentes temperaturas Temperatura (K)
Densidad (Kg/m3)
Viscosidad (Centipoises)
273 278 283 288 293 298 303 308 313 318 323 333 343 353 363 373 383 393 403 413 423
999,87 999,99 999,73 999,13 998,23 997,07 995,67 994,06 992,24 990,25 988,07 983,24 977,81 971,83 965,34 958,38 951 943,4 935,2 926,4 917,3
1,794 1,519 1,31 1,14 1,005 0,894 0,801 0,723 0,656 0,599 0,549 0,47 0,406 0,357 0,317 0,284 0,256 0,232 0,212 0,196 0,184
Mc Cabe y Smith. Operaciones Básicas de Ingeniería Química. Editorial Reverté, Barcelona. 1.978. Valores de densidad basados en la masa de un mililitro de agua a 4 0C como unidad
Fernando Méndez Delgado
247
Tabla N0 2. Grados Brix a 20 0C
0Brix
Indice de refracción
Gramos de azúcar por litro de agua
0Brix
Indice de refracción
Gramos de azúcar por litro de agua
10 15 20 25 30 35 40 45 50 52 54 56 58 60
1,3478 1,3557 1,3638 1,3723 1,3811 1,3902 1,3997 1,4096 1,4200 1,4242 1,4285 1,4329 1,4373 1,4418
111 176 249 332 427 537 665 816 997 1080 1171 1269 1377 1496
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 72 74 76 78
1,4441 1,4464 1,4486 1,4509 1,4532 1,4555 1,4579 1,4603 1,4627 1,4651 1,4701 1,4751 1,4801 1,4852
1560 1627 1698 1773 1852 1936 2025 2120 2221 2328 2565 2839 3156 3535
IR. Marco R. Meyer . Manuales para Educación Agropecuaria. Control de Calidad de Productos Agropecuarios, Area Industrial.
Editorial Trillas, México. 1.983.
Tabla N0 3. Corrección de grados Brix por temperatura ºBx
ºC 15 16 17 18 19 ºC 21 22 23 24 25
10
0,31 0,25 0,19 0,13 0,06 0,07 0,14 0,21 0,28 0,36
15
20
25
30
40
50
60
Factores de corrección para restar de la lectura 0,33 0,34 0,34 0,35 0,37 0,38 0,39 0,26 0,27 0,28 0,28 0,30 0,30 0,31 0,20 0,21 0,21 0,22 0,22 0,23 0,24 0,14 0,14 0,14 0,14 0,15 0,15 0,16 0,07 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 Factores de corrección para sumar a la lectura 0,07 0,07 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,14 0,15 0,15 0,15 0,15 0,16 0,16 0,22 0,22 0,23 0,23 0,23 0,24 0,24 0,29 0,30 0,30 0,31 0,31 0,31 0,32 0,37 0,38 0,38 0,39 0,40 0,40 0,40
70
0,40 0,40 0,32 0,32 0,24 0,24 0,16 0,16 0,08 0,08 0,08 0,08 0,16 0,16 0,24 0,24 0,32 0,32 0,40 0,40
IR. Marco R. Meyer. Manuales para Educación Agropecuaria. Control de Calidad de Productos Agropecuarios, Area Industrial.
Editorial Trillas, México. 1.983.
248
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 4. Tabla Tabla periódica de los elementos
(Tabla internacional)
Nombre
Actinio Aluminio Americio Antimonio Argón Arsénico Astato Azufre Bario Berilio Berkelio Bismuto Boro Bromo Cadmio Calcio Californio Carbono Cerio Cesio Cinc Cloro Cobalto Cobre Cromo Curio Disprosio Einstenio Erbio Escandio Estaño Estroncio Fermio Flúor
Símbolo
Ac Al Am Sb Ar As At S Ba Be Bk Bi B Br Cd Ca Cf C Ce Cs Zn CI Co Cu Cr Cm Dy Es Er Sc Sn Sr Fm F
Fernando Méndez Delgado
N° Atom.
89 13 95 51 18 33 85 16 56 4 97 83 5 35 48 20 98 6 58 . 55 30 17 27 29 24 96 66 99 68 21 50 38 100 9
Peso Atom.
277 26,98 243 121,75 39,95 74,92 210 32,07 137,33 9,012 247 208,98 10,81 79,90 112,41 40,08 251 12,01 140,12 132,90 65,39 35,45 58,93 63,55 51,99 247 162,50 252 167,26 44,96 118,71 87,62 257 18,99
Nombre
Fósforo Francio Gadolinio Galio Germanio Hafnio Helio Hidrógeno Hierro Holmio Indio Iridio Iterbio Itrio Kriptón Lantano Lawrencio Litio Lutecio Magnesio Manganeso Mendelevio Mercurio Molibdeno Neodimio Neón Neptunio Níquel Niobio Nitrógeno Nobelio Oro Osmio Oxígeno
Símbolo
P Fr Gd Ga Ge Hf He H Fe Ho In Ir Yb Y Kr La Lr Li Lu Mg Mn Md Hg Mo Nd Ne Np Ni Nb N No Au Os O
N°
Peso
Atom.
atom.
15 87 64 31 32 72 2
30,97
26 67 49 77 70 39 36 57 103 3 71 12 25 101 80 42 60 10 93 28 41 7 102 79 76 8
157,25 69,72 72,61 178,49 4,002 1,008 55,85 164,93 114,82 192,22 173,04 88,90 83,80 138,91 260 6,94 174,96 24,30 54,93 258 200,59 95,94 144,24 20,18 237 58,69 92,90 14,006 259 196,96 190,2 15,999
249
Nombre
Paladio Plata Platino Plomo Plutonio Polonio Potasio Prase Praseodi odimio mio Promecio Proto Protoact actini inio o Radio Radón Renio Rodio Rubidio Rutenio Samario Selenio Silicio Sodio Talio Tantalio Tecnecio Teluro
Símbolo
Pd Ag Pt 7 Pb Pu Po K Pr Pm Pa Ra Rn Re Rh Rb Ru Sm Se Si Na Tl Ta Tc Te
N° Atom.
46 47 8 82 94 84 19 59 61 91 88 86 75 45 37 44 62 34 14 11 81 73 43 52
Peso Atom.
106,42 107,86 195,08 207,2 244 209 39,08 140,90 140,90 145 231,03 231,03 226 222 186,207 102,90 85,46 101,07 150,36 78,96 28,08 22,989 204,38 180,94 98 127,60
Nombre
Terbio Titanio Torio Tulio Unnilhexio Unnilpentio Unnilquadio Unnils Unnilsept eptio io Uranio Vanad Vanadio io Wolfranio Xenón Yodo Zirconio
Símbolo
Tb Ti Th Tm Unh Unp Unq Uns U V W Xe I Zr
N°
Peso
Atom.
atom.
65 22 90 69 106 105 104 107 92 23 23 74 54 53 40
158,92 47,88 232,03 168,93 263 262 261 262 238,02 50,94 50,94 183,85 131,29 126,90 91,224
Los anteriores valores están basados en la masa atómica relativa del carbono (12). Estos valores se aplican a los elementos que existen en materiales de origen terrestre y a ciertos elementos arti�ciales. EBBING, Darrel D. Química General. Editorial Mc Graw-Hill, México. 1.996
250
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 5. Constantes críticas para gases Sustancia
Amoníaco Dióxido de Carbono Monóxido de Carbono Cloro Hidrógeno Nitrógeno Oxígeno Dióxido de Azufre Agua Benceno Etano Propano Argón Metano Neón
Formula
NH3 CO2 CO Cl2 H2 N2 O2 SO2 H2O C6H6 C2H5 C3H8 Ar CH4 Ne
Temperatura Volumen Presión(atm.) (K) (pies3/mol-lb)
405,5 304,2 133 417 33,3 126,2 154,8 430,7 647,4 562 305,5 370 151 191,1 191,1 44,5
111,3 72,9 34,5 76,1 12,8 33,5 50,1 77,8 218,3 48,6 48,2 42 48 45,8 26,9
1,16 1,51 1,49 1,99 1,99 1,04 1,44 1,25 1,95 0,90 4,17 2,37 3,20 1,20 1,59 0,668
VAN WYLEN, Gordon J y SONNTAG, Richard E. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Limusa, México 1.997.
Tabla N0 6. Constantes para la ecuación de Van Der Waals Gas
Hidrógeno (H2) Helio (He) Nitrógeno (N2) Amoníaco (NH3) Dióxido de Carbono (CO2) Metano (CH4) Aire Monóxido de carbono (CO) Dióxido de azufre (SO2)
a
b
0,244 0,034 1,390 4,170 3,590 2,250 1,358 1,463 6,837
0,0266 0,0237 0,0391 0,0371 0,0427 0,0428 0,0364 0,0394 0,0568
La ecuación de Van der Waals se conoce como una ecuación de estado, es decir, una ecuación que describe un estado de la materia. Las unidades son: a = Litros 2 x atmósferas/mol-g2 b = Litros/mol-g WARK, Kenneth. Termodinámica. Termodinámica . Mc Graw-Hill, Madrid. 1.986 WHITTEN. DAVIS. PECK . Química general . Mc Graw-Hill, Madrid. 1.998
Fernando Méndez Delgado
251
Tabla N0 7. Calores especí�cos de gases
cal/mol-g K T( K)
H2
50 100 150 200 250 300 400 500 600 700 BOa 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2750
9.072 6,729 6,348 6,561 6,769 6,895 6,974 6,993 7,008 7,035 7,078 7,139 7,2 17 7,308 7,404 7,505 7,610 7,713 7,814 7,911 8,004 8,092 8,175 8,254 8,328 8,398 8,464 8,526 8,667
N2
ca
6,957 6,959 6,961 6,991 7,070 7,1 97 7,351 7,512 7,671 7.816 7,947 8,063 8,165 8,253 8,330 8,399 8,459 8,512 8,560 8,602 8,640 8,674 8,705 8,733 8,759 8,815
6,955 6,955 6,955 6,956 6,958 6.965 7,013 7, 120 7.276 7,451 7,624 7,787 7,932 8,058 8,168 8,265 8,349 8,419 8,481 8,536 8,585 8,627 8,665 8,699 8,730 8,758 8,784 8,806 8,856
Aire
O2
H2O
CO2
CH4
SO2
C2H4
6,958 6,964 6,973 7,034 7,145 7,282 7,463 7,627 7,785 7,928 8.050 8,161 8,258 8,342 8,416 8,483 8,543 8,597 8,647 8,692 8,734 8,771 8,808 8,841 8,873 8,945
6,958 6,958 6.961 6,979 7,019 7,194 7,429 7.670 7,885 8,064 8,212 8,335 8,440 8,530 8,608 8,676 8,739 8,801 8,859 8,917 8,974 9,030 9,085 9,140 9,195 9,249 9,302 9,431
8,026 8,185 8,415 8,677 8,959 9,254 9,559 9,861 10,145 10,413 10,968 10,909 11,134 11,340 11,530 11,710 11,870 12,010 12,140 12,260 12,370 12,470 12,560 12,800
8,894 9,871 10,66 11,31 11 ,84 12,30 12,67 12,99 13,26 13,49 13,68 13,85 13,99 14,10 14,20 14,30 14,40 14,50 14,60 14,60 14,70 14,80 14,80 14,90
8,552 9,736 11 ,13 12,54 13,88 15,10 16,21 17,21 18,09 18,88 19,57 20,18 20,71
9,54 10,39 11,12 11,71 12,17 12,53 12,82 13.03 13.20 13,35 13,47 13,57 13,65
10,45 12,90 15,16 17,10 18,76 20,20 21,46 22,57 23,54 24,39 25,14 25,79 26,36
HOUGEN. WATSON. RAGATZ. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
252
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 8. Constantes empíricas para calores especí�cos
Cp = a + bT + cT2 donde T está en K y Cp en cal/mol-g.K Intervalo de temperatura entre 300 y 1.500 K Gas
a
b x 103
c x 106
H2 N2 O2 CO NO H2O CO2 SO2 SO3 HCl C2H6 CH4 C2H4 Cl2 Aire NH3
6,946 6,457 6,117 6,350 6,440 7,136 6,339 6,945 7,454 6,734 2,322 3,204 3,019 7,653 6,386 5,92
- 0,196 1,389 3,167 1,811 2,069 2,640 10,14 10,01 19,13 0,431 38,04 18,41 28,21 2,221 1,762 8,963
0,4757 - 0,069 - 1,005 - 0,2675 - 0,4206 0,0459 - 3,415 - 3,794 - 6,628 0,3613 - 10,97 - 4,48 - 8,537 - 0,8733 - 0,2656 - 1,764
Cp = a + bT + cT2 Para T entre 50 y 1.400 0F Cp = 7,95 + uTv Para T entre – 300 y 200 0F Cp en cal/mol-g K T en 0R Compuesto
Metano Etileno Etano Propileno Propano n-Butano i-Butano Pentano
a
b x 103
- c x 106
u
v
3,42 2,71 1,38 1,97 0,41 2,25 2,30 3,14
9,91 16,20 23,25 27,69 35,95 45,40 45,78 55,85
1,28 2,80 4,27 5,25 6,97 8,83 8,89 10,98
6,4 x 10-12 8,13 x 10-11 6,20 x 10-5 2,57 x 10-3 3,97 x 10-3 0,93 x 10-2 0,93 x 10-2 3,9 x 10-2
4,00 3,85 1,79 1,26 1,25 1,19 1,19 1,00
HOUGEN.WATSON.RAGATZ. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
Fernando Méndez Delgado
253
Tabla N0 9. Calores especí�cos de alimentos Producto
Cerdo pulpa Res pulpa Tocino Ciruelas frescas Ciruelas secas Frutas frescas Frutas secas Jugo de naranja Mantequilla Aceite vegetal Leche descremada Leche entera pasteurizada Queso campesino Camarones Pescado fresco Pescado seco y salado Arveja seca Cebolla Espinacas Papas crudas Zanahorias frescas Clara de huevo Yema de huevo Pan
% en peso de Agua
julio/kg.K
57 72 - 77 50 75 - 78 28 - 35 84 - 90 30 87,5 15 90,5 87,5 65 66,2 76 - 80 16 - 20 14 80 - 90 85 - 90 75 - 80 86 - 90 87 48 44 - 48,5
3056 3433 - 3432 2010 3516 2219 - 2470 3725 - 4102 2135 3822 2051 - 2135 1465 - 1884 3977 - 4019 3852 3265 3014 3600 1716 - 1842 1842 3349 - 3893 85 - 90 3810 - 3935 3516 3851 2805 2721 - 2846
HELDMAN, D. R; SINGH, R. R. Introductión of food Engineering. Academic Press Inc, N. J. SL. 1984.
254
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 10. Calores especí�cos
Líquidos Líquido
Agua (H2O)
Mercurio (Hg)
Acido nítrico (HNO3) Acido sulfúrico (H2SO4) Etanol (C2H5OH) Glicerina (C3H8O3)
Temperatura (K)
cal/g 0C
273 288 373 473 573 273 333 373 473 298 298 298 323 273 323
1,008 1,000 1,006 1,061 1,155 0,0335 0,0330 0,0329 0,0329 0,417 0,369 0,535 0,580 0,540 0,598
Sólidos Sustancia
Cromo (Cr) Boro (B) Oro (Au) Sulfato de aluminio (Al2(SO4)3 Carbón (Coque) Nitrato de plata (AgNO3) Cloruro de sodio (NaCl)
Temperatura (K)
cal/g ºC
298 298 298 323 294 - 673 323 273 373
0,1075 0,264 0,0306 0,184 0,265 0,146 0,204 0,217
HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
Fernando Méndez Delgado
255
Tabla N0 11. Calor latente de fusión Elementos
Ag Al Cu Fe Na Ni Pb S (Rómbico) Sn Zn Compuestos H2O Sb2S3 CO2 CaCl2 NaOH NaCl CaCl4 Metil Alcohol Acido Acético Etil Alcohol Benceno Anilina Naftaleno Difenilo Ácido Esteárico
f
Tf (ºC )
2.700 2.600 3.110 3.660 629 4.200 1.220 300 1.690 1.595
961 660 1.083 1.535 98 1.455 327 115 232 419
1.436,3 11.200 1.999 6.780 1.700 6.800 600 757 2.800 1.200 2.370 1.950 4.550 4.020 13.500
0 547 - 56,2 782 318 808 22,9 - 98 16,6 - 114, 5,4 - 7,0 80 71 64
f = calor de fusión en cal/atomo-g o en cal/mol-g.
Tf = Temperatura de fusión en 0C. HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
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Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 12. Calor latente de vaporización Sustancia
Amoníaco Argón Bromo Dióxido de Carbono Sulfuro de Carbono Monóxido de Carbono Tetracloruro de Carbono Cloro Helio Hidrógeno Cloruro de Hidrógeno Cianuro de Hidrógeno Fluoruro de Hidrógeno Ioduro de Hidrógeno Sulfuro de Hidrógeno Mercurio Nitrógeno Azufre Dióxido de Azufre Trióxido de Azufre Agua
Tb
5.581 1.590 7.340 6.030 6.400 1.444 7.170 4.878 22 216 3.860 6.027 1.800 4.724 4.463 13.890 1.336 25.000 5.950 9.990 9.717
- 33,4 - 185,8 25,0 - 78,4 46,25 - 191,5 76,7 - 34,1 - 268,9 - 252,7 - 85,0 25,7 19,9 - 35,35 - 60,3 356,6 - 195,8 444,6 - 10 43,3 100
= Calor de vaporización a T b 0C, en cal/mol-g. Tb = Punto de ebullición normal, 0C HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
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257
Tabla N0 13. Calores especí�cos medios molares de gases entre 25 y T 0C cal/mol-g K T(º C)
H2
25 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500 1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200
6,894 6,924 6,957 6,970 6,982 6,995 7,011 7,032 7,060 7,076 7,128 7,169 7,209 7,252 7,288 7,326 7,386 7,421 7,467 7,505 7,548 7,588 7,624
N2
CO
Aire
O2
H2O
6,961 6,965 6,972 7,017 8,024 6,972 6,983 6,996 7,083 8,084 6,996 7,017 7,021 7,181 8,177 7,036 7,070 7,073 7,293 8,215 7,089 7,136 7,152 7,406 8,409 7,159 7,210 7,225 7,515 8,539 7,229 7,289 7,299 7,616 8,678 7,298 7,365 7,374 7,706 8,816 7,369 7,443 7,447 7,792 8,963 7,443 7,521 7,520 7,874 9,109 7,507 7,587 7,593 7,941 9,246 7,574 7,653 7,660 8,009 9,389 7,635 7,714 7,719 8,068 9,524 7,692 7,772 7,778 8,123 9,660 7,738 7,818 7,824 8,166 9,770 7,786 7,866 7,873 8,203 9,890 7,844 7,922 7,929 8,269 9,950 7,879 7,958 7,965 8,305 10,13 7,924 8,001 8,010 8,349 10,24 7,957 8,033 8,043 8,383 10,34 7,994 8,069 8,081 8,423 10,43 8,028 8,101 8,115 8,460 10,52 8,054 8,127 8,144 8,491 10,61
CO2
CH4
SO2
8,884 9,251 9,701 10,108 10,462 10,776 11,053 11,303 11,530 11,740 11,920 12,100 12,250 12,390 12,500 12,690 12,750 12,700 12,94 13,01 13,10 13,17 13,24
8,55 8,98 9,62 10,29 10,97 11,65 12,27 12,90 13,48 14,04 14,56 15,04 15,49
9,54 9,85 10,25 10,62 10,94 11,22 11,45 11,66 11,84 12,0 12,15 12,28 12,39
HOUGEN. WATSON. RAGATZ. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
258
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N014. Composición del aire Componentes principales
Nitrógeno (N2) Oxígeno (O2) Argón (Ar) Dióxido de carbono (CO2) Neón (Ne) Helio (He) Metano (CH4) Criptón (Kr) Hidrógeno (H2) Monóxido de carbono (CO) Xenón (Xe) Ozono (O3) Dióxido de azufre (SO2) Sulfuro de hidrógeno (H2S) Dióxido de nitrógeno (NO2) Monóxido de nitrógeno (NO)
Concentración(% volumen)
78,09 20,92 0,93 0,032 0,0018 0,00052 0,00015 0,00010 0,00005 0,00001 0,000008 0,000002 0,00000002 0,00000002 0,00000010 0,00000006
STOCKER/SEAGER. Química Ambiental: Contaminación del Aire y del Agua. Editorial Blume, Barcelona. 1.981 DE NEVERS, Noel. Ingeniería de Control de la Contaminación del A ire. Mc Graw-Hill. México. 1.997
Fernando Méndez Delgado
259
Tabla N0 15. Poder calorí�co de los combustibles tradicionales de la industria Combustible
Energía eléctrica Gasolina 87-93 oct. Queroseno Diesel ( acpm ) Gas Propano Gas Natural Crudo de Castilla Fuel Oil Carbón Mineral Carbón Coque Carbón Antracita Carbón Semibituminoso Carbón Bituminoso Carbón Sub-bituminoso Carbón Lignito
Poder calorí�co
3.597,5 kj/kwh 121.674,06 kj/galón 141.285,31 kj/galón 145.502,78 kj/galón 97.001,86 kj/galón 37.235,00 kj/m3 160.263,94 kj/galón 158.155,20 kj/galón 25.515,71 kj/kg. 33.611,14 kj/kg 37.345,72 kj/kg 40.361,21 kj/kg 41.521,02 kj/kg 40.825,13 kj/kg 39.665,32 kj/kg
Indice Energético Saucedo (IES). Juan V. Saucedo (Diario La República, Bogotá. ). 2.003 HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
260
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 16. Calores de formación
Condiciones de referencia 25 0C y 1 atmósfera de presión. Calor de formación en kcal/mol-g Compuesto Acido acético Amoníaco Amoníaco Sulfato amónico Cloruro bárico Carbonato cálcico Hidróxido cálcico Oxido de calcio Carbono gra�to Monóxido de carbono Dióxido de carbono Cloruro de cobre Sulfato de cobre Acido clorhídrico Acido �uorhídrico Sulfato de hierro Cloruro de manganeso Sulfato de mercurio Hidróxido de níquel Acido fosfórico Permanganato potásico Carbonato sódico Hidróxido sódico Dióxido de azufre Acido sulfúrico Sulfato de cinc Carbonato de cinc Agua Agua
Fórmula
Estado
CH3COOH NH3 NH3 (NH4)2SO4 BaCl2 CaCO3 Ca(OH)2 CaO C CO CO2 CuCl CuSO4 HCl HF FeSO4 MnCl2 Hg2SO4 Ni(OH)3 H3PO4 KmnO4 Na2CO3 NaOH SO2 H2SO4 ZnSO4 ZnCO3 H2O H2O
l g l c c c c c c g g c c g g c c c c c c c c g l c c g l
Calor de formación - 116,4 - 11,04 - 16,06 - 281,86 - 205,56 - 288,45 - 235,80 - 151,9 0 - 26,4157 - 94,0518 - 32,5 - 184,00 - 22,063 - 64,2 - 220,5 - 115,3 - 177,34 - 162,1 - 306,2 - 194,4 - 270,3 - 101,99 - 70,96 - 193,91 - 233,88 - 194,2 - 57,7979 - 68,3174
c = estado cristalino. l = estado líquido. g = estado gaseoso. Multiplicar por 1.000 para obtener cal / mol-g o kcal/mol-kg. Multiplicar por 1.800 para obtener Btu / mol-lb. HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
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Tabla N0 17. Calores de combustión
Condiciones de referencia 25 0C y 1 atmósfera de presión. Calor de combustión en kcal/mol-g Compuesto
Carbono gra�to Monóxido de carbono Hidrógeno Metano Propano Benceno Benceno n-Hexano Metil alcohol Metil alcohol Etil alcohol Etil alcohol Glicerina Acido acético Acido acético Acido láctico Acido benzoico Acido oléico Acido esteárico Sacarosa Acetona Acetona Fenol Fenol
Fórmula
Estado
Calor de combustión
C CO H2 CH4 C3H8 C6H6 C6H6 C6H14 CH4O CH4O C2H6O C2H6O C3H8O3 C2H4O2 C2H4O2 C3H6O3 C7H6O2 C18H34O2 C18H36O2 C11H22O11 C3H6O C3H6O C6H6O C6H6O
s g g g g g l l g l g l l g l s s l s s g l g l
94,0518 67,6361 68,3174 212,798 530,605 789,08 780,98 995,01 182,59 173,65 336,82 326,70 396,27 219,82 208,34 325,8 771,5 2.668 2.697 1.348,9 435,32 427,79 747,55 731,46
s = sólido l = líquido g = gaseoso Multiplicar por 1.000 para obtener cal/mol-g o kcal/mol-kg. Multiplicar por 1.800 para obtener Btu/mol-lb. HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
262
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 18. Temperaturas reales de llama.
Gas
Fórmula
Temperatura máxima de llama con aire seco a una temperatura de 25ºCTeórica (ºC)
Monóxido de carbono Hidrógeno Metano Etano Propano n- Butano n- Pentano Etileno Propileno Butileno Amileno Acetileno Benceno Tolueno
CO H2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C2H4 C3H6 C4H8 C5H10 C2H2 C6H6 C6H5CH3
2.342 2.217 2.012 2.065 2.356 2.084 2.087 2.250 2.180 2.158 2.204 2.586 2.211 2.187
Temperatura máxima de llama con aire seco a una temperatura de 25ºCExperimental (ºC)
1.885 1.900 1.930 1.905 1.980 1.940 1.935
HOUGEN, A. O; WATSON, M. K; RAGATZ, A. R. Principios de los Procesos Químicos. Editorial Reverté, Barcelona. 1.976
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263
Tabla N0 19. Constantes para la ecuación de Antoine Sustancia
Fórmula
Rango (ºC)
A
B
C
Acetaldehído Ácido Acético
C2H4O C2H4O2
Acetona Amoníaco Benceno Tetracl de carbono Clorobenceno
C3H6O NH3 C6H6 CCl4 C6H5Cl
Cloroformo Ciclohexano Acetato de etilo Alcohol etílico Etilbenceno n-Heptano n-Hexáno Alcohol metílico Metil etil cetona n-Pentano Isopentano Estireno Tolueno Agua
CHCl3 C6H12 C4H8O2 C2H6O C8H10 C7H16 C6H14 CH4O C4H8O C5H12 C5H12 C8H8 C7H8 H2O
- 45 a + 70 0 a + 36 + 36 a + 170 - 83 a + 60 0 a + 42 + 42 a + 230 - 30 a + 150 - 50 a + 200 - 20 a + 150 - 20 a + 140 0 a 60 60 a 150
6,81089 7,80307 7,18807 7,02447 7,55466 6,90565 6,93390 7,10690 6,94504 6,90328 6,84498 7,09808 8,04494 6,95719 6,90240 6,87776 7,87863 6,97421 6,85221 6,78967 6,92409 6,95334 8,10765 7,96681
992,0 1.651,2 1.416,7 1.161,0 1.002,711 1.211,033 1.242,43 1.500,0 1.413,12 1.163,03 1.203,526 1.238,71 1.554,3 1.424,255 1.268,115 1.171,530 1.473,11 1.209,6 1.064,63 1.020,012 1.420,0 1.343,943 1.750,286 1.668,21
230 225 211 224 247,885 220,790 230 224 216 227,4 222,863 217 222,65 213,206 216,900 224,366 230 216 232 233.097 206 219,377 235 228
REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Universidad del Valle, Cali. 1.990
264
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Tabla N0 20. Propiedades termodinámicas del vapor de agua saturado y seco. Temperatura(K)
Presión (kpa)
hf
Entalpía (hfg)
hg
277 283 286 289 293 296 299 303 307 313 323 333 343 353 363 373 383 393 403 413 423 433 443 453 463 473 483 493 503
0,813 1,228 1,497 1,818 2,339 2,810 3,363 4,246 5,324 7,384 12,35 19,94 31,19 47,39 70,14 101,4 143,3 198,5 270,1 361,3 475,8 617,8 791,7 1.002 1.254 1.554 1.906 2.318 2.795
16,78 42,01 54,6 67,19 83,96 96,52 109,07 125,79 142,50 167,57 209,33 251,13 292,98 334,91 376,92 419,04 461,30 503,71 546,31 589,13 632,20 675,55 719,21 763,22 807,62 852,45 897,76 943,62 990,12
2.491,9 2.477,7 2470,7 2.463,6 2.454,1 2.447,0 2.439,9 2.430,5 2.421,0 2406,7 2.382,7 2.358,5 2.333,8 2.308,8 2.283,2 2.257,0 2.230,2 2.202,6 2.174,2 2.144,7 2.114,3 2.082,6 2.049,5 2.015,0 1.978,8 1.940,7 1.900,7 1.858,5 1.813,8
2508,7 2.519,8 2.525,3 2530,8 2.538,1 2.543,5 2.549,0 2.556,3 2.563,5 2.574,3 2.592,1 2.609,6 2.626,8 2.643,7 2.660,1 2.676,1 2.691,5 2.706,3 2.720,5 2.733,9 2.746,5 2.758,1 2.768,7 2.778,2 2.786,4 2.973,2 2.798,5 2.802,1 2.804,0
Entalpía, H: kj/kg hf : Líquido saturado h g: Vapor saturado h fg: Evaporación Referencia= agua de entrada a 273 K (líquido) WARK, Kenneth. Termodinámica. Editorial Mc Graw-Hill, SL. 1.986
Fernando Méndez Delgado
265
Grá�ca N01. Factor de compresibilidad. Presiones bajas. REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Universidad del Valle, Cali. 1.990
266
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Grá�ca N02. Factor de compresibilidad. Presiones intermedias. REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Universidad del Valle, Cali. 1.990
Fernando Méndez Delgado
267
Grá�ca N03. Factor de compresibilidad. Presiones altas. REIF Acherman, Simón. Elementos de Procesos. Universidad del Valle, Cali. 1.990
268
Los procesos industriales y el medio ambiente. Un nuevo paradigma
Grá�ca N04. Carta Sicrométrica. VÉLEZ Pasos, Carlos. Transferencia de Calor. Universidad del Valle, Cali. 1.988
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