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• Alfred Cruz Dávila

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CONTENIDO 1.-OPERACIONES UNITARIAS 2.-OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR – MASA (ENERGIA – MATERIA) 2.1.-ACONDICIONAMIENTO DE GASES 2.1.1.-TIPOS 2.1.2.-DISPOSITIVOS 2.2.-CRISTALIZACIÓN 2.2.1.-ETAPAS 2.2.2.-ZONAS QUE SE PUEDEN OBSERVAR 2.2.3.-DISPOSITIVOS: 2.3.-SECADO 2.3.1.-DEFINICIÓN: 2.3.2.-REPRESENTACIÓN GRÁFICA: 2.3.3.-DISPOSITIVOS: 2.3.4.-EJEMPLO DE APLICACIÓN DE O.U. DE SECADO 2.4.-TÉCNICAS DE MEDICION DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR USANDO LA ANALOGIA ENTRE LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y DE MASA

1.-OPERACIONES UNITARIAS Se llama operación unitaria a una parte indivisible de cualquier proceso de transformación, sea físico, químico o de naturaleza biológica, de una materia prima en otro producto de características diferentes. Se entiende que los procesos de transformación en general y las operaciones unitarias, en lo particular, tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Esta transformación puede realizarse de distintas formas: modificando la masa o composición del cuerpo primario ya sea mezclándolo, separándolo o haciéndolo reaccionar químicamente; modificando la calidad de la energía que posee el cuerpo en cuestión, ya sea por enfriamiento, vaporización, aumento de presión; modificando las condiciones relativas a la cinética del cuerpo primario, ya sea aumentando o disminuyendo su velocidad o modificando la dirección que tiene en el espacio.1 De hecho, los cambios mencionados son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas: • La cantidad de materia y su composición. • La energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que el cuerpo esté dotado. • Las componentes de dirección y velocidad de que está animado. Lo descrito está basado experimentalmente y soportado matemáticamente por las leyes de la conservación: • • •

Ley de la conservación de la materia. Ley de la conservación de la energía. Ley de la conservación de la cantidad de movimiento.

Las operaciones unitarias son comunes en los procesos industriales, sean químicos, físicos o biológicos y se refieren a las etapas individuales y diferenciables entre sí, en que pueden ser divididos tales procesos. 2.-OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR – MASA (ENERGIA – MATERIA) Dichas operaciones unitarias son aquellas en las que se da simultáneamente una transferencia de calor y materia por contacto directo entre fases. Hay simultáneamente dos fuerzas impulsoras separadas, que pueden ir en el mismo sentido o incluso en sentidos opuestos. Son operaciones generalmente de separación en las que hay siempre dos fases en íntimo contacto, y a través de la interfase separadora se producen los fenómenos de transporte mencionados. En estas operaciones existe a la vez una gradiente de concentración y de temperatura. Entre las operaciones unitarias de transferencia simultánea de calor y masa podemos encontrar: • • •

Acondicionamiento de gases o enfriamiento de líquidos Cristalización Secado

• • •

Humidificación Destilación Liofilización

2.1.-ACONDICIONAMIENTO DE GASES

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FASES PRESENTES: Liquido - gas

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DEFINICIÓN: Operación unitaria para modificar las condiciones de humedad y temperatura de una corriente de aire por interacción con una corriente de agua.

2.1.1.-TIPOS:

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Humidificación del aire: Se consigue al poner en contacto el aire no saturado (es decir, aquel gas en el que la presión parcial del vapor de liquido no es igual a la presión de vapor de dicho liquido a la temperatura del gas) con agua, a unas temperaturas tales que el aire aumenta su contenido de humedad. Por lo tanto vemos como hay transferencia de materia y transmisión de calor, ya que introdujimos liquido caliente y gas seco, y hemos obtenido líquido frío y gas humedo.

•

Deshumidificación: Se pone en contacto aire húmedo con un líquido más frío, de modo que la temperatura del gas disminuye por debajo de su punto de rocío y condensa agua. El proceso es igual que el de la humidificación pero a la inversa.

•

Enfriamiento: Agua caliente se pone en contacto con un gas más frío no saturado. El caudal de la corriente de agua se reduce aproximadamente en un 10 % por la evaporación del agua. Su objetivo es enfriar el agua y no aumentar el contenido de vapor de agua en el aire como ocurre en la humidificación.

2.1.2.-DISPOSITIVOS: Torres de enfriamiento: Equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes porque, son el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los intercambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared. En el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.

2.2.-CRISTALIZACIÓN

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FASES PRESENTES: Sólido - líquido.

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DEFINICIÓN: Formación de partículas sólidas cristalinas en el seno de una base homogénea.

2.2.1.-ETAPAS

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NUCLEACIÓN: Formación, a partir de los iones o las moléculas de soluto, de núcleos cristalinos de tamaño suficiente para mantenerse en la solución sin solubilizarse.

o

CRECIMIENTO: Aumento de tamaño de los núcleos cristalinos por adición de nuevos iones o moléculas.

La fuerza impulsora en ambas etapas es la sobresaturación y la posible diferencia de temperatura entre el cristal y el líquido originada por el cambio de fases. 2.2.2.-ZONAS QUE SE PUEDEN OBSERVAR

o

REGIÓN NO SATURADA: Concentraciones bajas.

o

REGIÓN METAESTABLE: Tras pasar la curva de la solubilidad al aumentar la concentración. Los cristales formados crecen pero no se crean. Se debe trabajar en esta zona.

o

REGIÓN LABIL: Tras pasar la curva de la sobresaturación.

2.2.3.-DISPOSITIVOS:

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CRISTALIZADORES DE TANQUE: En los que la cristalización se produce por enfriamiento sin evaporación apreciable. Se emplean cuando la solubilidad varía mucho con la temperatura.

•

CRISTALIZADORES - EVAPORADORES: La sobresaturación se consigue por evaporación (concentración) sin que se modifique la temperatura, es decir evaporación pero sin enfriamiento apreciable.

•

CRISTALIZADORES DE VACIO: Se combina la evaporación con el enfriamiento adiabático Se utilizan cuando se quiere operar con rapidez, como en los anteriores, pero a baja temperatura.

2.3.-SECADO

2.3.1.-DEFINICIÓN: Disminución del agua libre o humedad libre del sólido (diferencias entre el contenido total de agua del sólido y el contenido de agua de agua en equilibrio, dadas una temperatura y humedad relativa ambiental).

• •

AGUA LIGADA: Cantidad de agua inferior al valor de equilibrio a una humedad relativa del aire del 100% AGUA NO LIGADA: Cantidad de agua superior al valor de equilibrio citado.

2.3.2.-REPRESENTACIÓN GRÁFICA: Velocidad de secado de un sólido en condiciones constantes (de temperatura, humedad ambiental y velocidad del aire) en función de la humedad libre del sólido, se observa dos períodos:

o

PERIODO CONSTANTE: El agua del sólido forma una película continua sobre la superficie del sólido, de tal forma que es como si el sólido no existiera (análogo a la humidificación).

o

PERIODO DECRECIENTE: El agua contenida por el sólido no es capaz de formar esta película (punto crítico); a partir de este momento la velocidad de secado es función de la humedad libre.

2.3.3.-DISPOSITIVOS: Secaderos:

•

CONTACTO DIRECTO: Pone en contacto el sólido húmedo pulverulento con una corriente de aire caliente no saturado.

•

CONTACTO INDIRECTO: El secado se produce sin contacto de la fuente de calor con el sólido

Los secaderos comerciales más comunes son:

•

SECADEROS DE BANDEJA: El sólido se deposita en capas de poca profundidad, y el aire caliente circula por la superficie o a través del sólido.

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SECADEROS ROTATIVOS: El sólido desciende a lo largo de un cilindro rotatorio inclinado hacia la salida, secándose por acción del aire caliente que circula en contracorriente.

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SECADEROS DE EVAPORACION SÚBITA O ATOMIZADORES: El sólido húmedo se encuentra en suspensión en una corriente gaseosa caliente, en un dispositivo tipo ciclón. El agua del sólido se vaporiza bruscamente, obteniéndose un sólido muy poroso.

•

SECADORES DE CINTA TRANSPORTADORA PERFORADA: El material a secar se transporta lentamente sobre una tela metálica a través de un largo túnel o cámara de secado. Dicha cámara está formada por distintas secciones, cada una de ellas con su propio ventilador y calentador de aire. En el extremo de entrada del sólido el flujo de aire es de abajo hacia arriba, mientras que en la salida es de arriba hacia abajo, para que no se formen polvos.

2.3.4.-EJEMPLO DE APLICACIÓN DE O.U. DE SECADO Un secador de bandejas de pequeña escala seca sólidos pasando una corriente de aire caliente sobre bandejas de material húmedo, un método habitual en la industria. La unidad es apropiada para el laboratorio de operaciones unitarias de centros educativos, y también para la enseñanza e investigación en Tecnología alimentaria. •

POSIBILIDADES DE DEMOSTRACIÓN:

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Demostración de regímenes de secado Analogías de transferencia de calor y de masa Ensayos de secado de sólidos para uso industrial Efecto de la temperatura y la velocidad del aire en el ritmo de secado Uso de diagramas sicrométricos Balances de masas (agua)

DESCRIPCIÓN: La unidad consta de un túnel con soportes sobre el suelo, con un ventilador de flujo axial instalado en uno de sus extremos. Aguas abajo del ventilador, un banco de elementos calentados eléctricamente calienta el aire que fluye a la cámara de secado. La cámara, que tiene una puerta de acceso transparente, contiene un rack de bandejas suspendidas de una balanza que va montada encima del secador. La capacidad total de las bandejas es de aproximadamente 3kg de sólidos. Los conductos aguas arriba y aguas abajo del secador están diseñados para proporcionar un flujo de aire uniforme sobre las bandejas. Los controles montados en un panel en el extremo del túnel que lleva el ventilador permiten variar la velocidad del aire y la potencia del calentador para variar la temperatura a lo largo del secador. Es posible efectuar mediciones de temperatura y humedad (con un sicrómetro aspirado de bulbo seco y bulbo húmedo) antes y después de la cámara de secado. Los elementos de calentamiento están totalmente protegidos contra sobrecalentamiento por el uso de termostatos bimetálicos, y los circuitos de calentamiento solamente pueden ser encendidos cuando el ventilador está en funcionamiento. La velocidad mínima del ventilador está preestablecida. Un dispositivo de corriente residual (interruptor diferencial) está instalado por razones de seguridad del operador.

2.4.-TÉCNICAS DE MEDICION DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR USANDO LA ANALOGIA ENTRE LA TRANSFERENCIA DE CALOR Y DE MASA Existe gran número de técnicas para desarrollar experiencias donde la analogía entre la transferencia de calor y de masa es utilizada para estudiar la transferencia de calor entre superficies y medios gaseosos. Una clasificación de las técnicas para la medición de la transferencia de masa en flujos sobre superficies es encontrada en Kottke [1978]. Kottke divide las técnicas en tres tipos: las técnicas de absorción con reacciones químicas e intensidad de color, las técnicas de evaporación y las técnicas de sublimación. La primera técnica generalmente es usada a través de la absorción de amoniaco en la superficie de transferencia [Kottke, 1985; Shüz, 1992, y Gaiser, 1989]. La absorción del amoniaco implica un cambio en la coloración de la superficie, coloración a partir de la cual se determina el coeficiente de transferencia de masa. El método resulta bastante complejo, pues exige la calibración de los resultados con geometrías donde el coeficiente de transferencia de masa sea conocido. Los métodos de sublimación han sido ampliamente usados, en especial la sublimación de naftaleno (como muestra el artículo de revisión bibliográfica Goldstein [1995]). El método de sublimación de naftaleno es una técnica relativamente simple y con pequeño grado de incertidumbre (5-6 %), aunque cuando es usada para mediciones de los coeficientes locales exige de equipamientos sofisticados y alta precisión (alto costo) para poder determinar las pequeñas deformaciones de la superficie con una incertidumbre razonable. Los métodos de evaporación se basan en determinar la pérdida de líquido de una superficie húmeda midiendo la variación de masa transferida (para mediciones globales) o de otra propiedad vinculada con la pérdida de humedad, como puede ser la variación de los tonos de color de la superficie, la cual por producirse con diferente intensidad en los distintos puntos puede ser usada para la determinación de coeficientes locales de transferencia de masa (calor). La medición del coeficiente global de transferencia de calor con los métodos de

evaporación se comporta de forma semejante al método de la sublimación de naftaleno. Para mediciones locales, la evaporación ha sido aplicada fundamentalmente para visualización. La principal desventaja atribuida al método de medición por evaporación –(citada por Kottke [1982])–, consiste en la alteración de la capa límite de concentración cuando ocurre el secado parcial de regiones de la superficie investigada. La limitación mencionada antes no constituye un impedimento insuperable, como puede ser visto en Bayón [1999] donde fue desarrollado un método para la medición de los coeficientes locales de transferencia que aprovecha la relación existente entre la variación de los tonos de color de una superficie (revestida de una capa de polvo de tiza mojado uniformemente con agua) con el cambio del contenido de humedad del material. La técnica establece una graduación entre la masa de agua transferida por la superficie y sus tonos de color a través de la digitalización de las imágenes captadas por una cámara fotográfica conectada a una computadora. Los tonos de color son evaluados en una escala numérica de 0 hasta 255, correspondiente a los tonos de gris de la imagen procesada por un software desarrollado para la interpretación de los datos. Los resultados de la aplicación del método en la determinación de los coeficientes de transferencia de calor presentan incertidumbre del orden de 5 %, comparables con las incertidumbres de otras técnicas mucho más sofisticadas. Los valores experimentales obtenidos mostraron buena correspondencia con los resultados obtenidos por otros métodos de medición. Dentro del grupo de técnicas mencionadas antes, la más empleada universalmente es la sublimación de naftaleno.

UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

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CUSCO – PERÚ 2010