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NUEVA INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA VOLUMEN I FUNDAMENTOS GENERALES, MECÁNICA DE FLUIDOS Y TRANSMISIÓN DE CALOR

NUEVA INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA VOLUMEN I FUNDAMENTOS GENERALES, MECÁNICA DE FLUIDOS Y TRANSMISIÓN DE CALOR

Guillermo Calleja Pardo (editor) Francisco García Herruzo José Iglesias Morán Antonio de Lucas Martínez José Miguel Rodríguez Maroto

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© Guillermo Calleja Pardo (editor), Francisco García Herruzo, José Iglesias Morán, Antonio de Lucas Martínez, José Miguel Rodríguez Maroto © EDITORIAL SÍNTESIS, S. A. Vallehermoso, 34 - 28015 Madrid Teléf.: 91 593 20 98 http://www.sintesis.com

ISBN: 978-84-9077-396-3 ISBN: 978-84-907792-6-2 ISBN obra completa: 978-84-9077-398-7 Depósito Legal: M-33.104-2016 Impreso en España - Printed in Spain

Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S. A.

ÍNDICE

RELACIÓN DE AUTORES.................................................................................................................... NOMENCLATURA ................................................................................................................................

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PRÓLOGO ..............................................................................................................................................

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1. LA INDUSTRIA QUÍMICA Y LOS PROCESOS QUÍMICOS ...................................................... Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 1.1. La industria química: concepto de proceso químico .............................................................. 1.2. Procesos químicos y ecología industrial ................................................................................. 1.3. La Ingeniería Química ............................................................................................................ 1.3.1. Origen y evolución de la Ingeniería Química .............................................................. 1.3.2. Objeto y estructura de la Ingeniería Química .............................................................. 1.3.3. La Ingeniería Química como profesión ....................................................................... 1.3.4. Tendencias actuales y futuras de la Ingeniería Química .............................................. 1.4. Los procesos químicos en la actualidad y perspectivas de futuro .......................................... 1.5. Impacto de los procesos químicos sobre el medio ambiente ........................................... 1.6. Descripción, a modo de ejemplo, de un proceso químico industrial ...............................

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2. OPERACIONES BÁSICAS DE LOS PROCESOS QUÍMICOS .................................................... Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 2.1. Introducción ............................................................................................................................ 2.2. Concepto de operación básica ................................................................................................ 2.3. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas ........................................................... 2.4. Contacto entre fases inmiscibles: continuo o discontinuo ...................................................... 2.5. Flujo en paralelo, en contracorriente y cruzado ...................................................................... 2.6. Clasificación de las operaciones básicas y de los reactores químicos. Flujos controlantes ... 2.7. Equilibrio entre fases ............................................................................................................... 2.7.1. Criterios y condiciones de equilibrio ........................................................................... 2.7.2. Diagramas de equilibrio ............................................................................................... Problemas propuestos ....................................................................................................................... Cuadro resumen. Objetivos de las operaciones básicas ...................................................................

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Nueva introducción a la Ingeniería Química. Volumen I

3. INTRODUCCIÓN A LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE ..................................................... Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 3.1. Generalidades ......................................................................................................................... 3.2. Mecanismos del transporte molecular y del transporte turbulento ......................................... 3.2.1. Régimen laminar: transporte molecular ..................................................................... 3.2.2. Régimen turbulento: transporte turbulento ................................................................ 3.3. Ecuaciones cinéticas en transporte molecular: leyes de Newton, de Fourier y de Fick ......... 3.3.1. Ley de Newton ........................................................................................................... 3.3.2. Ley de Fourier ............................................................................................................ 3.3.3. Ley de Fick ................................................................................................................. 3.4. Transporte turbulento: coeficientes de transporte ................................................................... 3.5. Capa límite .............................................................................................................................. 3.5.1. Capa límite fluidodinámica ........................................................................................ 3.5.2. Capa límite térmica y de concentración ..................................................................... Cuestiones ........................................................................................................................................ Problemas propuestos .......................................................................................................................

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4. ANÁLISIS DIMENSIONAL Y CAMBIO DE ESCALA ................................................................ Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 4.1. Introducción ............................................................................................................................ 4.2. Sistemas de magnitudes y unidades ........................................................................................ 4.3. Ecuaciones dimensionales y adimensionales .......................................................................... 4.4. Análisis dimensional ............................................................................................................... 4.4.1. Métodos de análisis dimensional. Método de Rayleigh ............................................. 4.5. Cambio de escala en procesos químicos ................................................................................. 4.5.1. Consideraciones del cambio de escala ....................................................................... 4.5.2. Teoría de la semejanza ............................................................................................... 4.5.3. Métodos de extrapolación de datos ............................................................................ 4.6. Procedimientos experimentales de obtención de datos para el cambio de escala .................. Problemas propuestos .......................................................................................................................

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5. BALANCES DE MATERIA ............................................................................................................ Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 5.1. Introducción ............................................................................................................................ 5.2. Ecuación general de conservación de cualquier propiedad extensiva .................................... 5.3. Balances de materia macroscópicos: expresión general ......................................................... 5.4. Balances de materia macroscópicos en régimen estacionario ................................................ 5.4.1. Balance de materia en una operación sin reacción química ........................................ 5.4.2. Balance de materia en una operación con reacción química ....................................... 5.4.3. Balance de materia en un proceso con recirculación ................................................... 5.4.4. Balance de materia en un proceso con recirculación y purga ......................................

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Índice

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5.4.5. Balance de materia en un sistema multifásico ............................................................. 5.5. Balances de materia macroscópicos en régimen no estacionario ........................................... 5.5.1. Balance de materia en una operación discontinua ....................................................... 5.5.2. Balance de materia en una operación semicontinua .................................................... 5.6. Resolución de balances de materia macroscópicos con ordenadores ..................................... 5.6.1. Resolución de balances de materia utilizando MatLab .............................................. 5.6.2. Resolución de balances de materia utilizando una hoja Excel ................................... Cuestiones ........................................................................................................................................ Problemas propuestos .......................................................................................................................

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6. BALANCES DE ENERGÍA ............................................................................................................ Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 6.1. Introducción ............................................................................................................................ 6.2. Formas de expresión de la energía .......................................................................................... 6.3. Balances de energía macroscópicos: expresión general ......................................................... 6.4. Balances entálpicos ................................................................................................................. 6.4.1. Cálculo de las entalpías .............................................................................................. 6.4.2. Entalpías de reacción .................................................................................................. 6.5. Balances macroscópicos de energía en algunos casos particulares de interés ........................ 6.5.1. Balances de energía en sistemas cerrados .................................................................. 6.5.2. Balances de energía en sistemas abiertos en régimen estacionario ............................ 6.5.3. Aplicación del balance de energía a operaciones sin reacción química ..................... 6.5.4. Aplicación del balance macroscópico de energía a una operación con reacción química .................................................................................................. 6.5.5. Balances macroscópicos de materia y energía acoplados .......................................... Problemas propuestos .......................................................................................................................

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7. INTRODUCCIÓN AL FLUJO DE FLUIDOS .................................................................................. Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 7.1. Generalidades ......................................................................................................................... 7.2. Viscosidad de los fluidos ........................................................................................................ 7.3. Clasificación de los fluidos ..................................................................................................... 7.4. Flujo laminar y flujo turbulento .............................................................................................. 7.5. Ecuaciones básicas en el flujo interno de fluidos ................................................................... 7.5.1. Balance de materia ..................................................................................................... 7.5.2. Balance de energía total ............................................................................................. 7.5.3. Balance de energía mecánica: ecuación de Bernoulli ................................................ 7.6. Pérdidas de energía por rozamiento ........................................................................................ 7.6.1. Cálculo del factor de rozamiento ............................................................................... 7.6.2. Pérdidas de carga menores ......................................................................................... 7.6.3. Diámetro equivalente ................................................................................................. 7.6.4. Circulación de gases por conducciones ......................................................................

263 263 263 264 266 273 278 281 282 282 284 289 291 294 296 301

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Nueva introducción a la Ingeniería Química. Volumen I

7.6.5. Factores de rozamiento en la entrada de una conducción .......................................... 7.7. Potencia necesaria para el flujo .............................................................................................. 7.7.1. Bombas ....................................................................................................................... 7.7.2. Condiciones de succión de una bomba: cavitación .................................................... 7.7.3. Rendimiento y potencia de una bomba ...................................................................... 7.7.4. Ventiladores, soplantes y compresores ....................................................................... 7.7.5. Potencia y rendimiento de un compresor ................................................................... 7.8. Medida de caudales ................................................................................................................. 7.8.1. Medidas de la presión ................................................................................................. 7.8.2. Diafragmas, boquillas y venturímetros ...................................................................... 7.8.3. Tubo de Pitot .............................................................................................................. 7.8.4. Rotámetros ................................................................................................................. Problemas propuestos .......................................................................................................................

302 303 304 308 310 311 315 316 316 317 322 323 324

8. OPERACIONES BASADAS EN EL FLUJO ExTERNO DE FLUIDOS ...................................... Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 8.1. Introducción ............................................................................................................................ 8.2. Factor de rozamiento en el flujo externo ................................................................................ 8.3. Flujo en lechos porosos .......................................................................................................... 8.4. Operaciones basadas en el flujo externo de fluidos ................................................................ 8.5. Filtración ................................................................................................................................. 8.5.1. Aspectos prácticos de la filtración ............................................................................. 8.5.2. Equipos de filtración .................................................................................................. 8.5.3. Fundamento teórico de la filtración ........................................................................... 8.6. Ósmosis inversa ...................................................................................................................... 8.7. Sedimentación ......................................................................................................................... 8.7.1. Sedimentación libre .................................................................................................... 8.7.2. Sedimentación impedida ............................................................................................ 8.8. Centrifugación ........................................................................................................................ 8.9. Fluidización ............................................................................................................................ Problemas propuestos .......................................................................................................................

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9. INTRODUCCIÓN A LA TRANSMISIÓN DE CALOR ................................................................. Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 9.1. Generalidades ......................................................................................................................... 9.2. Mecanismos de transmisión de calor ...................................................................................... 9.2.1. Conducción ................................................................................................................. 9.2.2. Conductividad térmica ............................................................................................... 9.2.3. Convección ................................................................................................................. 9.2.4. Radiación .................................................................................................................... 9.3. Conducción de calor en sólidos de geometría sencilla ........................................................... 9.3.1. Placa plana ..................................................................................................................

383 383 384 385 388 388 389 394 398 404 404

Índice

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9.3.2. Combinación de placas planas en serie ...................................................................... 9.3.3. Superficies cilíndricas ................................................................................................ 9.3.4. Superficies esféricas ................................................................................................... 9.4. Transmisión de calor por convección. Coeficiente de transmisión de calor .......................... 9.4.1. Convección forzada .................................................................................................... 9.4.2. Convección natural ..................................................................................................... Problemas propuestos .......................................................................................................................

406 409 412 414 415 419 424

10. CAMBIADORES DE CALOR ........................................................................................................ Resumen ........................................................................................................................................... Glosario ............................................................................................................................................ 10.1. Generalidades ......................................................................................................................... 10.2. Cambiadores de calor ............................................................................................................. 10.2.1. Cambiador de calor de tubos concéntricos. Coeficiente global de transmisión de calor ................................................................ 10.2.2. Integración de la ecuación de diseño de un cambiador de calor. Diferencia de temperatura media logarítmica ............................................................ 10.2.3. Tipos de cambiadores de calor ................................................................................... 10.2.4. Factores de corrección de la diferencia de temperatura media logarítmica ............... 10.3. Evaporación ............................................................................................................................ 10.3.1. Ecuación de diseño de un evaporador ........................................................................ 10.3.2. Modos de operación ................................................................................................... Problemas propuestos .......................................................................................................................

429 429 430 430 431

431

434 439 446 450 451 455 458

SOLUCIONARIO ............................................................................................................................... 461 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................ 471 ANEXO ................................................................................................................................................ 475