Manual Senati. 89001197 Procesos Industriales

.

PROCESOS INDUSTRIALES

CONTENIDO TEMA

I.

PÁGINA

PROCESOS

09

1.1. Etimología.

09

1.2. Clasificación de procesos industriales.

10

1.3. Esquema de procesos industriales.

11

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA.

17

2.1. Generalidades.

17

2.2. Análisis sistemático de procesos industriales.

22

OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS UNITARIOS.

24

3.1. Transferencia de calor.

24

3.2. Flujo de fluidos.

25

IV.

CLASIFICACIÓN DE LAS INDUSTRIAS.

31

V.

INDUSTRIA PLÁSTICA.

34

5.1. Propiedades de los plásticos.

35

5.2. Procesamiento de los plásticos.

36

II.

III.

5.2.1.

Procesos de tecnología mecánica.

37

5.2.2.

Moldeo por inyección.

38

5.2.3.

Moldeo por extrusión.

39

5.2.4.

Moldeo por insuflación de aire

40

5.2.5.

Moldeo por vacío.

40

5.2.6.

Calandrado.

40

5.3. Artículos termorrígidos.

41

5.3.1.

Moldeo por compresión.

41

5.3.2.

Modelado de laminados.

41

5.3.3.

Proceso de fundición.

41

U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

5

.


VI.

5.3.4.

Ciclo de moldeo.

42

5.3.5.

Moldeado por prensa.

43

5.3.6.

Moldeado por prensado en inyección.

44

5.4. Inyección.

45

PROCESOS CON ARRANQUE DE MATERIAL.

47

6.1. Mecanizado.

47

6.3.1.

Mecanizado con máquina herramienta.

47

6.2. Procesos sin arranque de material.

50

6.3. Simbología de acabados.

53

6.4. Tratamiento superficial.

55

6.5. Tratamientos químicos.

59

6.5.1.

Concepto básicos de los procesos industriales

59

de transformación.

VII. OPERACIONES UNITARIAS.

66

7.1. Clasificación de las operaciones unitarias.

71

7.2. Mecánica de fluidos.

85

7.3. Propiedades de los fluidos.

88

7.4. Teorema de Bernoulli.

95

7.5. Transferencia de calor.

102

VIII. EVAPORACIÓN.

109

IX.

REFRIGERACIÓN MECÁNICA.

115

X.

SECADO.

117

XI.

MEZCLADO.

128

XII. COMBUSTIÓN.


133

6

.


XIII. OXIDACIÓN.

139

XIV. DETERGENTES.

151

XV. FERMENTACIÓN.

155

XVI. PROCESOS EN LA INDUSTRIA PESQUERA.

169

XVII. BIBLIOGRAFÍA.

176


7

.



8

.


I. PROCESOS

1.1. ETIMOLOGÍA Proceder significa “continuar realizando cierta acción que requiere un orden”; procedimiento, “sucesión. Serie de cosas que siguen una a otra” y proceso “marcha hacia delante. Desarrollo o marcha de alguna cosa”. Así, al hablar de análisis del proceso, se está refiriendo a las diferentes etapas que componen de una manera ordenada -escalonada- la realización de alguna actividad. El proceso de producción estará constituido por las fases consecutivas en la elaboración de un producto. PROCESO DE PRODUCION INDUSTRIAL El proceso de producción industrial precisa de ciertos elementos: materia prima, mano de obray tecnología más o menos compleja. El resultado del proceso de producción será el producto, eje entorno al cual gira todo el proceso de producción. Dicho producto ostentará una serie de características. Entre ellas una es fundamental, desde el punto de vista de la gestión y el control de la producción: La calidad del producto. Todo proceso de producción industrial precisará una estructura donde se realizará la actividad necesaria para la producción y se dará en un entorno que modificará la propia actividad industrial (demanda, disposición de materia prima y mano de obra calificada, climatología y medios de comunicación). PROCESO

INDUSTRIAL.Es

una

serie

de

tareas

otransformaciones

sistemáticas que se llevan a cabo en una planta industrial sobre las materias primas con el fin de obtener uno o varios productos de acuerdo a ciertos requerimientos. Describe la transformación de materias primas en productos terminados para su venta. También involucra procesos de elaboración de productos semiU.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

9

.


manufacturados. Es conocida también por el término de industria secundaria. Algunas, como las manufacturas de semiconductores o de acero, por ejemplo, usan el término de fabricación. El término puede referirse a una variedad enorme de la actividad humana, de la artesanía a la alta tecnología, pero es más comúnmente aplicado a la producción industrial, en la cual las materias primas son transformadas en bienes terminados a gran escala. En una economía capitalista, la fabricación se dirige por lo general a la elaboración en serie de productos para la venta a consumidores, con una ganancia. En una economía colectivista, la fabricación está frecuentemente dirigida por una agencia estatal. En las economías modernas, la fabricación discurre bajo algún grado de regulación gubernamental.

1.2. CLASIFICACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Procesos que cambian la forma del

Metalurgia extractiva

material

Fundición Formado en frío y caliente Metalurgia de polvos Moldeo de plástico

Procesos que provocan

Métodos de maquinado convencional

desprendimiento de viruta por

Métodos de maquinado especial

medio de máquinas Procesos que cambian las

Con desprendimiento de viruta

superficies

Por pulido Por recubrimiento

Procesos para el ensamblado de

Uniones permanentes


10

.


materiales

Uniones temporales

Procesos para cambiar las

Temple de piezas

propiedades físicas

Temple superficial

1.3. ESQUEMAS DE PROCESOS INDUSTRIALES La manera más sencilla de describir un proceso es mediante flujogramas o gráficas de proceso, las mismas que describen las operaciones o etapas fundamentales del proceso, indicando los materiales que se van incorporando, y los resultados de cada operación.Los tipos de gráficas comúnmente utilizados son: a.

b.

Gráfica de proceso general. En esta se da la imagen general de la secuencia de eventos y la introducción de materiales en un proceso, registrando operaciones e inspecciones y utilizando sólo dos de los cinco símbolos disponibles (el círculo y el cuadrado). Gráfica de flujo del proceso o diagrama de flujo. Esta proporcionaconsiderablemente más detalles que la gráfica anterior, y utiliza los seis símbolos. Estos hacen referencia al hombre (o la máquina) y al material.

Símbolos: OPERACIÓN

TRASLADO

INSPECCIÓN

ALMACENAMIENTO

OPERACIÓN COMBINADA


ESPERA

11

.


Operaciones básicas incluidas en los diagramas de flujo En esta sección se enumerarán y se definirán brevemente las operaciones que están incluidas en los diagramas de flujo que considera la tecnología del procesamiento. Obviamente, no serán consideradas todas las operaciones existentes, sino aquellas que tienen un carácter de aplicación general, es decir, que se incluyen en todos los procesos. Ejemplo de Diagrama de Flujo de procesos para la fabricación de productos agroindustriales. La descripción del proceso se indica a continuación: • Recepción: Consiste en recibir del proveedor la materia prima requerida, de

acuerdo a las especificaciones entregadas de antemano por la empresa. El hecho de recibir implica la aceptación de lo entregado, es decir, la aceptación de que la condición del material está de acuerdo con las exigencias de la empresa y su proceso. Esta operación implica el compromiso de un pago por lo recibido y debe tenerse el cuidado de especificar claramente si lo que cumple con los requisitos es el todo o parte del lote que se recibe, en orden de fijar el monto a pagar por el mismo. • Pesado: Implica la cuantificación de varios aspectos, entre los cuales se

cuenta, el volumen comprado, el volumen de la calidad adecuada para el proceso, los datos sobre el volumen para la cuantificación del rendimiento y, por último, lo más importante, el volumen por pagar al proveedor y, el volumen que ha de ingresar al proceso. • Lavado: La limpieza de las materias primas, la eliminación de residuos de

tierra, restos de contaminantes del cultivo, restos de plaguicidas, es una operación que debe realizarse en prácticamente todas las materias primas. Excepto algunas bayas, la mayoría de las frutas y hortalizas deben ser sometidas a un lavado mediante la inmersión en solución acuosa como el cloro. La cantidad de agua debe ser suficiente para remover la suciedad, sin U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

12

.


agregar exceso de agua o producir una lixiviación o lavado de elementos nutritivos o de composición de la materia prima. • Selección y clasificación: Estas operaciones implican una separación. La

selección corresponde a una separación bajo el criterio de "pasa o no pasa", es decir de aceptación o rechazo de un material cualquiera. La clasificación, por su parte, corresponde a un ordenamiento del material en categorías, asumiendo que todo el material por clasificar ha sido previamente seleccionado y aceptado. La selección normalmente se realiza de acuerdo a criterios de tamaño, madurez, daños mecánicos, daños fitopatológicos, u otras características físicas como color, textura, etc. • Pelado: Es la operación que consiste en eliminar la piel de una materia

prima, mediante medios mecánicos o químicos. Normalmente en una operación de pequeña escala, se aconseja no utilizar medios químicos y por lo tanto, se prefiere el uso de un pelado manual con cuchillos. Se debe tener cuidado especial al realizar esta operación por su incidencia en el rendimiento, es decir, qué porcentaje de pulpa se remueve al sacar la piel. • Esterilización comercial: Esta es la operación central en la mayoría de los

procesos, en cuanto a la conservación de los productos. Corresponde al tratamiento térmico el disminuir el número de microorganismos hasta niveles de seguridad. En un proceso de pequeña escala, normalmente la temperatura es cercana a la ebullición del agua, es decir a los 100 °C a nivel del mar. El período de tratamiento dependerá de la naturaleza del producto, pero, en general, para productos ácidos o acidificados se usan tiempos cercanos a 20 minutos a 100 °C. Para productos de acidez más baja, en el orden próximo a un pH 4,5, el tiempo de tratamiento a 100 °C deberá ser de 30-40 minutos. Una operación a pequeña escala difícilmente podrá contar con sistemas de esterilización a presión, especialmente para frascos de vidrio que requieren una contrapresión para mantener las tapas herméticas.


13

.


Estas operaciones son las de mayor aplicación. Cuando en algunos procesos deban aplicarse otras operaciones específicas, serán detalladas o caracterizadas en los propios diagramas de flujo del proceso respectivo.

OPERACIONES Y DESCRIPCIÓN DE LA ELABORACIÓN DE NÉCTAR DE FRUTA - Pesado, consiste en cuantificar la materia prima que entra al proceso para determinar el rendimiento que puede obtenerse de la fruta y demás insumos. - Selección, se selecciona la materia prima apropiada (“sana”) y con el grado de madurez adecuado. - Lavado,se hace para eliminar cualquier partícula extraña que pueda estar adherida a la fruta. Se puede realizar por inmersión, agitación, aspersión o rociado. Una vez lavada la fruta se recomienda una desinfección para eliminar microorganismos, el método más usado es por medio de soluciones cloradas. - Pelado, dependiendo de la materia prima, esta operación puede ejecutarse antes o después de la precocción o blanqueado. Las frutas son pulpeadas con su cáscara,siempre y cuando ésta no tenga ninguna sustancia que al pasar a la pulpa le ocasione cambios en sus características organolépticas. El pelado se puede hacer en forma manual, empleando cuchillos o en forma mecánica. También con sustancias químicas como el hidróxido de sodio, soda, agua caliente o vapor. - Blanqueado o precocción, el objetivo de esta operación es ablandar la fruta para facilitar el pulpeado. Se realiza generalmente en agua en ebullición o con vapor directo por espacio de 3 a 5 minutos. También sirve para inactivar las enzimas (un tipo de proteína) que presentan las frutas y que son responsables del oscurecimiento o pardeamiento en las mismas, así como de cambios en el sabor y pérdidas en el valor nutritivo. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

14

.


- Pulpeado, consiste en obtener la pulpa de las frutas libres de cáscara y pepas. A nivel industrial esta operación se realiza en pulpeadoras. - Refinado, consiste en pasar la pulpa a una segunda etapa de pulpeado, utilizando una malla que elimina toda partícula de la pulpa mejorando el aspecto de la misma y la estabilidad del néctar. - Estandarizado, esta operación involucra lo siguiente: •

dilución de la pulpa con agua,

•

regulación del pH,

•

regulación del contenido de azúcar,

•

adición de estabilizador,

•

adición

de

otros

compuestos:

reforzadores

de

aroma,

sabor,

conservante, etc. •

Agitación/Mezclado.

La regulación del pH se debe llevar a un nivel menor a 4,5; pues una acidez alta favorece la destrucción de los microorganismos; el pH al que se debe de llevar el néctar depende también de la fruta. La regulación del pH se hace mediante la adición de ácido cítrico. - Pasteurizado, esta operación consiste en un tratamiento térmico, en el que se somete al néctar a una temperatura y tiempo determinado. - Envasado y Sellado, se realiza en máquinas automáticas en envases de vidrio, PET, cajas multicapas (ej. TetraPak). - Embalaje y Almacenamiento.

En el siguiente gráfico se muestra el diagrama para la fabricación de néctar de fruta.


15

.


FRUTA PESADO

SELECCIÒN

Agua

LAVADO

PELADO Y/O TROZADO

Frutos de rechazo

Agua de lavado

Cáscaras

ESCALDADO

EXTRACCIÒN DE LA PULPA

Fibras y Semillas

REFINADO DE LA PULPA

Ingredientes

FORMULACIÒN Y MEZCLA

PASTEURIZACIÒN

LLENADO EN CALIENTE

ENFRIAMIENTO

Envases

ETIQUETADO

ALMACENAMIENTO


16

.


II.

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

2.1. GENERALIDADES Simulación de procesos: Experimentación con un Modelo Matemático o un Modelo Físico para reproducir un fenómeno natural en un medio controlado. Un fenómeno natural:Es cualquier cambio físico o químico (uno sólo) que sufre la materia. Proceso: Conjunto de fenómenos; conjunto de cambios físicos y/o químicos, los cuales se realizan en serie o en paralelo para incidir en el cambio final. La materia antes de ser transformada puede denominársele materia prima y después de la transformación, producto. Materia Prima

Proceso

Producto

El desarrollar procesos para que la materia se transforme en producto, el cual poseerá ciertas características para ser muy bien aceptado, será una labor que por lo general lo hace el Ing. Químico. Planeará a qué fenómenos físicos o químicos, en serie o en paralelo, somete a la materia prima para que se transforme a producto. La posibilidad de disponer de información y capacidad de reproducción de fenómenos aislados y de los efectos de sus interacciones le permitirá diseñar procesos en los cuales, cada cambio pueda analizarlo por separado para simplificar su estudio. Toda esta labor se cristalizará en la construcción de la planta química, donde industrialmente se reproduce el proceso y se inicia la producción del producto que será distribuido al consumidor final o intermedio. Análisis de procesos

Desarrollo de procesos


Diseño de procesos

17

.


Diseño de procesos

Diseño de equipo

Diseño de plantas de procesos.

Los Procesos Industriales. En la vida diaria hay una interacción constante con los diversos productos creados por la industria, que por lo general son de naturaleza química, muchos productos que han mejorado la calidad de vida del ser humano, los cuales al empezar a existir se transformaron en productos necesarios para la vida diaria del hombre. De tal manera que así como se puede hablar de insecticidas, fertilizantes, alimentos, complementos de alimentos, vestido, calzado, combustibles, plásticos, metales que son utilizados directamente por el consumidor, también se puede hablar de esos mismos productos cuyo uso es como producto intermedio o como componentes de otros, los cuales han permitido que la tecnología se desarrolle aceleradamente en electrónica y la cibernética, las que a su vez han favorecido el desarrollo de la medicina, seguridad social, transporte, etc., formándose un ciclo de elaboración de productos que promueven la creación de otros, en un proceso interminable de aplicación de la ingeniería. La industria al participar como proveedora importante de productos de bienestar social, será también promotora de los cambios sociales; el ejemplo es el surgimiento de grupos ecológicos que tienden a normar el desarrollo industrial para que no se dé con libertinaje y que se logre el respeto del hombre por el hombre mismo. Muchos procesos de la industria involucran cambios químicos que podrían interpretarse como reacciones químicas, pero muchos procesos involucran cambios físicos, tales como la separación y purificación de los componentes de una mezcla. Cambios exclusivamente mecánicos no son considerados parte de procesos químicos, a menos que éstos sean esenciales para un cambio químico posterior.


18

.


La manufactura del plástico Polietileno, utilizando etileno obtenido del petróleo o del gas natural, es un proceso químico, en cambio el moldeo y fabricación del plástico que finalmente llega al consumidor podría no ser considerado como parte de un proceso químico. Algunas otras industrias, aun cuando dependan de cambios químicos, no son consideradas como parte de la industria de procesos químicos; esto puede ser por tradición, que un proceso sea especial y sea reconocida con cierto nombre o bien debido al gran volumen de producción, tal como la industria de papel o del acero.Muchos procesos químicos complejos en la industria de alimentos, por ejemplo la fabricación de quesos involucra reacciones de fermentación pero no se considera como parte de la industria de procesos químicos. En cambio, la fermentación de azúcar para producir bebidas y alcoholes industriales si es considerada parte de la industria de procesos químicos. La gran industria metalúrgica se separa de la industria de procesos químicos debido a la naturaleza especial de sus procesos y a la gran cantidad de sus productos, pero en realidad los procesos sobre minerales y metales pueden ser considerados como una rama de la industria de procesos químicos.

Industrias de Procesos Químicos Parte de una posible lista de procesos importantes es la siguiente: Industria

Productos típicos Ácido sulfúrico

Químicos inorgánicos

Químicos

Ácido Nítrico

Usos Fertilizantes, Químicos, Refinación del petróleo, Pigmentos y Pinturas, etc. Explosivos, Fertilizantes.

Hidróxido de sodio

Químicos, Rayón y procesamiento de películas, Refinación del petróleo, Procesamiento de pulpa y Papel, lejía, limpiadores, procesamiento de metales.

Anhídrido acético

Rayón, resinas y plásticos


19

.


orgánicos

Etilen glicol Formaldehido

Petróleo y Petroquímicos

Plásticos.

Metanol

Producción de formaldehido, anticongelante, Solvente.

Gasolina

Combustible para motores y automotores.

Kerosene

Combustible para aviones.

Aceites Amoníaco Alcohol etílico Sulfonato de alquil arilo Estireno

Pulpa y Papel

Anticongelantes, Celofán, dinamita, Fibras sintéticas.

Lubricantes, medios de calentamiento. Fertilizantes, químicos. Producción de acetaldehído, solventes. Detergente Hule sintético, plástico.

Papel

Libros, periódicos, registros, etc.

Cartón

Cajas, empaques, etc.

Fibra de madera

Material de construcción.

Óxido de zinc Dióxido de titanio Carbón negro

Pigmentos y pinturas

Cromato de plomo

Pigmentos para pinturas, tinta, plásticos, hules, caucho, cerámica, linóleo.

Aceite de semillas

Aceites secantes.

Resinas Hule natural (isopreno)

Hules, goma,caucho

Hule sintético (GR-S, Neopreno,butilo)

Lacas, barnices, esmaltes. Llantas para vehículos en general. moldeado y laminado (usos diversos), Zapatos, aisladores eléctricos, etc.

Formaldehido fenólico Poliestireno Metacrilato de polietilo

Plásticos Cloruro de polivinilo

Varios usos en diversas áreas, para la elaboración de productos plásticos y otros.

Polietileno


20

.


Poliésteres

Fibras sintéticas

Rayón, Nylon, poliésteres, acrílicos.

Telas, vestidos, recubrimientos.

Minerales

Vidrios, cerámica, cemento

Ventanas, contenedores, ladrillo, concreto, etc.

Agentes limpiadores

Carbón Limpiadores domésticos e industriales. Jabones Detergentes sintéticos (Alkil-aril sulfonato de sodio) Agentes humectantes Productos farmacéuticos y drogas

Aplicación general en medicamentos.

Productos de fermentación

Bioquímicos Penicilina Alcohol etílico Productos alimenticios

Usos medicinales (antibiótico). Solvente y bebidas. Sustento humano.

Acero Cobre

Metales

Aluminio

Materiales de construcción, fabricación de maquinaria, infinidad de usos.

Zirconio Uranio

Combustible nuclear.

Esta Tabla puede ampliarse para incluir todos los productos que inciden en nuestra vida diaria y conforme avanza la tecnología, ya que surgen constantemente más aplicaciones y más derivados de productos que permiten a su vez obtener otros productos.


21

.


2.2. ANÁLISIS SISTEMÁTICO DE PROCESOS INDUSTRIALES Los primeros procesos

involucraban pocos pasos de transformación, los

materiales eran procesados en pequeños lotes, la mejora en los procesos se realizaban lentamente con base en la experiencia ganada por los operadores; conforme la demanda de productos químicos aumentaba y la industria de procesos crecía era necesario desarrollar técnicas para producir grandes cantidades con el menor costo posible. Las mejoras basadas en la experiencia eran insuficientes fundamentalmente en los casos en que era necesario construir plantas para productos nuevos en el mercado. Si los principios son conocidos, es posible diseñar los pasos o etapas de un proceso para lograr que estos se lleven a cabo con un máximo rendimiento y alta eficiencia. Las consideraciones que se tienen que tener en cuenta actualmente en los procesos son el Balance de Materia y Energía, la Termodinámica y Cinética, las Operaciones Unitarias y Reactores Químicos (procesos unitarios), la Instrumentación, Control y las Económicas. Balance de Materia y Energía.Los principios de conservación de Masa y Energía establecen que, ni la primera ni la segunda,pueden ser creadas o destruidas, pero si logran ser modificadas en sus formas. Estos principios constituyen la base para la Formulación de Modelos Matemáticos que representan el proceso que desea reproducirse. Termodinámica y Cinética.Se estudia la transformación de la energía de una forma a otra. Muchas conclusiones importantes pueden ser derivadas desde las dos leyes fundamentales de la termodinámica. El balance de energía (primera ley) y la segunda ley establecen que en un proceso donde se involucra transferencia de calor, parte de la energía puede ser únicamente transferida de una región de temperatura alta hacia una región de temperatura baja. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

22

.


El análisis termodinámico de un proceso conduce a conclusiones concernientes con la factibilidad y eficiencia de los diversos pasos que integran un proceso. La termodinámica también permite determinar la composición de fases en equilibrio y para predecir la distribución de especies químicas en reacción que alcanzan el estado de equilibrio.La cinética predice la rapidez con la cual un compuesto químico reacciona. Datos sobre rapidez de reacción son necesarios para el diseño de reactores químicos industriales.


23

.


III.

OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS UNITARIOS (REACTORES QUÍMICOS)

Los procesos químicos pueden ser descompuestos en una serie de pasos individuales,

cada

uno

de

los

cualesincluye

cambios

físicos

o

solamentecambios químicos. Los cambios químicos son las reacciones químicas y se llevan a cabo diversos tipos de reactores químicos industriales. Tales reactores pueden ser pequeños contenedores con agitadores o cientos de pies de tubo. El cálculo del tamaño de un reactor se hará con la información cinética y termodinámica, así como los requerimientos de flujos y otros factores físicos que influyen en el desplazamiento del fluido y en su mezclado.

3.1. TRANSFERENCIA DE CALOR Para optimizar los procesos, varias reacciones químicasrequieren de altas temperaturas, la operación unitaria Transferencia de Calor (Tratamiento Térmico)ayuda a diseñar el sistema más apropiado. De igual manera, muchas reacciones químicas por ser excesivamente exotérmicas requieren de un enfriamiento para evitar que la reacción derive en otros productos que contaminen o disminuyan la cantidad del producto deseado, o bien, para controlar la calidad misma del producto deseado. Nuevamente,la Transferencia Térmica provee de la metodología de análisis para cuantificar el sistema de enfriamiento requerido. Muchos procesos involucran vaporización o condensación de corrientes de procesos, pero ¿Qué equipo se requiere para este intercambio de energía térmica?


24

.


En el estudio y reconocimiento de la operación unitaria Transferencia de Calor, se ha establecido procedimientos para seleccionar intercambiadores de calor, condensadores, evaporadores, etc. y para cuantificar sus dimensiones físicas requeridas para un proceso específico.

3.2. FLUJO DE FLUIDOS Las exigencias para lograr la alta producción han llevado a transformar los procesos que se realizaban por lotes en procesos continuos, donde permanentemente están siendo alimentados con materia prima y en simultáneo están descargando productos. Fue necesario comprender los principios de procesos que rigen el desplazamiento de un fluido (líquido o gas) en un ducto, así como los equipos requeridos para que el fluido se desplace. Actualmente, el cálculo de bombas, compresores, turbinas, ventiladores, etc. es tan sistemático que la operación flujo de fluidos puede ser comprendida con una gran profundidad incluyendo los principios de fenómenos de transporte que están presentes. Instrumentación y Control.En todo proceso químico es necesario disponer de información instantánea sobre flujos, composiciones, presiones y temperaturas (T°s) en las distintas corrientes del proceso o en ramas que, por su interacción, son cruciales en el desarrollo de este, de tal manera que el operador o el Ingeniero de Producción puedan describir cómo está funcionando el proceso, si en determinado momento el funcionamiento es correcto, o cuando existen problemas de fallas detectar en dónde se encuentran localizadas. Existen instrumentos, que con base en la tecnología actual, dan respuestas instantáneas sobre el comportamiento de estas variables. Actualmente la electrónica y la computación juegan un papel preponderante en la detección y registro de variables de procesos.


25

.


En la actualidad, todo el funcionamiento de plantas puede llevarse a cabo utilizando computadores que registran valores de variables y en caso sea necesario corrigen el valor, permitiendo que la operación de la planta sea automática y con poca interacción humana. Económicos.No importa que tan eficientemente se lleve a cabo un proceso para producir un producto final con alta pureza, el proceso fallará si no se puede vender el producto con cierta utilidad económica. Antes de que una planta química sea construida deben realizarse estudios de mercado para obtener información acerca de la demanda del producto y a qué precio podría ser vendido. La presencia de competidores actuales o potenciales debe ser evaluada, ya que implicaun riesgo que una vez construida o funcionando la planta la competencia disminuya el volumen de ventas y en consecuencia el producto deje de ser atractivo económicamente.

BALANCE DE MATERIA: Un carbón cuyo análisis elemental en base seca arroja un 84% de C, un 5% de H y un 2% de S (entre otros elementos) se quema con un 20% de exceso de aire. El carbón tiene un 12% de humedad. -

¿Qué cantidad de SO2 se emitiría, como máximo, a la atmósfera si se queman 10 t/h del mismo?

-

¿Cuál sería la concentración máxima de SO2 en los gases de salida expresada en mg SO2/m3 de gases en condiciones normales?

Respuestas: 352 kg SO2/h y 3.607 mg SO2/m3(c.n) BALANCE DE ENERGÍA: Una autoclave contiene 1000 latas de sopa de guisantes Se calienta a 100ºC. Si las latas se enfrían a 40 ºC antes de salir de la autoclave, ¿qué cantidad de agua de refrigeración es necesario si ésta entra a 15 y sale a 35 ºC? U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

26

.


Los calores específicos (Ce) de la sopa de guisantes y la lata de metal son,respectivamente, 4,1 KJ/KgºC y 0,50 KJ/KgºC. El peso de cada lata es 60 g. y contiene 0,45 kg de sopa de guisantes. Suponerque el contenido de calor de las paredes del autoclave por encima de 40 ºC es de 1,6 x 104KJ y que no hay pérdida de calor a través de las paredes. Sea W = el peso de agua de refrigeración necesaria, y la temperatura (T°) de referencia de 40 ºC, la T° de las latas de salir de la autoclave. Calor que entra en las latas = peso de las latas x Ce x diferencia de Ts° = 1000 x 0.06 x 0.50 x (100-40) KJ = 1.8 x 10 = 1,8 x 10 3KJ Balance de Energía: Calor en el contenido de la sopa de guisantes = pesox Ce x Dif.T°s = 1000 x 0.45 x 4.1 x (100 - 40) = 1.1 x 105 Kj Calor en el agua = peso de agua x calor específico x Dif. de T° = W x 4.186 x (15-40)= -104.6 w kJ. Calor que sale:

W = -104,6 kj.

Calor en las latas = 1000 x 0,06 x 0,50 x (40-40) (latas salientes a la T° dada) = 0 Calor en el contenido = 1000 x 0,45 x 4,1 x (40-40) = 0 Calor en el agua = W x 4,186 x (35-40) = -20,9 w

Energía térmica BALANCE del proceso de enfriamiento, 40ºC Calor que entra (kJ) Calor que sale (kJ) Calor en las latas 1800 Calor en las latas 0 Calor en el contenido 110000 Calor en el contenido 0 Calor en pared autoclave 16000 Calor en pared autoclave 0 Calor en el agua -104.6 W Calor en el agua -20.9 W Sumando cada columna se tiene: 127.800 – 104.6 W

-20.9 W

Total de entrada de calor = calor total que sale 127800 – 104.6 W = -20.9 W W = 1527 kg Cantidad de agua de refrigeración necesaria = 1527 kg. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

27

.


Problemas propuestos: 1. Una autoclave contiene 500 latas de conservas de frutas. Se calientan a una T° global de 100ºC. Si las latas se enfrían a 38 ºC antes de salir de la autoclave, qué cantidad de agua de refrigeración es necesario si esta entra a 12 ºC y sale a 34ºC? El Ce de la fruta y la lata de metal es, respectivamente, 4,2 KJ/KgºC y 0,50 KJ/Kg ºC. El peso de cada lata es 70 g. y contiene 0,45 kg de fruta. Suponer que el contenido de calor de las paredes del autoclave está por encima de 40 ºC es 1,6 x 104KJ y que no hay pérdida de calor a través de las mismas. Sea w = el peso de agua de refrigeración necesaria, y la T° de referencia de 40 ºC, la T° de las latas de salir de la autoclave.= ? 2. Marcar las respuestas, de acuerdo al siguiente gráfico: P a

d

b c V

. En la expansión adiabática b c, el W es: a) > 0 b) <0 c) = 0 d) No se sabe, depende e) N.A. Comprensión Isotérmica c d, el W es: a) >0 b) <0 c) = 0 d) No se sabe, depende

e) N.A.

3. Hacer una ecuación para calcular el W en la pregunta 2.1 (expansión adiabática). 4. Hacer una ecuación para calcular el Calor en el caso de la pregunta 2.2 (Comprensión Isotérmica). 5. Si se bebe café en una taza de aluminio, donde la taza es de 0,12 Kg y se encuentra a 20 ºC, cuando se vierte en ella 0,30 kg de café que inicialmente estaba a 70 ºC. A qué temperatura alcanza la taza y el café el equilibrio térmico?.Considerar el Ce del café igual al del agua (4190 J/Kg ºK) y el Ce del aluminio de 910 J/Kg ºK. 6. Un motor se mezcla de aire y gasolina y se comprime en los cilindros antes de encenderse, si dicho motor tiene una relación de compresión de 9 U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

28

.


a 1, lo cual implica que el gas en los cilindros se comprime a 1/9 de su volumen original, la presión inicial es de 1 atm y la temperatura inicial de 27 ºC, la presión de la compresión es de 21,7 atm, ¿Cuál es la temperatura del gas comprimido? 7. Calcular la cantidad de calor necesario para pasar 2,5 Kg de hielo a – 20 ºC a vapor a 110 ºC considerando que el calor específico del hielo es de 0, 5, del agua líquida 1 y del vapor de agua es de 0,482. 8. Hacer un diagrama de flujo de procesos para la fabricación de embutidos. 9. Hacer un diagrama de flujo de procesos para la fabricación de conservas de fruta. 10. En el siguiente gráfico encontrar el rendimiento de M.P. aP.T. 12 000kg Recepción e Inspección

Lavado y descascarado 800 kg Cortado

30 kg

Mezclado

Inspección

Colado y Envasado

3 000 kg

Transporte al Almacén Almacenado


29

.


11. En el proceso siguiente calcular la T° final. REACTOR

T1 = 20 ºC

T2 = X

P1 = 8 Atm

P2 = 12 Atm

V1 = 10 L

V2 = 7 L

12. En un proceso Isocórico calcular la presión final si: P1=12 Atm

T1 = 23 ºC

T2 = 40 ºC

13. Calcular el volumen que ocupa el 300 g de CO2 a 28 Atm y 38 ºC. 14. Al colocar una sustancia en un recipiente de aluminio, el cual pesa 120 Kg y se encuentra a 20 ºC. Cuando se vierte en él 30 Kg de la sustancia que inicialmente estaba a 70 ºC ¿ En qué temperatura final alcanza el recipiente y la sustancia (líquida) el equilibrio térmico?- Considere el calor específico de la sustancia igual al del agua, es decir 4190 J / Kg ºK Factores de conversión de calor, energía ytrabajo. ft lbf

kWh

hp hr

Btu

caloria

Joule

0.7376

2.773 e-7

3.725 e-7

9.484 e-4

0.2390

1

7.233

2.724 e-6

3.653 e-6

9.296 e-3

2.3438

9.80665

1

3.766 e-7

5.0505 e-7

1.285 e-3

0.3241

1.356

2.655 e6

1

1.341

3.4128 e3

8.6057 e5

3.6 e6

1.98 e6

0.7455

1

2.545 e3

6.4162 e5

2.6845 e6

74.73

2.815 e-5

3.774 e-5

9.604 e-2

24.218

1.0133 e2

3.086 e3

1.162 e-3

1.558 e-3

3.9657

1000

4.184 e3

7.7816 e2

2.930 e-4

3.930 e-4

1

2.52 e2

1.055 e3

3.086

1.162 e-6

1.558 e-6

3.97 e-3

1

4.184


30

.


IV. CLASIFICACIÓN DE LAS INDUSTRIAS

DE ACUERDO A LA CADENA DE PRODUCCIÓN Industrias primarias. Son aquellas que utilizan como materia prima los productos de la naturaleza, los cuales son procesados obteniendo el o los productos finales, como por ejemplo en la industria primaria puede ser el desmotado del algodón, el cual es seguido por el hilado del mismo, por su tejido, teñido y tratamiento de acabados y finalmente la confección de piezas de ropa; la industria del desmotado es primaria, las demás excepto la de confección son secundarias. Industrias terciarias. Son las que producen los productos que van a ser empleados por el hombre, han utilizado como materia prima los productos finales de las industrias secundarias, por ejemplo la confección de ropa, es una industria terciaria, ya que utiliza la tela, la cual es un producto final de una industria secundaria.

POR SU RÉGIMEN DE TRABAJO Pueden ser clasificadas como discontinuas o continuas. Las primeras realizan sus operaciones en un mismo lugar y son variables las condiciones de temperatura, presión entre otras, mientras que las industrias con operaciones continuas fluyen continuamente y en cada lugar las operaciones son aproximadamente constantes. Las carpinterías son un ejemplo de producción discontinua, otro ejemplo es la fabricación de barnices, ya que en cada recipiente las condiciones

son

diferentes, van cambiando su temperatura y su composición. Ejemplos de producción continua son la fabricación de harina de pescado, donde se cocina el pescado, luego se prensa y se coloca en un secador a


31

.


fuego directo o indirecto, el cual evapora el agua quitando la humedad

al

producto. En cada una de estas etapas, las condiciones son aproximadamente similares, las temperaturas y composición son parecidas, por lo cual es un proceso continuo. Otro ejemplo de producción continua es la fabricación de conservas de fruta o conservas de pescado. Otro aspecto que se debe indicar es que en la producción discontinua es posible interrumpir la producción de acuerdo a las necesidades; sin embargo, en la producción continua no es conveniente una interrupción, ya que requiere un nuevo arranque de las maquinarias y volver a poner todo el equipo a las condiciones especificadas, lo cual es muy trabajoso.

POR LA INTENSIDAD DE INVERSIÓN Hay industrias que requieren una baja inversión, a lo que se denomina pequeña industria, otras requieren una mayor inversión por cada puesto de trabajo, aproximadamente 20 000 a 100 000 dólares, siendo una inversión total en caso de tener 20 puestos de trabajo de $ 400 000 a $ 2`000, 000, aéstas se les denomina de mediana inversión. Finalmente aquellas que necesitan una mayor inversión que las anteriores, se les llama Gran industria, las cuales también se caracterizan por tener una gran cantidad de puestos de trabajo tanto directo como indirecto, por ejemplo las industrias de

producción de

acero, de la cual depende una gran cantidad de industrias como la construcción mecánica, la elaboración de perfiles de acero, la producción de alambres y resortes, las láminas de acero, las planchas de hierro galvanizado, la hojalata, etc.

POR LAS PRINCIPALES TRANSFORMACIONES QUE REALIZA Se dividen en Industrias de transformaciones físicas y químicas.Las primeras realizan cambios físicos ensusmateriasprimas, por ejemplo la construcción de estructuras metálicas diversas, la industria de confección de ropa, etc., es decir


32

.


realizan cortes, soldaduras, perforaciones, entre otros; por lo tanto no cambian la estructura o el nivel molecular. Aquellas industrias que cambian la estructura química de las materias primas son de transformación química, por ejemplo la fabricación de materiales plásticos, la fabricación de glucosa, almidón, la industria panificadora, sulfatos, etc.

POR LA MATERIA PRIMA QUE EMPLEA Industrias del reino vegetal Industrias alimenticias: alimentos envasados. Agroindustrias: espárragos, conservas de fruta,

conservación de productos

vegetales, refrigerados o congelados, industrias textiles, algodón y sus derivados. Industrias del reino animal Industria cárnica (embutidos y cortes de carne), industria pesquera, industria del cuero, industria láctea, Industrias textiles – lanas, etc. Industrias del reino mineral Industrias del carbón,

productosquímicos, industria metalúrgica extractiva,

industria del petróleo–refinación–petroquímica, etc.


33

.


V.

INDUSTRIA PLÁSTICA

Los plásticos se encuentran entre los materiales industriales de mayor crecimiento en la industria moderna. La amplia variedad y sus propiedades los hacen los más adaptables de todos los materiales en términos de aplicación. La molécula básica del plástico (polímero) se basa en el carbono. Las materias primas para la producción de plásticos son los gases de petróleo y del carbón. La resina básica se produce por la reacción química de monómeros para formar moléculas de cadena larga llamada polímeros. A este proceso se le denomina Polimerización, el cual se efectúa por dos métodos: Polimerización por adición, en la cual dos o más monómeros similares tienen reacción directa para formar moléculas de cadena larga y Polimerización por condensación, en donde reaccionan dos o más monómeros diferentes para formar moléculas largas y agua como subproducto. El monómero de un plástico es una molécula única de un hidrocarburo, por ejemplo, una molécula del etileno, (C2H4).Los polímeros son moléculas de cadenas largas, formada por muchos monómeros unidos entre sí. El polímero comercial más conocido es el Polietileno –(C2H4)n, siendo n de 100 a 1000 aproximadamente. Muchos plásticos importantes, entre ellos el polietileno, son sólo compuestos de carbono e hidrógeno, otros contienen oxígeno como los acrílicos, nitrógeno como las amidas (nylon), silicio como las siliconas, etc. Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes. Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en


34

.


nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas.

5.1. PROPIEDADES DE LOS PLÁSTICOS Es importante entender las propiedades características de los plásticos, entre los cuales se encuentran el alto peso molecular, la baja densidad, alta resistencia a la corrosión y baja conductividad térmica y eléctrica, todo al contrario de los materiales metálicos, es por ello que su aplicación en la industria moderna es cada día más creciente. Las características antes mencionadas hacen posible su amplia aplicación y uso de tipo industrial, tal es así que en la actualidad existen plásticos con elevada resistencia al calor y a la tracción, con valores próximos a los aceros.

Los plásticos, bajo carga, tienen un comportamiento diferente al de cualquier otro material industrial, la razón es que en forma especial los termoplásticos tienen un comportamiento viscoelástico, es decir tienen una reacción viscosa y elástica, al contrario de los metales que tiene una reacción ante las cargas de una falla por deformación. Esta deformación viscoelástica se debe, en forma principal, a la estructura molecular de cadena larga. Cuando las cadenas largas están bajo cargas, se mueven una a lo largo de la otra y la cantidad de movimiento se debe al tipo de enlace. Los plásticos con enlaces débiles se deforman con más facilidad que los que tienen enlaces fuertes.


35

.


5.2. PROCESAMIENTO DE LOS PLÁSTICOS En la industria de los plásticos, participan los manufactureros de las resinas básicas, a partir de productos químicos básicos provenientes del petróleo y de sus gases y que suelen producir la materia prima en forma de polvo, gránulos, escamas, líquidos o en forma estándar como láminas, películas, barras, tubos y formas estructurales y laminados, participan también los procesadores de plásticos que conforman y moldean las resinas básicas en productos terminados. En la conformación y moldeo de las resinas se utilizan también diversos componentes químicos o no, que le proporcionan al producto terminado ciertas características especiales, dentro de ellos se tienen: Las cargas, que sirven de relleno, dar resistencia, dar rigidez al moldeado o bajar los costos de producción, dentro de ellos tenemos el aserrín, tejidos de algodón, limaduras de hierro, fibra de vidrio, etc. Colorantes, para proporcionar color al producto terminado, son de origen mineral como los óxidos, se proporcionan en forma de polvos y en forma de resinas de óleo. Aditivos como los endurecedores para las resinas líquidas, espumantes y desmoldantes para el moldeado. Una de las más amplias ramas de la industria de los plásticos comprende las compañías que producen a partir de películas y láminas artículos como cortinas, impermeables, artículos inflables, tapicería, equipajes, en general artículos de: tocador, cocina, etc. Para la producción de todos estos artículos se hace necesario también la participación de un diseñador y un estampador para el acabado final. Los métodos de moldeo y conformados más comunes son el moldeado por prensa, por inyección prensada, por inyección, moldeado por soplado de cuerpos huecos, termoformado, calandrado, refuerzo, recubrimientos, como pintura dura, maquinado, unión y colado en moldes.


36

.


5.2.1.

PROCESOS DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

Moldeo.El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde donde se solidifica; la pieza moldeada, denominada moldeo, se retira de la cavidad. El ciclo de producción normalmente dura de 10 a 30”. Cada ciclo puede producir molduras múltiples dependiendo de la cantidad de cavidades del molde.El tamaño de la pieza varía de 50 g hasta 25 kg.El moldeo por inyección es el que más se usa en termoplásticos, algunos termofijos y elastómeros se moldean por inyección. Proceso y equipo de moldeo.El equipo consta de dos componentes principales: Unidad de inyección de plástico.Es muy parecida a un extrusor, consta de un barril que se alimenta de una tolva que contiene pellets de plástico, dentro del barril hay un tornillo que además de girar para mezclar al polímero, también actúa como martinete que se mueve con rapidez hacia delante para inyectar plástico fundido al molde, una válvula impide que el fundido fluya, posteriormente el martinete vuelve a su posición original. Unidad de sujeción.Mantiene alineadas las dos unidades del molde, abre y cierra el molde y lo mantiene cerrado durante la inyección. Molde. Es la herramienta especial en el moldeo por inyección, está diseñado sobre medida y se fabrica para la pieza que se ha de producir.Tipos de molde para inyección: − Molde de dos placas: Tiene una o varias cavidades. − Molde de tres placas: permite una distribución más pareja de fundido en los lados de la taza. Máquinas de moldeo por inyección: − Máquina de tornillo reciprocante. − Máquina preplastificadora de tornillo o máquina de dos etapas. − De Sujeción de palanca La siguiente figura muestra el diagrama de una máquina de moldeo inyección, del tipo tornillo recíproco.

por


37

.


5.2.2. MOLDEO POR INYECCIÓN.Un émbolo o pistón de inyección se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás para empujar el plástico ablandado por el calor a través del espacio existente entre las paredes del cilindro y una pieza recalentada y situada en el centro de aquél. Esta pieza central se emplea, dada la pequeña conductividad térmica de los plásticos, de forma que la superficie de calefacción del cilindro es grande y el espesor de la capa plástica calentada es pequeña. Bajo la acción combinada del calor y la presión U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

38

.


ejercida por el pistón de inyección, el polímero es lo bastante fluido como para llegar al molde frío donde toma forma la pieza en cuestión. El polímero estará lo suficiente fluido como para llenar el molde frío. Pasado un tiempo breve dentro del molde cerrado, el plástico solidifica, el molde se abre y la pieza es removida. El ritmo de producción es muy rápido, de escasos segundos.

5.2.3. MOLDEO POR EXTRUSIÓN.En éste se utiliza un transportador de tornillo helicoidal. El polímero es transportado desde la tolva, a través de la cámara de calentamiento, hasta la boca de descarga, en una corriente continua. A partir de gránulos sólidos, el polímero emerge de la matriz de extrusión en un estado blando. Como la abertura de la boca de la matriz tiene la forma del producto que se desea obtener, el proceso es continuo. Posteriormente se corta en la medida adecuada.


39

.


Extrusión de film tubular. En este proceso se funde polietileno de baja densidad. El fundido es extruido a través de una matriz anular. Se introduce aire inflando el tubo del polímero extruido para formar una burbuja del diámetro requerido, la que es enfriada por una corriente de aire. El film es arrastrado por un par de rodillos que aplastan la burbuja manteniendo así el aire empleado para inflar la burbuja dentro de ella.

5.2.4. MOLDEO POR INSUFLACIÓN DE AIRE. Es un proceso usado para hacer formas huecas (botellas y recipientes). Un cilindro plástico de paredes delgadas es extruido y luego cortado en el largo que se desea. Luego el cilindro se coloca en un molde que se cierra sobre el polímero ablandado y le suprime su parte inferior cortándola. Una corriente de aire o vapor es insuflado por el otro extremo y expande el material hasta llenar la cavidad. El molde es enfriado para el fraguado.

5.2.5. MOLDEO POR VACÍO. Mediante este proceso se comprime una chapa de resina termoplástica ablandada por el calor contra un molde frío. La chapa toma y conserva la forma del molde. Este método se emplea para revestimientos interiores (puertas de heladeras, gabinetes, etc.).

5.2.6. CALANDRADO. El proceso se emplea para la fabricación de chapas y películas plásticas. Consiste en pasar un polímero convertido en una masa blanda entre una serie de rodillos calentados. A medida que el polímero pasa a través de los rodillos se forma un producto uniforme. El último par de rodillos se ajustan para dar el espesor deseado. El sistema de rodillos de enfriamiento da a las chapas o películas su estructura molecular permanente.


40

.


5.3. ARTÍCULOS TERMORRÍGIDOS 5.3.1.

MOLDEO POR COMPRESIÓN.Se emplean polímeros termorrígidos.

Una vez comenzado el calentamiento, un plástico termorrígido continúa endureciéndose. En el moldeado por compresión, el material se coloca en el molde abierto. Un taco calentado aplica suficiente calor y presión para ablandar el polímero termorrígido y llenar la cavidad del molde. La temperatura del taco y de la cavidad del molde puede ser de hasta 149 ºC y la presión de las cadenas del polímero se entrecruzan rápidamente y el plástico se endurece tomando su forma permanente, pudiendo ser retirado del molde.

5.3.2.

MODELADO DE LAMINADOS. El modelado para chapas se utiliza

para los laminados empleándose telas u otros materiales impregnados. El material se baña en resina, se calienta y se hace entrar a presión en el molde. Mantenidos en posición bajo la acción del calor y la presión, los materiales se funden formando una densa y sólida masa en forma de lámina.

5.3.3.

PROCESO DE FUNDICIÓN. En este proceso no se requiere calor ni

presión.El plástico fluido se vierte en un molde, o el polímero sólido que puede ser licuado mediante solventes o catalizadores.En la fundición, el polímero se coloca en un molde y se solidifica por una reacción química llamada Vulcanización. Si el plástico se solidifica por el añadido de ciertos catalizadores, se dice que está vulcanizado.El equipo y los moldes necesarios para el proceso son de bajo costo. Proceso de Lecho fluidificado. Luego tenemos un interesante proceso, particularmente útil para cubrir una gran variedad de artículos con una capa o envoltura de plástico de grosor bastante uniforme. La pieza metálica a cubrir se U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

41

.


calienta en un horno a temperatura superior al punto de fusión del polímero que se va a aplicar. Una vez calentada, se sumerge de inmediato en un recipiente lleno de partículas de polímero en polvo que se tornan "fluidas" mediante el aire introducido por un soplete o fuelle desde la parte inferior del recipiente. Como la temperatura del metal es superior al punto de fusión del plástico, enseguida empieza a formarse una capa sobre el metal caliente. El grosor está determinado por el tiempo durante el cual la parte metálica queda sumergida en la masa esponjosa de polvo. Cuando se ha obtenido el espesor que se desea, la pieza se retira y luego se pasa por un horno para la fusión final del polímero. El secreto de obtener una buena capa fluidificada es el chorro de aire a baja presión dirigido hacia arriba a través del polímero pulverizado para conservar al material en estado esponjoso. Con la debida presión de aire, la masa se comporta como un líquido, facilitando la inmersión del metal calentado en el lecho fluidificado y obteniendo así una capa uniforme. Muchos tipos de objetos metálicos reciben capas de plástico uniformes y completas sumergiéndolas a temperaturas superiores al punto de fusión del plástico. Artículos como canastos de alambre para lavaplatos, carritos para hacer compras, complejas chapas metálicas estampadas, quedan totalmente cubiertas y embellecidas por el proceso de lecho fluidificado. La capa obtenida queda libre de gotas o imperfecciones similares y rincones no cubiertos, como sucede comúnmente cuando se pintan. Al enfriarse, las partes inyectadas se contraen, siendo su volumen menor que el de la cavidad. Los parámetros más importantes para un proceso de inyección son los siguientes.


42

.


5.3.4. CICLO DE MOLDEO. En el ciclo de moldeo se distinguen 6 pasos principales: - Molde cerrado y vacío. La unidad de inyección carga material y se llena de polímero fundido. - Se inyecta el polímero abriéndose la válvula y, con el husillo que actúa como un pistón, se hace pasar el material a través de la boquilla hacia las cavidades del molde. - La presión se mantiene constante para lograr que la pieza tenga las dimensiones adecuadas, pues al enfriarse tiende a contraerse. - La presión se elimina. La válvula se cierra y el husillo gira para cargar material; al girar también retrocede. - La pieza en el molde termina de enfriarse (este tiempo es el más caro pues es largo e interrumpe el proceso continuo), la prensa libera la presión y el molde se abre; las barras expulsan la parte moldeada fuera de la cavidad. - La unidad de cierre vuelve a cerrar el molde y el ciclo puede reiniciarse

5.3.5. MOLDEADO

POR

PRENSA.Es

el

método

más

usado

para

producciones unitarias y pequeñas series. Este procedimiento es indicado para moldear resinas denominadas duraplásticas, que se obtienen en forma de polvo o granulado, para lo cual el molde previamente elaborado según la pieza a conformar, por lo general en macho y hembra, se calienta, se le aplica el desmoldante y se deposita en ella la cantidad precisa de resina. Luego de cerrar el molde la resina se distribuye en su interior, se aplica calor y presión a valores de 140-170 ºC y 100 Bar o más. El calor y la presión conforman el plástico en toda su extensión. Con la finalidad de endurecer la resina a moldear (polimerizar o curar), se procede a enfriar el molde y se extrae la pieza. La polimerización o curado es un cambio químico permanente, dentro de la forma del molde. Para obtener el calor necesario se recurre a diversos procedimientos como resistencias eléctricas, luz infrarroja o microondas, la U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

43

.


presión que se aplica se obtiene por medio de prensas mecánicas o hidráulicas. El tiempo que se suministra el calor y la presión al molde cerrado, está en función del diseño de la pieza y de la composición de la resina. El procedimiento se aplica para producir piezas simples y de revolución como tazas, platos, cajas de radio, llaves de luz, tubos etc.

5.3.6.

MOLDEADO POR PRENSADO EN INYECCIÓN.Al igual al método

anterior, también se le utiliza para el moldeo de resinas duroplásticas y en algunos casos las termoplásticas. La diferencia entre el moldeado por prensa y el de transferencia es que el calor y la presión necesaria para la polimerización (para fundir) de la resina se realiza en una cámara de caldeo y compresión, en ella previamente calentada se aplica el desmoldante y una determinada cantidad de resina en forma de polvo o en forma granulada. Cuando la resina se hace plástica, se transfiere al molde propiamente dicho mediante un émbolo en la cámara de caldeo. Por medio de bebederos o canales de transferencia, después de curado el plástico se abre el molde y se extrae la pieza. El moldeado por transferencia fue desarrollado para facilitar el moldeo de productos complicados con pequeños agujeros profundos o numerosos insertos metálicos. En el moldeado por prensado, la masa seca varía la posición de los insertos y pasadores metálicos que forman los agujeros, en el moldeado por transferencia por el contrario, la masa plástica licuada fluye alrededor de estas partes metálicas, sin cambiarle la posición.


44

.


5.4. INYECCIÓN Es el principal método de la industria moderna en la producción de piezas plásticas, la producción es en serie, principalmente se moldean termoplásticos y para el moldeo de los duroplásticos se tienen que realizar modificaciones. El material plástico en forma de polvo o en forma granulada, se deposita para varias operaciones en una tolva, que alimenta una cilindro de caldeo, mediante la rotación de un husillo o tornillo sin fin, se transporta el plástico desde la salida de la tolva, hasta la tobera de inyección, por efecto de la fricción y del calor la resina se va fundiendo hasta llegar al estado líquido, el husillo también tiene aparte del movimiento de rotación un movimiento axial para darle a la masa líquida la presión necesaria para llenar el molde, actuando de ésta manera como un émbolo. Una vez que el molde se ha llenado, el tornillo sin fin sigue presionando la masa líquida dentro del molde y éste es refrigerado por medio de aire o por agua a presión hasta que la pieza se solidifica. Las máquinas para este trabajo se denominan inyectoras de husillo impulsor o de tornillo sin fin, también se le denomina extrusora en forma genérica.


45

.


En el gráfico superior se tiene un corte transversal de un inyector de plásticos, en este se observa: 1.- Tolva. 2.- Motor Hidráulico. 3.-Husillo sin fin. 4.- Sistema de calefacción del husillo. 5.- Molde Una de las fórmulas más empleadas en el moldeo para calcular la dimensión del molde: Dm = Dp + DpS + Dp S2 Donde: Dm = Dimensión del molde Dp = Dimensión de la pieza a modear S = Valor de contracción Valores de Contracción (S) para moldes de termoplásticos

Plástico Valor S ABS 0,006 Nylon 6,6 0,020 Policarbonato 0,007 Poliestireno 0,004 PVC 0,005


46

.


VI. PROCESOS CON ARRANQUE DE MATERIAL

6.1.

MECANIZADO

Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales. 6.1.1.

MECANIZADO CON MÁQUINA HERRAMIENTA.El mecanizado se

hace mediante una máquina herramienta, manual, semiautomática o automática, pero el esfuerzo de mecanizado es realizado por un equipo mecánico, con los motores y mecanismos necesarios. Las máquinas herramientas de mecanizado clásicas son: Taladro.La pieza es fijada sobre la mesa del taladro, la herramienta, llamada broca, realiza el movimiento de corte giratorio y de avance lineal, realizando el


47

.


mecanizado de un agujero o taladro teóricamente del mismo diámetro que la broca y de la profundidad deseada. Limadora.Realiza el mecanizado con una cuchilla montada sobre el porta herramientas del carnero, que realiza un movimiento lineal de corte, sobre una pieza fijada la mesa, que tiene el movimiento de avance perpendicular al movimiento de corte. Mortajadora.Arranca material linealmente del interior de un agujero. El movimiento de corte lo efectúa la herramienta y el de avance la mesa donde se monta la pieza a mecanizar. Cepilladora.De mayor tamaño que la limadora, tiene una mesa deslizante sobre la que se fija la pieza y que realiza el movimiento de corte deslizándose longitudinalmente, la cuchilla montada sobre un puente sobre la mesa se desplaza transversalmente en el movimiento de avance. Brochadora.El movimiento de corte lo realiza una herramientabrocha de múltiples filos progresivos que van arrancando material de la pieza con un movimiento lineal. Torno.Es la máquina herramienta de mecanizado más usada y difundida, la pieza se fija en el plato del torno, que realiza el movimiento de corte girando sobre su eje, la cuchilla realiza el movimiento de avance eliminando el material en los sitios precisos. Fresadora.El movimiento de corte lo tiene la herramienta que se denomina fresa, girando sobre su eje, el movimiento de avance lo tiene la pieza, fijada sobre la mesa de la fresadora que realiza este desplazamiento. Los procesos de manufactura varían de acuerdo a las exigencias del diseño y la funcionalidad de las piezas: procesos con arranque de material, procesos sin


48

.


arranque de material, tratamientos térmicos, recubrimientos o revestimientos y procesos de fabricación, o acabado superficial, especiales. - Procesos con arranque de material, se caracterizan porque utilizan una herramienta afilada para quitar material de una pieza base, en esta categoría se tienen: Fresado: Arranque de viruta mediante la acción de una herramienta con dientes de filos cortantes, denominada fresa, que gira alrededor de su eje, pudiendo actual tangencial o frontalmente respecto a la superficie mecanizada.

Esquema de Fresadora. Taladrado: Consiste en la perforación de una pieza, parcial (taladro ciego) o totalmente (taladro pasante), mediante una herramienta llamada broca. La broca gira alrededor de su eje de revolución a la vez que se desplaza en la dirección del mismo. Aserrado: Consta de una herramienta de acero denominada sierra, dotada de un movimiento alternativo longitudinal, con la cual se consigue cortar chapas y planchas. También se puede realizar este tipo de cortes con un soplete oxiacetilénico. Torneado: Proceso de fabricación por medio del torno, fabricación de piezas de revolución. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

49

.


Esquema del torneado

6.2.

PROCESOS SIN ARRANQUE DE MATERIAL

Este tipo de procesos tienen la particularidad de que moldean o forjan el material sin arrancar parte del mismo. Entre estos procedimientos de fabricación se puede destacar: - Fundición.Consiste en rellenar un molde o modelo negativo de la pieza a fabricar con metal fundido. Una vez enfriado el metal se procede al desmoldeo para obtener la pieza deseada. Según el tipo de molde utilizado diferenciamos el moldeo en arena, moldeo en molde metálico o coquilla (fundición mediante inyección de metal fundido a presiones de 25-50 atm.), y moldeo a la cera o resina perdida. - Forja.Es

la conformación de la pieza mediante golpes o prensado,

calentándola previamente para facilitar la operación. Dentro de la forja se puede diferenciar: Forja manual o libre. Conformación de la pieza a través de mazo yyunque. Forja en estampa. Para ello se utiliza una prensa que consta de estampa y contraestampa. La estampa o matriz, que actúa como yunque, contiene el vaciado correspondiente a la forma de la pieza, mientras la contraestampa o martillete, que actúa como mazo, golpea la estampa, prensando el material


50

.


previamente calentado para mejorar su fluidez, de forma que .este rellena el vaciado de la matriz. - Laminado.Se emplea en la obtención de perfiles laminados de gran longitud en relación a su sección transversal. Por ejemplo, es muy utilizado en la fabricación de perfiles resistentes de construcciones agroindustriales metálicas (perfiles IPN, UPN, etc.). La laminadora es una máquina que consta de dos árboles horizontales y paralelos en los que se acoplan sendos cilindros simétricos que dejan una zona libre con la forma requerida por el perfil. Generalmente el proceso precisa de varias pasadas por diferentes trenes de laminado, de forma que se logre una transición gradual de la pieza en basto al perfil de diseño.

Esquema de maquina laminadora. - Extrusionado.Operación consistente en obligar a pasar por un orificio de forma predeterminada a un material o metal en estado fluido. - Tratamientos térmicos. Son operaciones de acabado superficial cuyo objetivo primordial es generalmente aumentar la dureza del material y resistencia al desgaste, facilitar su mecanizado y/o conferirle algunas propiedades específicas. Dentro de los tratamientos térmicosse tienen: Templado.Fuerte calentamiento de una pieza de acero, seguido de un enfriamiento. La temperatura alcanzada y la rapidez del enfriamiento dependen de la calidad del acero y de la dureza perseguida.


51

.


Revenido.Tratamiento térmico posterior al templado que intenta limitar la presencia de grietas debidas al enfriamiento rápido. Suele dar una mayor tenacidad al acero. Las operaciones de templado y revenido son práctica habitual en la fabricación de herramientas de acero. Recocido.Consiste en elevar la temperatura del hierro o del acero para continuar con un enfriamiento lento. Facilita el posterior mecanizado de la pieza. Cementado.Operación compleja basada en un tratamiento térmico del hierro o del acero para añadirle alguna sustancia que mejore básicamente su dureza. Un ejemplo podría ser la aplicación de un cemento carburante. Recubrimientos o revestimientos. Se emplean para proteger al material de la pieza de agentes externos agresivos, mejorando su resistencia al desgaste y corrosión. También pueden tener como objetivo la capacitación de la pieza para ciertas funciones específicas, por ejemplo la de aislamiento eléctrico. Debido a la gama de recubrimientos que existe solo serán mencionados algunos de ellos como ejemplo. Según el material con el que se recubra la superficie podemos hablar de niquelado (Ni), cromado (Cr), estañado (Sn), etc. En estos casos la operación de revestimiento consiste en un galvanizado mediante baño electrolítico. El esmaltado, cuyo objetivo fundamental es la protección y mejora de la estética de una pieza, se consigue mediante la aplicación de una capa de esmalte y su posterior vitrificación en horno. - Procesos de fabricación especiales: Rectificado.Operación cuyo objetivo es conseguir un excelente acabado superficial. Aunque puede realizarse con fresa o torno, el mejor grado de calidad se consigue con la herramienta denominada muela, constituida por granos de material abrasivo cementados con una substancia cerámica.


52

.


Bruñido.Su objeto es obtener una superficie con una rugosidad muy pequeña. Generalmente se emplea en el acabado de piezas de precisión, realizando el afinado mediante una muela recubierta de piel. Rasqueteado.Es una operación realizada de forma manual con un rasquete, que sirve para alisar y mejorar la calidad de dos superficies funcionales que van a estar en contacto. Limado.Rebaje de una superficie con una lima. Escariado.Operación realizada con un escariador cuyo objetivo es la mejora de la calidad superficial de taladros cilíndricos. Moleteado. Tallado sobre una parte de una pieza una serie de estrías que la hacen más rugosa. Se usa para asegurar el agarre del mango o empuñadura de una pieza o herramienta. El moleteado se consigue con una moleta, de material más duro que la pieza a grabar, que se presiona sobre la zona a moletear. La forma del moleteado puede ser recta (paralela a las generatrices del cilindro), oblicua (líneas helicoidales) o cruzada (líneas helicoidales de paso contrario).

6.3.

SIMBOLOGÍA DE ACABADOS


53

.


Flores Paye puntualiza que un dibujo técnico es el plano de una pieza elaborado como instrumento de comunicación y debe: - Ser completo, contener todos los requisitos de la pieza y proteger su funcionalidad. - Ser funcional, las dimensiones en el dibujo deben mostrar y asegurar que la pieza va a funcionar como se planeó. - Especificar la tolerancia máxima, aquella que permite el funcionamiento de la pieza. Entre más cerrada es la tolerancia, mayor será la dificultad para fabricarla. Con tolerancias más amplias la pieza será más fácil de trabajar y más económica también. - Ser claro, el dibujo debe ser comprendido de la misma forma, por todas las personas, en todas las actividades del proceso y más aún en todos los idiomas, con una sola interpretación y sin confusiones. El plano de una pieza no podría estar completo sin las indicaciones pertinentes de acabado que la pieza requiere para su óptimo desempeño. A continuación las siguientes figuras muestran los símbolos más utilizados:

También se puede indicar un tratamiento superficial en una zona determinada mediante una línea gruesa trazo-punto. Si fuera necesario realizar un mecanizado mediante arranque de viruta para después aplicar un revestimiento U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

54

.


superficial de niquelado, se especificaría tal y como aparece en las figuras anteriores.

Los procesamientos de una superficie incluyen diversas operaciones como: Limpieza, tratamiento de una superficie (granallado, chorro de arena, difusión e implantación de iones), recubrimiento de una superficie como barnizado o pintado.

6.4.

TRATAMIENTO SUPERFICIAL

Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes: - Zincado,tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o mecánico al que se somete a diferentes componentes metálicos. - Cromado, recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer. - Galvanizado, tratamiento superficial que se da a la chapa de acero. - Niquelado, baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación. - Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tornillería. - Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc. Un

proceso

de

tratamiento

térmico

adecuado

permite

aumentar

significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

55

.


microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas. Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composición química son: temple,revenido, recocido y normalizado. Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. - Cementación (C), aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. - Nitruración (N), al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. - Cianuración (C+N), endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

56

.


- Carbonitruración (C+N), al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior. - Sulfanización (S+N+C), aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales. Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante. El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales. Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (Shock resistant). El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados de acuerdo a las Normas Técnicas de Edificación. El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado hasta conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones del U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

57

.


acero que se consigue no tienen tolerancias muy ajustadas y por eso muchas veces a los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado para ajustar su tolerancia El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para armar hormigón armado, y cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético.

Malla de acero corrugado Las barras de acero corrugado, están normalizadas, por ejemplo en España las regulan las normas (UNE 36068:1994- UNE 36065:2000 -UNE36811:1996) Las barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de 6 a 40 mm, en la que se cita la sección en cm² que cada barra tiene así como su peso en kg. Las barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras. Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción: - Límite elástico Re (Mpa). U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

58

.


- Carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa). - Alargamiento de rotura A5 (%). - Alargamiento bajo carga máxima Agt (%). - Relación entre cargas Rm/Re. Estampado del acero:

Puerta automóvil troquelada y estampada.

Consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados. Troquelado del acero: Consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y matrices. Mecanizado blando:


59

.


Las piezas de acero permiten mecanizarse en procesos de arranque de virutas en máquinas-herramientas (taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.) luego endurecerlas por tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos abrasivos en los diferentes tipos de rectificadoras que existen. Rectificado, El proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas para la construcción de maquinaria y equipos de calidad. Pero el tamaño de la pieza y la capacidad de desplazamiento de la rectificadora pueden presentar un obstáculo.

6.5.

TRATAMIENTOS QUÍMICOS

6.5.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES DE TRANSFORMACIÓN.A las modificaciones o cambios que experimentan las substancias bajo la acción de las diferentes formas de la energía, se les llama fenómenos. De esta manera, todo cambio que se produce en las substancias de manera natural o provocada es también un fenómeno. Al determinar las propiedades de las sustancias puras vamos a observar ciertos cambios o transformaciones de una forma a otra por las que atraviesan estos materiales. Estos cambios se dividen en físicos y químicos. Fenómeno físico.Es una modificación en un cuerpo que no afecta a la esencia o naturaleza de la materia de que está constituido. Así, cortar un papel con unas tijeras, estirar una goma son simples cambios físicos como lo es también un cambio de estado sea fundir hielo. Puede darse un cambio en la forma del cuerpo al estirarse, romperse o como en la plastilina cambiar de forma pero la sustancia permanece en el fondo como al principio pues seguimos teniendo plastilina. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

60

.


Estos fenómenos desaparecen al cesar la causa que los origina, en su mayoría son fenómenos reversibles. Otros fenómenos físicos son el desplazamiento de un vehículo, el paso de la electricidad por los cables, la dilatación de un cuerpo al ser calentado, el paso de la luz a través de los cristales de una ventana o de una lente, etcétera.

Entre los cambios físicos más importantes tenemos los cambios de estado, que son aquellos que se producen por acción del calor. Podemos distinguir dos tipos de cambios de estado según sea la influencia del calor: cambios progresivos y cambios regresivos. Cambios progresivos son los que se producen al aplicar calor. Estos son: sublimación progresiva, fusión y evaporación. - Sublimación progresiva, transformación directa, sin pasar por otro estado intermedio, del estado sólido al gaseoso, al aplicarle calor. Ejemplo: hielo seco + temperatura = vapor de agua. - Fusión, transformación de un sólido en líquido al aplicarle calor. Es importante hacer la diferencia con el punto de fusión que es la temperatura a la cual ocurre la fusión, específica para cada sustancia que se funde. - Evaporación, transformación del estado líquido al gaseoso, por la acción del calor


61

.


- Ebullición, transformación de todas las partículas del estado líquido al gaseoso, por la acción del calor aplicado. Temperatura a la cual se produce la ebullición se conoce como el punto de ebullición. Los cambios regresivosse producen por el enfriamiento de los cuerpos y también se distinguen tres tipos: sublimación regresiva, solidificación, condensación. - Sublimación regresiva, cambio de una sustancia del estado gaseoso al sólido, pasar por el líquido. - Solidificación, es el paso del estado líquido al sólido. - Condensación, es el cambio de una sustancia del estado gaseoso al líquido. Ejemplos: - El roce de los esquíes produce fusión de la nieve, formando una capa de agua que favorece el deslizamiento. - Si el agua no se evaporara, no se tendrían lluvias. - Los distintos subproductos que se obtienen del petróleo, se logran gracias a la separación de ellos mediante el punto de ebullición.

Los cambios de volumen se refieren a los cambios que sufre la materia en relación al espacio que ocupan. Por ejemplo, un cuerpo aumenta su volumen si aumenta el espacio que ocupa y, por el contrario, si reduce su volumen significa que disminuye el espacio que ocupa. Los cambios de volumen son dos: contracción y dilatación. - Contracción. Es la disminución de volumen que sufre un cuerpo al enfriarse.Por ejemplo, los zapatos quedan más "sueltos " en invierno; al poner un globo inflado en un tiesto con agua fría disminuye su tamaño. La contracción se entiende porque al enfriarse los cuerpos, las partículas están más cercanas unas de otras, disminuye su movimiento y como consecuencia disminuye su volumen.


62

.


- Dilatación. Es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos al contacto con la temperatura. Por ejemplo, el Mercurio del termómetro se dilata con facilidad y por eso es capaz subir por un capilar pequeño e indicar el alza de temperatura. Este fenómeno no afecta sólo a los líquidos o sólidos también a los gases. Al recibir un aumento de calor, las partículas se separan entre sí, permitiendo que el gas se torne más liviano y se eleve. Ejemplo de esto es lo que hace posible que los "globos aerostáticos" se puedan elevar y desplazar. Pero toda regla tiene su excepción y es el agua en este caso quién confirma la regla, porque al calentarse entre los 0y 4ºC, se contrae y al enfriarse se dilata. Se conoce este fenómeno como la dilatación anómala del agua.

Procesos físicos. Los primeros métodos empleados en el tratamiento del agua residual, en donde predomina la acción de las fuerzas físicas, siendo el desbaste, la floculación, la sedimentación, la filtración, la flotación y la transferencia de gases operaciones físicas unitarias típicas. Medición de caudales,

desbaste,

homogeneización

de

caudales,

mezclado,

sedimentación, sedimentación acelerada, flotación,filtración en medio granular,transferencia de gases, todos ellos son denominados procesos físicos.

Fenómeno químico. Es aquel en el cual se da un cambio en la sustancia que teníamos, de manera que desaparecen unas (reactivos) y aparecen otras (productos) .Los átomos siguen estando ahí solo que se organizan en distintas entidades y cada entidad según su estructura y geometría acaba teniendo sus propiedades particulares. La nueva sustancia puede coincidir en algunas propiedades, no tiene que cambiarlas todas pero al cambiar alguna ya reconocemos que estamos ante una sustancia nueva. Ejemplos:


63

.


Mientras se respira…

FENÓMENO

Se toma oxígeno que cambia de volumen

FÍSICO

El oxígeno se combina con alimentos

QUÍMICO

El dióxido de carbono (CO2) se disuelve en la sangre y de ahí pasa al aire que se exhala.

FÍSICO

El CO2 se combina con agua, dando ácido carbónico.

QUÍMICO

En la cocina…

FENÓMENO

Se calienta la leche al fuego.

FÍSICO

Se evapora parte del agua que lleva.

FÍSICO

El cazo de la leche se dilata un poco.

FÍSICO

La leche se ha carbonizado, ahora se ve el carbono negro.

QUÍMICO

El propio acontecimiento de amanecer implica muchos cambios físicos, ya que existe un proceso de iluminación de la materia, ondas que circulan y se reflejan, movimiento, cambio de volumen y forma en las nubes. Comienza a darse un calentamiento progresivo de la superficie de la tierra y más lento de las masas de agua, comienza a evaporarse el rocío que hay sobre las florecillas y a fundir alguna escarcha, estas gotas se derraman cambiando de forma y volumen. Todos estos fenómenos son cambios físicos. Cuando se come se están segregando sustancias que junto al alimentos serán protagonistas de reacciones químicas muy diversas en nuestro cuerpo y que finalizarán con la formación de nuevas sustancias algunas que servirán de U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

64

.


almacén energético y otras que constituirán el organismo, otras se habrán eliminado pero todas son sustancias que intervinieron en cambios químicos de unas sustancias o agrupaciones en otras. Tres términosse han de conocer antes de hablar de una reacción química. - Mezcla, es un sistema material formado por dos o más sustancias puras no combinadas químicamente. En una mezcla no ocurre una reacción química y cada uno de sus componentes mantiene su identidad y propiedades químicas. Ejemplos: una ensalada, es una mezcla; el aire, es una mezcla de gases; saldisuelta en agua, es una mezcla (porque no se formó nada nuevo, se sigue teniendo agua y sal, que se puede separar, utilizando los medios adecuados); agua y aceite, es una mezcla (tanto como la anterior). - Combinación, es un fenómeno químico, y a partir de dos o más sustancias se puede obtener otra (u otras) con propiedades diferentes. Para que tenga lugar, se deben agregar las sustancias a combinar en cantidades perfectamente definidas, y para producirse efectivamente la combinación se necesitará liberar o absorber calor (intercambio de energía). - Descomposición, es un fenómeno químico, y a partir de una sustancia compuesta (formada por 2 ó más átomos), se puede obtener 2 ó más sustancias con diferentes propiedades. Procesos químicos unitarios: Adsorción. Desinfección con cloro, ozono. rayos ultra violetas. Procesos biológicos unitarios. Procesos biológicos de tratamiento. Procesos de tratamiento aerobio de cultivo en suspensión. Procesos aerobios de tratamiento de cultivo fijo. Procesos de tratamiento anaerobios de cultivos en suspensión. Eliminación biológica de nutrientes. Un proceso químico es un conjunto de operaciones químicas ordenadas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes. Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones. En la descripción general de cualquier proceso químico hay distintas operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones químicas. En cambio otros pasos son meramente físicos, es decir, sin reacciones químicas presentes. Podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones químicas. Cada una de estas operaciones es una operación unitaria dentro del proceso global U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

65

.


VII. OPERACIONES UNITARIAS Es cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuación y/o transformación de las materias implicadas en un proceso químico. Si se toma como ejemplo una planta depuradora de aguas residuales, esquematizada en la figura siguiente, se puede observar como el proceso global consta de una mezcla tanto de procesos químicos (oxidación de materia orgánica) como físicos (decantación de fangos). También se pueden identificar


66

.


las distintas acciones llevadas a cabo para el transporte adecuación y transformación de las sustancias implicadas en el proceso. En general, un proceso químico puede descomponerse en la secuencia dediagramas de bloques. En el caso práctico mencionado anteriormente se podrían establecer fácilmente relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su correspondiente bloque.

Los procesos químicos en general y cada operación unitaria en particular tienen como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad demateria en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos: - Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla, reacción química). - Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, vaporización, aumento de presión. - Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección). Éstos sonlos únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar.Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas: − Cantidad de materia y composición. − Energía total (interna, eléctrica, magnética, potencial, cinética). − Componentes de velocidad de que está animado. Este hecho experimental tiene su expresión matemática en tres leyes de conservación: − Ley de conservación de la materia. − Ley de conservación de la energía. − Ley de conservación de la cantidad de movimiento.


67

.


Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con las propiedades (materia, energía, cantidad de movimiento) que se transfiera en la operación y sea la más relevante en la misma. Aparecen así seis grandes grupos de operaciones. La reacción química es la operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de unas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan REACTORES QUÍMICOS. Imaginando que se tiene que llevar a cabo la reacción química: A+ B = C. La operación se desarrollará en un reactor químico. ¿Qué es lo que hay que tener en cuenta a la hora de desarrollar el experimento? Los factores a tener en cuenta serán los siguientes: − Condiciones en las que la reacción es posible (P, T). − En qué grado se produce la reacción (Termodinámica). − A qué velocidad (Cinética). − Qué fases se encuentran presentes en la reacción. Todos estos factores se tendrán que controlar por medio del reactor químico, que es donde se realizará la reacción. de transferencia de materia de transferencia de energía de transmisión simultánea de materia y energía de transporte de cantidad de movimiento complementarias

• Operaciones unitarias

físicas

* Operación unitaria química

Operaciones, mecanismos y aparatos para el intercambio de calor Operación Aislamiento térmico

Mecanismo Conducción

Convección

Radiación

Aislantes

Camisas de vacío

Espejos de

refactarios Calefacción o

Intercambiadores

radiación Placas solares


Hornos

68

.


refrigeración de fluidos Evaporación Condensación

de calor Evaporadores Condensadores

Operaciones unitarias de separación basadas en el transporte de cantidad de movimiento Operación unitaria Medio de Principio de Fases a separar separación separación Sedimentación Acción gravitatoria Diferencia de S-L o L-L densidad Clasificación Acción gravitatoria Diferencia de S1-S2 hidráulica y flujo de líquido densidad y de tamaño Flotación Acción gravitatoria Diferencia de S1-S2 o S-L y flujo de aire densidades y mojabilidad Filtración Placa filtrante Diferencia de S-L o S-G presiones Centrifugación Fuerza centrífuga Diferencia de S-L o L-L densidad Ósmosis inversa Difusión en Diferencia de L-soluto membrana presiones semipermeable

Modelos de flujo. Existen dos tipos básicos de contacto o modelos de flujo: - Modelo de mezcla perfecta (reactores de tanque agitado). - Modelo de flujo en pistón (reactores tubulares) Estos modelos vienen representados en lassiguientes figuras. Los reactores reales presentan características parciales de ambos modelos. En la práctica será difícil evitar difusiones axiales y radiales en los reactores tubulares, así como segregaciones y caminos preferenciales en los reactores de tanque agitado. Tipos principales de reactores químicos ideales:


69

.


Los reactores de flujo pistón y de mezcla perfecta son de flujo estacionario; pero se puede trabajar también con reactores de flujo no estacionario. Dentro de estos últimos estarían los reactores semicontinuos. Existe una gran variedad de reactores de este tipo, dependiendo de lo que se quiera obtener. Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que se llevan a cabo en la industria, si no hubiera un punto en común a todos ellos. Afortunadamente, esta conexión existe. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para varios procesos.

Un proceso industrial está constituido por una serie coordinada de operaciones individuales que deben ser analizadas y comprendidas en si mismas. Estas son las “operaciones unitarias” cuyo carácter es físico y que se diferencian de otras ramas de la ingeniería porque se aplican en procesos donde es necesario el conocimiento de la química para comprender su significado real. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

70

.


Estas operaciones unitarias implican principalmente la separación de mezclas, pues los productos de una reacción química se obtienen como mezclas y el paso o los pasos siguientes, tal vez mas importantes que la reacción misma, consiste en separar los componentes de esas mezclas y dejar un producto al estado puro o bajo ciertas especificaciones. La teoría de las operaciones unitarias está basada en leyes bien definidas y comprendidas, pero su interpretación práctica solo se puede hacer con el equipo o maquinaria en donde se lleva a cabo cierta operación unitaria. Las principales operaciones unitarias son: transporte de fluidos, transferencia de calor, mezclado, trituración, evaporación, filtración, cristalización, decantación, flotación, centrifugación, destilación , extracción con solventes, absorción, secado y tamizado. Ejemplos: - Transporte de fluidos.El transporte de materiales en forma fluida es mucho más conveniente y económico que el transporte de sólidos, por lo que siempre que sea posible, los materiales se moverán en forma de líquidos o soluciones. Para tal fin seutiliza las tuberías cerradas. Las tuberías se fabrican con cualquier clase de materiales y para objetos especiales. Las tuberías de materiales férricos son las más ampliamente utilizadas. Una tubería queda especificada por su diámetro y espesor de pared. Los accesorios que se utilizan en las conducciones son para unir tramos de tubería, cambiar la dirección de la línea, cambiar su diámetro, conectar diferentes ramas o cerrar el final de la línea. Tanto las tuberías como los accesorios deben pasar pruebas de resistencia y de presión. Ejemplos de accesorios son: las válvulas, los codos, las bridas, las reducciones, etc. Las bombas son elementos muy importantes para mover los fluidos y las hay de varios tipos.

7.1. CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

71

.


Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede hacerse principalmente por tres caminos: - Modificando su masa o composición (separación de fases o mezcla). - Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, evaporización, aumento de presión). - Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección). Estos tres son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede sufrir. De acuerdo con ello, normalmente se clasifican las operaciones unitarias en función de la propiedad -materia, energía o cantidad de movimiento- que se transfiere en la operación o la que sea más relevante. Debe notarse que en cualquier operación, por lo común se transferirá simultáneamente materia, energía y cantidad de movimiento, pues las dos últimas propiedades están asociadas a la materia. La operación no vendrá controlada necesariamente por las tres transferencias, sino sólo por una o, a lo sumo, por dos. De acuerdo con el criterio de cuál es la transferencia más importante, las operaciones unitarias se clasifican en: − operaciones de transferencia de materia, − operaciones de transmisión de energía, − operaciones de transmisión simultánea de materia y energía, − operaciones de transporte de cantidad de movimiento Procesos unitarios. A diferencia de las operaciones unitarias donde se presentan fenómenos físicos, los procesos unitarios son propiamente reacciones químicas, es decir, transformaciones de las sustancias en cuanto a su naturaleza íntima. Una reacción química a escala industrial se hace en un recipiente llamado reactor, el cualpuede tener diferente capacidad, diferente material de construcción, pueden ser continuos o discontinuos, dependiendo del proceso


72

.


mismo. En el reactor se alimentan las materias primas, se establecen las condiciones de operación y se obtiene el producto. Después de obtenerse el producto o mezcla de productos y subproductos, se procede a su separación aplicando las operaciones unitarias. Ejemplos de procesos unitarios o químicos básicos son: •

Hidrólisis.

•

Catálisis.

•

Calcinación.

•

Pirolisis.

•

Neutralización.

•

Deshidratación.

•

Oxidación.

•

Sulfhidración.

•

Isomerización.

•

Sulfonación.

•

Síntesis.

•

Electrólisis.

•

Degradación.

•

Halogenación.

•

Combustión.

•

Alquilación.

•

Saponificación.

•

Diazotación.

•

Fermentación.

•

Hidrogenación.

•

Descomposición.

•

Nitración.

•

Hidratación.

•

Reducción.

•

Precipitación

•

Polimerización.

Ejemplo: • Electrólisis.Es un fenómeno estudiado por Michael Faraday y consiste en la

descomposición de una sustancia por el paso de la corriente eléctrica. En un proceso electrolítico ocurre una transformación de energía eléctrica en energía química. Una celda electrolítica contiene dos conductores llamados electrodos y un electrolito fundido o en solución acuosa y se opera mediante el paso de una corriente eléctrica directa. Faraday estableció que los iones que se formaban por acción de la corriente, se dirigían hacia el polo de signo contrario. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

73

.


Los iones positivos o cationes se dirigen al electrodo negativo o cátodo, donde aceptan electrones (reducción) y los iones negativos se dirigen al polo positivo (ánodo), al que ceden electrones (oxidación); los electrones se dirigen a la batería y al cátodo completando así el circuito. Las aplicaciones de la electrólisis son la obtención de ciertas sustancias elementales como sodio, potasio, calcio, magnesio, aluminio, cloro, flúor, oxigeno, hidrógeno, etc. A partir de las materias primas naturales. Con frecuencia en la industria se suelen utilizar procesos electroquímicos para obtener elementos o compuestos importantes, entre los que tenemos los metales alcalinos, los cuales se obtienen generalmente por electrolisis de sus cloruros fundidos. El elemento de mayor importancia práctica es el sodio, el cual comúnmente se obtiene en una celda que consta de una caja de acero recubierta con ladrillos refractarios, de un ánodo de grafito y de un cátodo anular de hierro, entre los cuales se encuentra una malla metálica. El cloruro de sodio fundido, al que por lo general se le adiciona carbonato de sodio (Na2CO3) para disminuir su punto de fusión se coloca en una caja de acero. Al pasar la corriente eléctrica, el sodio fundido se deposita en el cátodo y se recoge en recipientes cerrados. Los fenómenos físicos constituyen un ciclo reversible, es decir, el estado final es idéntico al inicial, en tanto que los fenómenos químicos constituyen un proceso irreversible porque el estado final del cuerpo o sustancia no es idéntico al del cuerpo primitivo. En cuanto a las operaciones unitarias podemos decir que no es algo muy complicado ya que está dirigido principalmente para la separación de mezclas y poder obtener productos puros. El proceso unitario es algo más complejo ya que intervienen reacciones químicas y métodos más sofisticados para poder obtener alguna sustancia o un producto.


74

.


Movimiento de una masa sometido a la acción de una fuerza elástica Son cuerpos elásticos aquellos que al ser sometidos a la acción de una fuerza deformadora se oponen a esa deformación con una fuerza igual y de sentido contrario que trata de recuperar la forma del cuerpo. Llamaremos a esta fuerza, que sólo aparece cuando los cuerpos elásticos son sometidos a una deformación, fuerza recuperadora.

MEDICIÓN DE CAUDALES Un aspecto crítico en la eficacia de explotación de una planta moderna de tratamiento de aguas residuales es la correcta selección, uso y mantenimiento de los aparatos de medición del caudal. Un sistema completo de medición del caudal consta de dos elementos: (1) un sensor o detector, y (2) un dispositivo convertidor. El sensor o el detector se exponen o se ven afectados por el flujo, mientras que el convertidor es el dispositivo que traduce la señal, o la lectura, desde el sensor hasta el elemento en el que se registran, o se leen las mediciones. Tipos de aparatos de medición de caudales y su aplicación Existe cierto número de aparatos disponibles para la medición de los caudales tanto en canales como en conducciones a presión. Flujo en lámina libre. En canales abiertos, o en conducciones parcialmente llenas, la determinación del caudal se lleva a cabo midiendo la perdida de carga generada por la introducción de una obstrucción en la conducción, tal como un estrangulamiento o una placa vertedero, o por medida de la sección mojada y de la velocidad de flujo asociada. Conducciones en carga. Para la medición de los caudales en conducciones en carga las tres técnicas más empleadas son: − Introducción de una obstrucción para crear una pérdida de carga o diferencial de presión; − medición de los efectos que provoca el fluido en movimiento (p.e. cambios de momento, transmisión de ondas de sonido, inversión de campos magnéticos), y U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

75

.


− medición de unidades incrementales de volumen del fluido. Los diferenciales de presión que pueden traducirse en lecturas del caudal se consiguen mediante elementos tales como los tubos de flujo, orificios, tubos de pitot, rotámetros y venturis. En el segundo grupo se incluyen aparatos de medición de propiedades

Desbaste.La primera operación unitaria que tiene lugar en las plantas de tratamiento es la operación de desbaste. Una rejilla es un elemento con aberturas, generalmente de tamaño uniforme, que se utiliza para retener los sólidos gruesos en el agua residual. Descripción:Los elementos separadores pueden estar constituidos por barras, alambres o varillas paralelas, rejillas, telas metálicas o placas perforadas, y las aberturas pueden ser de cualquier forma, aunque normalmente suelen ser ranuras rectangulares u orificios circulares. Los elementos formados por varillas o barras paralelas reciben el nombre de rejas de barrotes. El término tamiz se circunscribe al uso de placas perforadas y mallas metálicas de sección cuneiforme. La función que desempeñan las rejas y tamices se conoce con el nombre de desbaste, y el material separado en esta operación recibe el nombre de basuras o residuos de desbaste. Según el método de limpieza que se emplee, los tamices y rejas pueden ser de limpieza manual o automática. Generalmente, las rejas tienen aberturas (separación entre las barras) superiores a 15 mm, mientras que los tamices tienen orificios de tamaño inferior a este valor.

Rejas.Se utilizan para proteger bombas y válvulas, Mayormente se utilizan en los procesos de tratamiento del agua residual, conducciones y otros elementos contra los posibles daños y obturaciones provocados por la presencia de trapos y de objetos de gran tamaño. Las plantas de tratamiento de aguas industriales pueden no precisar la instalación de rejas, dependiendo de las características de los residuos.

Tamices. Los primeros eran de disco inclinado o de tambor, y se empleaban como medio para proporcionar tratamiento primario, en lugar de tanques de sedimentación. El mecanismo de separación consistía en placas de bronce o de cobre con ranuras fresadas. Desde principios de los años setenta, el interés U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

76

.


por el uso de todo tipo de tamices en el campo del tratamiento de las aguas residuales ha experimentado un considerable aumento. Su campo de aplicación se extiende desde el tratamiento primario hasta la eliminación de los sólidos en suspensión residuales de los efluentes procedentes de los procesos de tratamiento biológicos.

Análisis.El proceso de análisis asociado al uso de elementos de desbaste supone la determinación de las pérdidas de carga que se producen al circular el agua residual a través de ellos. Las pérdidas de carga que se producen al circular el agua a través de las rejas y dependen de la velocidad de aproximación del agua y de la velocidad de circulación.

HOMOGENIZACIÓN DE CAUDAL. Consiste en amortiguar por laminación las variaciones del caudal, con el objeto de conseguir un caudal constante o casi constante. Esta técnica puede aplicarse en situaciones diversas, dependiendo de las características de la red de alcantarillado. Las principales aplicaciones están concebidas para la homogenización de: - Caudal en tiempo seco, - caudales procedentes de redes de alcantarillado separativas en épocas lluviosas, - caudales procedentes de redes de alcantarillado unitarias combinación de aguas pluviales y aguas residuales sanitarias La aplicación de la homogeneización de caudales en el tratamiento del agua residual. En la disposición que recibe el nombre de «en línea», la totalidad del caudal pasa por el tanque de homogeneización. Este sistema permite reducir las concentraciones de los diferentes constituyentes y amortiguar los caudales de forma considerable. En la disposición «en derivación», sólo se hace pasar por el tanque de homogeneización el caudal que excede un límite prefijado. Las principales ventajas que produce la homogenización de los caudales son:


77

.


- Mejora del tratamiento biológico, ya que eliminan o reducen las cargas de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras, y se consigue estabilizar el pH. - Mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes. - Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado más uniformes. En el tratamiento químico, el amortiguamiento de las cargas aplicadas mejora el control de la dosificación de los reactivos y la fiabilidad del proceso. Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de tratamiento, la homogeneización del caudal es una opción alternativa paraincrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran sobrecargadas.

Localización de las instalaciones de homogenización.La ubicación óptima de las instalaciones de homogenización debe determinarse para cada caso concreto. Dado que la localización óptima variará en función del tipo de tratamiento, de las características de la red de alcantarillado y de las del agua residual. Si las instalaciones de homogeneización se sitúan por delante de la sedimentación primaria y del tratamiento biológico, el proyecto debe tener en cuenta la provisión de un grado de mezclado suficiente para prevenir la sedimentación de sólidos y las variaciones de concentración y dispositivos de aireación suficientes para evitar los problemas de olores.

Homogenización en línea o en derivación.Como se ha descrito anteriormente, la adopción de un sistema de homogeneización en línea permite amortiguar considerablemente las cargas de constituyentes en los procesos de tratamiento que tengan lugar a continuación, mientras que la efectividad de la homogeneización en derivación es bastante menor. La Reducción de Tamaño es la operación unitaria en la que el tamaño medio de los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto, U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

78

.


compresión, cizalla (abrasión) y/o cortado. La compresión se usa para reducir sólidos duros a tamaños más o menos grandes. El impacto produce tamaños gruesos, medianos y finos, la frotación o cizalla, produce partículas finas y el cortado se usa para obtener tamaños prefijados.

Los fines de la reducción de tamaño es muy importante en la industria por las siguientes razones: -

Facilita la extracción de un constituyente deseado que se encuentre dentro de la estructura del sólido, como la obtención de harina a partir de granos y jarabe a partir de la caña de azúcar.

-

Se pueden obtener partículas de tamaño determinado cumpliendo con un requerimiento específico del alimento, como ejemplo la azúcar para helados, preparación de especies y refino del chocolate.

-

Aumento de la relación superficie-volumen incrementando, la velocidad de calentamiento o de enfriamiento, la velocidad de extracción de un soluto deseado, etc.

-

Si el tamaño de partículas de los productos a mezclarse es homogéneo y de tamaño más pequeño que el original, la mezcla se realiza más fácil y rápido, como sucede en la producción de formulaciones, sopas empaquetadas, mezclas dulces, entre otros.

Caracterización de las partículas sólidas. Para caracterizar partículas sólidas se debe hacer énfasis en algunas propiedades que pertenecen a la partícula individual y sobre las cuales se centra el estudio del comportamiento de partículas sólidas en la reducción de tamaño. Entre ellas se tienen el volumen, área superficial, masa, densidad, tamaño y forma de la partícula siendo estas últimas tres las de mayor importancia.


79

.


DENSIDAD. Las partículas de sólidos homogéneos tienen la misma densidad que el material de origen, mientras que cuando son sólidos heterogéneos, al romperse, presentan diferentes densidades entre sí y con el sólido de origen.

TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS: si las partículas tienen la misma dimensión, el tamaño lo específica cualquier lado de la misma. En el caso de que sean partículas irregulares, es decir, tengan una dimensión más grande que otra, su tamaño se determina tomando en cuenta la "segunda dimensión" principal más grande.

Trituración primaria.Cuando se reduce normalmente el tamaño de los trozos de mineral a un valor comprendido entre 8" a 6". A continuación, los productos obtenidos se criban en un tamiz vibrante con objeto de separar aquellas partículas cuyo tamaño ya es lo suficientemente fino, con el consiguiente aumento en la capacidad de las quebrantadoras secundarias. La trituración primaria se realiza normalmente en quebrantadoras de mandíbulas o en quebrantadoras giratorias. Las quebrantadoras de mandíbulas constan normalmente de dos planchas de acero al manganeso o mandíbulas, colocadas una frente a la otra, de as cuales una es fija y la otra es móvil y puede girar sobre un eje situado en su parte superior o inferior. Mediante un dispositivo adecuado, se comunica a la mandíbula móvil un movimiento de oscilación alternativo hacia adelante y hacia atrás de corto recorrido. El mineral se carga en el espacio comprendido entre las mandíbulas, y de ellas, la móvil, en su recorrido hacia adelante, aplasta los trozos contra la fija. Al retroceder la mandíbula móvil, el mineral triturado cae por la abertura que en la parte inferior forman las mandíbulas. Las quebrantadoras giratorias constan de una masa trituradora de forma cónica que gira en el interior de una carcasa troncocónica fija, abierta por su parte superior e inferior. El mineral que se va a triturar se carga en la quebrantadora por su parte superior y el mecanismo por el que se realiza la trituración se basa es la misma acción de aplastamiento de las quebrantadoras de mandíbulas. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

80

.


TRITURACIÓN PRIMARIA TRITURADOR DE MANDÍBULAS (CHANCADORAS).Esencialmente constan de dos placas de hierro instaladas de tal manera que una de ellas se mantiene fija y la otra tiene un movimiento de vaivén de acercamiento y alejamiento a la placa fija, durante el cual se logra fragmentar el material que entra al espacio comprendido entre las dos placas (cámara de trituración).La placa fija suele llamarse mandíbula fija y la otra placa, mandíbula móvil. Las trituradoras de mandíbulas se subdividen en tres tipos, en función de la ubicación del punto de balanceo de la mandíbula móvil, que son: Trituradoras de mandíbulas tipo Blake, Dodge y Universal. En la práctica, el triturador más empleado es el de tipo Blake, que fue patentado en 1858 por E. W. Blake y desde entonces ha sufrido varias modificaciones.

Tipos de trituradoras de Mandíbulas

TRITURACIÓN SECUNDARIA En la trituración secundaria, el tamaño de las partículas se reduce a un valor comprendido entre 3" y 2", dejándolo en condiciones de poder pasar a las operaciones de molturación o concentración preliminar. Las quebrantadoras utilizadas en esta fase son por lo general de tipo giratorio o cónico. Estas quebrantadoras son similares a las utilizadas en la trituración primaria, diferenciándose solamente en que trabajan a velocidades relativamente altas


81

.


(aproximadamente 500 r.p.m.) y en que la abertura de salida de los productos triturados es mucho menor. Maquinarias. Industrialmente se utilizan diferentes tipos de máquinas de trituración y suelen clasificarse de acuerdo a la etapa en que se utilizan y el tamaño de material tratado.

TRITURADORAS PRIMARIAS: Fragmentan trozos grandes hasta un producto de8" a 6". Se tienen dos tipos de máquinas. - Trituradoras de Mandíbulas. - Trituradoras Giratorias. TRITURADORAS SECUNDARIAS: Fragmentan el producto de la trituración primaria hasta tamaños de 3" a 2", entre estas máquinas tenemos. - Trituradoras Giratorias - Trituradoras Cónicas. TRITURADORAS TERCIARIAS: Fragmentan el producto de la trituración secundaria hasta tamaños de 1/2" o 3/8", entre estas máquinas tenemos. - Trituradoras Cónicas - Trituradoras de Rodillos.


82

.


El siguiente cuadro muestra el tipo de alimento (fibrosos o pulpas y alimentos particulados secos) en el que se emplean diferentes maquinarias y el tamaño de partículas obtenido con cada uno. Maquinaria utilizada para la Reducción de Tamaño. Máquina

Tipo de Producto

1

2

Tamaño de Partícula

3

4

5

a

Rebanadoras

X

x

x

X

Formadoras de Cubos

X

x

x

X

x

x

X

x

x

x

x

x

x

x

x

x

X

x

X

Ralladoras Cortadoras de Taza

X

b

c

d

x X

Preaplastadora

x

Molino de Martillo

x

Molino de Impacto Fino

x

x

Molino clasificador

x

x

x

Molino de Chorro de Aire

x

x

x

Molino de Bola

x

x

x

Molino de Disco

x

Molino de Rodillo

x

x

x

x

x

X

x

X

x

Leyenda: 1: blando, quebradizo, cristalino; 2: duro, abrasivo; 3: elástico, resistente, cortable; 4: fibroso; 5: termolábil, graso.a: grumos granujientos; b: particular groseras; c: semifinos a finos; d: finos e: ultrafinos

Entre los equipos de reducción de tamaño se tiene: U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

83

.


Molino de Bolas o cilindros: consiste en un cilindro de acero lleno hasta la mitad con bolas o cilindros de acero y para ejercer su efecto reductor se le aplica un lento movimiento rotacional. A bajas velocidades y con bolas pequeñas la forma de reducir tamaño que predomina es la de cizalla (frotamiento) y al utilizar bolas grandes o el cilindro gira a altas velocidades predomina la de impacto.

Molino de Martillos: es una cámara cilíndrica cubierta con una plancha perforada de acero que en su interior tiene un rotor con una serie de vástagos pegados a su eje (martillos) que giran a gran velocidad. La fuerza principalmente utilizada es la de impacto al ser golpeado e impulsado contra la plancha de acero.

Molino de Rodillo: constituido por dos o más rodillos de acero paralelos entre sí y girando concéntricos impulsando al alimento a pasar por ellos. La principal fuerza ejercida es la de compresión. Triturador de mandíbula: constituido por dos placas de acero donde una es móvil y la otra fija. Se utiliza para la trituración de partículas de tamaño grande, mediano y fino. Trabaja con la compresión y la frotación.


84

.


TAMIZ.Un tamiz es una malla metálica constituida por barras tejidas y que dejan un espacio entre sí por donde se hace pasar el alimento previamente triturado. Las aberturas que deja el tejido y, que en conjunto constituyen la superficie de tamizado, pueden ser de forma distinta, según la clase de tejido. Las mallas cuadradas se aconsejan para productos de grano plano, escamas, o alargado.

SERIE DE TAMICES TYLER. Esta es una serie de tamices estandarizados usados para la medición del tamaño y distribución de las partículas en un rango muy amplio de tamaño. Las aberturas son cuadradas y se identifican por un número que indica la cantidad de aberturas por pulgada cuadrada.Una serie de tamices patrón muy conocidas es la serie de Tamices Tyler. Esta serie se encuentra entre la malla 200, establecida en 0,074mm yla malla 3 fijada en 6,680 mm, como se indica en el cuadro siguiente:

TABLA DE TAMICES ESTÁNDAR TYLER MALLA

ABERTURA DE TAMIZ (mm)

3

6,680

4

4,699

6

3,327

8

2,362

10

1,651

14

1,168

20

0,833

28

0,589

35

0,417

48

0,295

65

0,208

100

0,147

150

0,104

200

0,074


85

.


7.2.

MECÁNICA DE FLUÍDOS

El conocimiento de los fluidos es importante para el estudio de las operaciones unitarias. Es importante para tratar los problemas de movimiento de fluidos a través de tuberías, bombas y otros equipos

de proceso, también para el

estudio de flujo de calor y de muchas operaciones de separación

que

dependen de la difusión y transferencia de masa. La expresión de un fluido estático se considera como la fuerza superficial que ejerce un fluido por unidad de área de las paredes del recipiente que lo contiene.

APLICACIONES Y RAMAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS. La mecánica de fluidos se ha dividido en diferentes ramas que cubren diferente aspectos de la ingeniería, la física, las matemáticas, etc. Están destinadas a solucionar problemas de la vida cotidiana así como para desarrollar nueva tecnología y descubrir nuevos campos de la ciencia. Para Vernard J.K. las aplicaciones de la mecánica de fluidos son infinitas, ya que todo depende de los fluidos, directa e indirectamente.

AERODINÁMICA.

Rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del

movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, así como de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos. Algunos ejemplos del ámbito de la aerodinámica son el movimiento de un avión a través del aire, las fuerzas que el viento ejerce sobre una estructura o el funcionamiento de un molino de viento. Todos los temas que se mencionaron anteriormente y que se relacionan con la aerodinámica, son las ramas que se derivan de la misma y que se deben de revisar para lograr un estudio amplio y completo de los fenómenos aerodinámicos.El investigador Fernández Larrañaga dice: "La aerodinámica es U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

86

.


la principal aplicación de la mecánica de fluidos inducidos hacia el campo de los flujos con rozamiento, con gases específicamente".

SUPERSÓNICA.La supersónica, una rama importante de la aerodinámica, se ocupa de los fenómenos que tienen lugar cuando la velocidad de un sólido supera la velocidad del sonido en el medio —generalmente aire— en que se desplaza. La velocidad del sonido en la atmósfera varía según la humedad, la temperatura y la presión. Como la velocidad del sonido es un factor crucial en las ecuaciones aerodinámicas y no es constante, suele emplearse el número de Mach, así llamado en honor del físico y filósofo austriaco Ernst Mach, un pionero en el estudio de la balística. El número de Mach es la velocidad respecto a la atmósfera del proyectil o el avión dividida entre la velocidad del sonido en el mismo medio y con las mismas condiciones. Así, al nivel del mar, en condiciones normales de humedad y temperatura, una velocidad de 1.220 km/h representa un número de Mach de 1. En la estratósfera, debido a las diferencias de densidad, presión y temperatura, esta misma velocidad correspondería a un número de Mach de 1,16. Expresando las velocidades por su número de Mach, en vez de en kilómetros por hora, puede obtenerse una representación más exacta de las condiciones que se dan realmente durante el vuelo.

TEMPERATURA. La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. En algunos países, la temperatura se mide en Grados Fahrenheit, pero en nuestro país, y generalmente en el resto del mundo, se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamada Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de


87

.


congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0°C y hierve a 100°C

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS ANTECENDENTES HISTÓRICOS. La mecánica de fluidos podría aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia antigua en origen y realizaciones, pero es más que eso, corresponde a un enfoque especial para estudiar el comportamiento de los líquidos y los gases. Los principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos científicos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes teóricos a lo que se denomina hidrodinámica. También en el campo de hidráulica experimental hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente durante el siglo XIX. Hacia finales del siglo XIX la hidrodinámica y la hidráulica experimental presentaban una cierta rivalidad. Por una parte, la hidrodinámica clásica aplicaba

con

rigurosidad

principios

matemáticos

para

modelar

el

comportamiento de los fluidos, para lo cual debía recurrir a simplificar las propiedades de estos. Así se hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran siempre aplicables a casos reales. Por otra parte, la hidráulica experimental acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar importancia a la formulación de una teoría rigurosa. La Mecánica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo

para

unir

estas

dos

tendencias:

experimental

y

científica.

Generalmente se reconoce como fundador de la mecánica de fluidos modela al alemán L. Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente joven.


88

.


DEFINICIÓN DE FLUIDO. Para clasificar a los materiales que se encuentran en la naturaleza se pueden utilizar diversos criterios. Desde el punto de vista de la ingeniería, uno de los más interesantes lo constituye aquel que considera el comportamiento de los elementos frente a situaciones especiales. De acuerdo a ello se definen los estados básicos de sólido, plástico, fluidos y plasma. De aquí la de definición que nos interesa es la de fluidos, la cual se clasifica en líquidos y gases. La clasificación de fluidos mencionada depende fundamentalmente del estado y no del material en sí. De esta forma lo que define al fluido es su comportamiento y no su composición. Entre las propiedades que diferencian el estado de la materia, la que permite una mejor clasificaron sobre le punto de vista mecánico es la que dice la relación con la forma en que reacciona el material cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos reaccionan de una manera característica a las fuerzas. Si se compara lo que ocurre a un sólido y a un fluido cuando son sometidos a un esfuerzo de corte o tangencial se tienen reacciones características que se pueden verificar experimentalmente y que permiten diferenciarlos. Con base al comportamiento que desarrollan los fluidos se definen de la siguiente manera: "Fluido es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando está sometido a un esfuerzo de corte o tangencial". De esta definición se desprende que un fluido en reposo no soporta ningún esfuerzo de corte.

7.3 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gasas. Sin embargo U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

89

.


la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia. Masa específica, peso específico y densidad.Se denomina masa específica a la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia. El peso específico corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por ß. y está relacionado por: ß = gP Donde: g =Intensidad del campo gravitacional. ß = Peso específico P = peso Se denomina densidad a la relación que exista entre la masa específica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se utiliza la masa especifica del agua a 4°C como referencia, que corresponde a 1g/cm3 y para los gases se utiliza al aire con masa específica a 20°C y 1 Atmósfera de presión, que corresponde a 1,2040 kg/m3. Viscosidad.La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Está ligada a la resistencia que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos. Los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relación que exista entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformación. Supóngase que se tiene un fluido entre dos placas paralelas separada a una distancia pequeña entre ellas, una de las cuales se mueve con respecto de la otra. Esto es lo que ocurre aproximadamente en un descanso lubricado. Para que la placa superior se mantenga en movimiento con respecto ala inferior, con una diferencia de velocidades V, es necesario aplicar una fuerza F, que por U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

90

.


unidad se traduce en un esfuerzo de corte, ŋ = F / A, siendo A el área de la placa en contacto con el fluido. Se puede constatar además que el fluido en contacto con la placa inferior, que está en reposo, se mantiene adherido a ella y por lo tanto no se mueve. Por otra parte, el fluido en contacto con la placa superior se mueve ala misma velocidad que ella. Si el espesor del fluido entre ambas placas es pequeño, se puede suponer que la variación de velocidades en su interior es lineal, de modo que se mantiene la proporción:

ESTÁTICA DE FLUIDOS. La estática de los fluidos estudia las condiciones de equilibrio bajo las cuales un fluido está en reposo, sabiendo que para ello se requiere que todos los elementos que lo forman se muevan ala misma velocidad, es decir que no se desplacen los unos a los otros y por lo tanto no halla escurrimiento. El fluido está entonces detenido o se mueve como si fuera un cuerpo rígido sin deformarse. La ausencia de escurrimiento, y por lo tanto de deformación angular, lleva implícita la ausencia de corte. Bajo estas condiciones, sobre las superficies que están en contacto con el fluido solo se desarrollan esfuerzos normales. Debido a al ausencia de esfuerzos tangenciales la viscosidad no tiene importancia, de modo que los principios de la hidrostática son aplicable a cualquier tipo de fluido viscoso o real, ideal o perfecto.Una característica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. De ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie —la presión— que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera perpendicular, la fuerza tendría una componente tangencial no equilibrada y el fluido se movería a lo largo de la pared. Este concepto fue formulado por primera vez en una forma un poco más amplia por el matemático y filósofo francés Blaise Pascal en 1647, y se conoce como U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

91

.


principio de Pascal. Dicho principio, que tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica, afirma que la presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debidas al peso del fluido y a la profundidad.Cuando la gravedad es la única fuerza que actúa sobre un líquido contenido en un recipiente abierto, la presión en cualquier punto del líquido es directamente proporcional al peso de la columna vertical de dicho líquido situada sobre ese punto. La presión es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamaño o forma del recipiente. Así, la presión en el fondo de una tubería vertical llena de agua de 1 cm. de diámetro y 15 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 15 m de profundidad. De igual forma, si una tubería de 30 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior esté sólo a 15 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercerá la misma presión sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubería sea mucho mayor que la altura de la tubería vertical. Veamos otro ejemplo: la masa de una columna de agua dulce de 30 cm. de altura y una sección transversal de 6,5 cm.2 es de 195 g, y la fuerza ejercida en el fondo será el peso correspondiente a esa masa. Una columna de la misma altura pero con un diámetro 12 veces superior tendrá un volumen 144 veces mayor, y pesará 144 veces más, pero la presión, que es la fuerza por unidad de superficie, seguirá siendo la misma, puesto que la superficie también será 144 veces mayor. La presión en el fondo de una columna de mercurio de la misma altura será 13,6 veces superior, ya que el mercurio tiene una densidad 13,6 veces superior a la del agua. El segundo principio importante de la estática de fluidos fue descubierto por el matemático y filósofo griego Arquímedes. El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

92

.


El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de flotación se llama centro de flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo. El principio de Arquímedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.

DINÁMICA DE FLUIDOS. La dinámica de fluidos se centra principalmente a determinar la fricción que ofrece el mismo dependiendo del grado de viscosidad del mismo. Los fluidos ideales cuya viscosidad es nula o despreciable, en su comportamiento no se observa esfuerzos de corte y por lo tanto no existen fuerzas de fricción con las paredes de los sólidos.

HIDRODINÁMICA. Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinámica tiene una importancia práctica mayor que la hidrostática, sólo podemos tratar aquí algunos conceptos básicos. El interés por la dinámica de fluidos se remonta a las aplicaciones más antiguas de los fluidos en ingeniería. Arquímedes realizó una de las primeras contribuciones con la invención, que se le atribuye tradicionalmente, del tornillo sin fin. La acción impulsora del tornillo de Arquímedes es similar a la de la pieza semejante a un sacacorchos que tienen las picadoras de carne manuales. Los romanos desarrollaron otras máquinas y mecanismos U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

93

.


hidráulicos; no sólo empleaban el tornillo de Arquímedes para bombear agua en agricultura y minería, sino que también construyeron extensos sistemas de acueductos, algunos de los cuales todavía funcionan. En el siglo I a.C., el arquitecto e ingeniero romano Vitrubio inventó la rueda hidráulica horizontal, con lo que revolucionó la técnica de moler grano. Después de Arquímedes pasaron más de 1.800 años antes de que se produjera el siguiente avance científico significativo, debido al matemático y físico italiano Evangelista Torricelli, que inventó el barómetro en 1643 y formuló el teorema de Torricelli, que relaciona la velocidad de salida de un líquido a través de un orificio de un recipiente, con la altura del líquido situado por encima de dicho agujero. El siguiente gran avance en el desarrollo de la mecánica de fluidos tuvo que esperar a la formulación de las leyes del movimiento por el matemático y físico inglésIsaac Newton. Estas leyes fueron aplicadas por primera vez a los fluidos por el matemático suizo Leonhard Euler, quien dedujo las ecuaciones básicas para un fluido sin rozamiento (no viscoso). Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos sólo pueden expresarse de forma relativamente sencilla si se supone que el fluido es incompresible e ideal, es decir, si se pueden despreciar los efectos del rozamiento y la viscosidad. Sin embargo, como esto nunca es así en el caso de los fluidos reales en movimiento, para Gareth Williams los resultados de dicho análisis sólo pueden servir como estimación para flujos en los que los efectos de la viscosidad son pequeños. Flujos incompresibles y sin rozamiento. Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

94

.


presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Para el autor John Muller: "Este principio es importante para la medida de flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo. En el caso de la dinámica de fluidos, el autor R.L Street. menciona que: "las únicas fuerzas de superficie son las provocadas por la presión, que sumadas a las demás fuerzas, o de gravedad, son las responsables del movimiento del fluido". Bajo estas condiciones Newton represento su segunda ley, aplicada a un elemento fluido, o ecuación de cantidad de movimiento, la que se conoce como ecuación de Euler. La dinámica o hidrodinámica de fluidos ya comprenden cálculos matemáticos mediante fórmulas complejas, las cuales corresponderán a movimientos de flujos sin comprimir. De aquí se deriva una ramificación de la dinámica y así mismo de la mecánica de fluidos: el flujo incompresible y sin rozamiento, el cual es experimentado por la segunda ley de Newton; pero además ya participan mayor número de investigadores acerca del tema (Bernouilli, Evangelista, Torricelli, Pascal, etc.). Al final se deduce que la gravedad junto con otras fuerzas influye para que haya movimiento de un flujo. El análisis puntual está orientado a establecer un modelo matemático del comportamiento del fluido, lo que permita conocer a detalle lo que ocurre en cada punto, para ello se establece ecuaciones básicas. Con base en ello se podrá conocer la distribución espacial y temporal de las variables que definen el comportamiento del fluido, como son la presión, velocidad, masa específica entre otras. El análisis requiere mayor esfuerzo pero entrega más información sobre el comportamiento del fluido.


95

.


7.4.TEOREMA DE BERNOULLI Una de las leyes fundamentales que rigen el movimiento de los fluidos es el teorema de Bernoulli, que relaciona un aumento en la velocidad de flujo con una disminución de la presión y viceversa. El teorema de Bernoulli explica, por ejemplo, la fuerza de sustentación que actúa sobre el ala de un avión en vuelo. Un ala —o plano aerodinámico— está diseñada de forma que el aire fluya más rápidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminución de presión en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentación que mantiene el avión en vuelo. Los coches de carrera son muy bajos con el fin de que el aire se desplace a gran velocidad por el estrecho espacio entre la carrocería y el suelo. Esto reduce la presión debajo del vehículo y lo aprieta con fuerza hacia abajo, lo que mejora el agarre. Estos coches también llevan en su parte trasera un plano aerodinámico con forma de ala invertida para aumentar la fuerza contra el suelo. La vela de un balandro en movimiento también constituye un plano aerodinámico. Otro aspecto importante de la aerodinámica es la resistencia al avance que experimentan los objetos sólidos que se mueven a través del aire. Por ejemplo, las fuerzas de resistencia que ejerce el aire que fluye sobre un avión deben ser superadas por el empuje del reactor o de las hélices. La resistencia al avance puede reducirse significativamente empleando formas aerodinámicas. Según el autor James A. Fay: "Cuando el objeto no es totalmente aerodinámico, la resistencia aumenta de forma aproximadamente proporcional al cuadrado de su velocidad con respecto al aire". Por ejemplo, la potencia necesaria para propulsar un coche que avanza de forma uniforme a velocidades medias o altas se emplea fundamentalmente en superar la resistencia del aire. FLUJOS VISCOSOS: MOVIMIENTO LAMINAR Y TURBULENTO.

Los

primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos

de

baja

velocidad

a

través

de

tuberías

fueron

realizados

independientemente en 1839 por el fisiólogo francés Jean Louis Marie U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

96

.


Poiseuille, que estaba interesado por las características del flujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de NavierStokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad. Este problema no se resolvió hasta 1883, cuando el ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberías. A velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente (flujo laminar), y los resultados experimentales coinciden con las predicciones analíticas. A velocidades más elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos (flujo turbulento), en una forma que ni siquiera en la actualidad se puede predecir completamente. Reynolds también determinó que la transición del flujo laminar al turbulento era función de un único parámetro, que desde entonces se conoce como número de Reynolds. Si el número de Reynolds —que carece de dimensiones y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido— es menor de 2.100, el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son más elevados suele ser turbulento. El concepto de número de Reynolds es


97

.


esencial para gran parte de la moderna mecánica de fluidos y se define por medio de la siguiente fórmula:

Donde: ρ: densidad del fluido vs: velocidad característica del fluido D: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema μ: viscosidad del fluido Según James A. Fay: "Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos"; gran parte de la investigación moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados.

FLUJOS DE LA CAPA LÍMITE. Antes de 1860, aproximadamente, el interés de la ingeniería por la mecánica de fluidos se limitaba casi exclusivamente al flujo del agua. El desarrollo de la industria química durante la última parte del siglo XIX dirigió la atención a otros líquidos y a los gases. El interés por la aerodinámica comenzó con los estudios del ingeniero aeronáutico alemán Otto Lilienthal en la última década del siglo XIX, y produjo avances importantes tras el primer vuelo con motor logrado por los inventores estadounidenses Orville y Wilbur Wright en 1903. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

98

.


La complejidad de los flujos viscosos, y en particular de los flujos turbulentos, restringió en gran medida los avances en la dinámica de fluidos hasta que el ingeniero alemán Ludwig Prandtl observó en 1904 que muchos flujos pueden separarse en dos regiones principales. La región próxima a la superficie está formada por una delgada capa límite donde se concentran los efectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemático. Fuera de esta capa límite, se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, y pueden emplearse las ecuaciones matemáticas más sencillas para flujos no viscosos. Para el autor J.K Vernard: "La teoría de la capa límite ha hecho posible gran parte del desarrollo de las alas de los aviones modernos y del diseño de turbinas de gas y compresores". El modelo de la capa límite no sólo permitió una formulación mucho más simplificada de las ecuaciones de Navier-Stokes en la región próxima a la superficie del cuerpo, sino que llevó a nuevos avances en la teoría del flujo de fluidos no viscosos, que pueden aplicarse fuera de la capa límite. Gran parte del desarrollo moderno de la mecánica de fluidos, posibilitado por el concepto de capa límite, se ha debido a investigadores como el ingeniero aeronáutico estadounidense de origen húngaro Theodore von Kármán, el matemático alemán Richard von Mises y el físico y meteorólogo británico Geoffrey Ingram Taylor.

FLUJOS COMPRESIBLES. El interés por los flujos compresibles comenzó con el desarrollo de las turbinas de vapor por el inventor británico Charles Algernon Parsons y el ingeniero sueco Carl Gustaf Patrik de Laval durante la década de 1880. En esos mecanismos se descubrió por primera vez el flujo rápido de vapor a través de tubos, y la necesidad de un diseño eficiente de turbinas llevó a una mejora del análisis de los flujos compresibles. Pero los avances modernos tuvieron que esperar al estímulo que supuso el desarrollo de la turbina de combustión y la propulsión a chorro en la década de 1930. El interés por los flujos de alta velocidad sobre superficies surgió de forma temprana en los estudios de balística, donde se necesitaba comprender el U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

99

.


movimiento de los proyectiles. Los avances más importantes comenzaron hacia el final del siglo XIX, con Prandtl y sus discípulos, entre otros, y crecieron con la introducción de los aviones de alta velocidad y los cohetes en la II Guerra Mundial. El autor Gareth Williamsindica lo fundamental de flujos compresibles: Uno de los principios básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas cambia cuando el gas se ve sometido a grandes cambios de velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura también cambia, lo que lleva a problemas de análisis más complejos. Frecuentemente se identifican los flujos supersónicos por su número de Mach, que es el cociente entre la velocidad de flujo y la velocidad del sonido. Por tanto, los flujos supersónicos tienen un número de Mach superior a 1. La aplicación de las ecuaciones de Euler en régimen permanente se simplifica si se integran. Con el objeto de establecer claramente las condiciones bajo las cuales esta ecuación es aplicable, se procedió a su deducción por dos caminos: el uso de coordenadas naturales y cartesianas. El teorema de Bernoulli explica la relación existente entre el aumento de velocidad en un flujo con una disminución de la presión y viceversa, locuaz proporciona una diferencia de presiones. El flujo turbulento es un escurrimiento desordenado que se produce al aumentar el número de Reynolds. Del flujo compresible se deduce que la densidad de un gas cambia cuando el gas esta sometido a grandes cambios de velocidad y presión. Para realizar cálculos acerca de la mecánica de fluidos es necesario analizar la situación de la cual se quieren realizar dichos cálculos. El análisis consta de leyes, procedimientos y conceptos que se tienen que conocer para realizar una estimación acertada de los cálculos a realizar. Podemos resumir los conceptos básicos: U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

100

.


El teorema de Bernoulli.Es la ley fundamental que rige el movimiento de los fluidos, relacionada con la velocidad y la presión del mismo. Flujos Viscosos.Por medio de experimentación se deduce las dos características del flujo viscoso: el movimiento laminar, que depende de las corrientes de flujo y el movimiento turbulento que se da por la velocidad del flujo. Flujos de capa limite. Propiedad de los fluidos descubierta por el alemán Ludwig Prandtl que menciona que los flujos pueden separarse en dos regiones principales. Flujos compresibles. Principio relacionado a los gases y sus propiedades como densidad, velocidad y presión. La ecuación de continuidad. La conservación de la masa de fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y A2) de un conducto (tubería) o tubo de corrienteindica que: la masa que entra es igual a la masa que sale. La ecuación de continuidad se puede expresar como: ρ1.A1.V1 = ρ2.A2.V2 Donde: ρ = densidad A = área transversal del tubo de corriente o conducto V = velocidad Cuando ρ1 = ρ2, que es el caso general tratándose de agua, y flujo en régimen permanente, se tiene:

o de otra manera:


101

.


(el caudal que entra es igual al que sale) Donde: • • •

Q = caudal (m3 / s) V = velocidad (m / s) A = área transversal del tubo de corriente o conducto (m2)

Se cumple cuando entre dos secciones de la conducción no se acumula masa, es decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo cual su densidad sea constante. Esta condición la satisfacen todos los líquidos y, particularmente, el agua.El Principio de Bernoulli, es la formulación, a lo largo de una línea de flujo, de la Ley de conservación de la energía. Para un fluido ideal, sin rozamiento, donde:

•

g = aceleración de la gravedad

•

ρ =densidad del fluido

•

P= presión

•

h = altura

•

v = velocidad

Se observa que los tres sumandos son, dimensionalmente, una longitud (o altura). En el caso de que el fluido sea real, para circular entre dos secciones de la conducción deberá vencer las resistencias debidas al rozamiento con las paredes interiores de la tubería, así como las que puedan producirse al atravesar zonas especiales como válvulas, ensanchamientos, codos, etc. Para vencer estas resistencias deberá emplear o perder una cierta cantidad de energía o, con la terminología derivada del Principio de Bernoulli de altura, que ahora se puede formular, entre las secciones 1 y 2: U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

102

.


Donde pérdidas (1,2) representa el sumando de las pérdidas continuas (por rozamiento contra las paredes) y las localizadas (al atravesar secciones especiales) Pérdidas continuas. Las pérdidas por rozamientos son función de la rugosidad del conducto, de la viscosidad del fluido, del régimen de funcionamiento (flujo laminar o flujo turbulento) y del caudal circulante, es decir de la velocidad (mientras hay más velocidad, hay más pérdidas). Si el flujo es turbulento (número de Reynoldsmayor a 4.000; 2000
7.5. TRANSFERENCIA DE CALOR. Los cuerpos, sometidos a la influencia de una fuente calórica, se calientan, es decir, absorben parte del calor transmitido.

También esos cuerpos, en función del material de que están

constituidos, no absorben ese calor de la misma forma e intensidad. El calor absorbido por el cuerpo lo recorre interiormente, desde la cara expuesta a la fuente calórica, hasta la cara opuesta. Es decir desde una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura. En este fenómeno, que se conoce con el nombre de conductividad térmica, vemos que no todo el calor absorbido por la cara expuesta llega hasta la opuesta. Esto lo podemos comprobar aplicando una mano sobre ambas caras, con lo cual sentiremos que la cara opuesta está más fría que la expuesta.


103

.


Esto significa que el cuerpo opuso cierta resistencia al paso del calor por su interior; este fenómeno se conoce como resistencia térmica del material. La propiedad de retener parte del calor absorbido e impedir su paso total de una cara a la otra del cuerpo, es la capacidad aislante al calor que posee el material. En un muro cualquiera de una construcción, el calor imperante en el exterior, pasará a través de su masa al interior del local, en la medida que su capacidad aislante lo permita. Si dentro de un ambiente debemos lograr un rango de confort determinado, en función de las normas mínimas de habitabilidad, habrá que diseñar el muro con materiales y espesores adecuados, de modo tal quese logre el máximo aislamiento. La transmitancia térmica, es decir, la propiedad de los cuerpos de dejar pasar calor a través de su masa, deberá entonces limitarse.

EL FENÓMENO DE TRANSFERENCIA. Se ha visto que cuando dos o más sistemas de temperaturas diferentes se ponen en comunicación entre sí a través de una pared diatérmana alcanzan el estado de equilibrio térmico. Este fenómeno se explica por el pasaje de energía calorífica de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura y se lo denomina transmisión de calor. En un sentido más amplio, este fenómeno se produce también entre las porciones de un mismo cuerpo

que se encuentran a diferentes

temperaturas y entre cuerpos que no estando en contacto se encuentran también a temperaturas diferentes. En este fenómeno el estado de agregación molecular es importante, ya que de acuerdo a como estén vinculadas estas moléculas, se presentarán tres formas de transmisión de calor: CONDUCCIÓN.

Esta

forma

de

transmisión


de

calor

se

manifiesta 104

.


principalmente en los cuerpos sólidos y se caracteriza por el pasaje del calor desde los puntos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura sin desplazamiento apreciable de materia.

La transmisión de calor puede

producirse de una parte a otra del mismo cuerpo o de un cuerpo a otro en contacto con él. Si ponemos la punta de una cuchara al fuego, momentos después el mango también se calienta.

Suponiendo que se tiene una barra con una punta que está al fuego y la otra no. A través de esta barra se va a transmitir el calor. ¿Cómo hace el calor para transmitirse desde la punta caliente hasta la punta fría?

Lo que hace el calor es ir pasando de molécula a molécula. Es decir, al calentar la parte izquierda las moléculas de ese lado se ponen a vibrar más rápido. Esas moléculas van golpeando a las que tienen a la derecha. De esa manera se va propagando el calor a toda la barra hacia la derecha.

Ley de Fourier Supongamos que tenemos una barra que tiene una longitud delta x y área A. Una punta de esta barra está caliente y la otra no. A través de la barra se va a ir transfiriendo un flujo de calor Q/t. Por ejemplo, si Q/t es 20 Kcal/seg, eso quiere decir que por cada segundo que pasa, están pasando por la barra 20 U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

105

.


Kilocalorías.

Este flujo de calor puede entenderse como si fuera el flujo de agua que está circulando por un caño. La fórmula que se usa para calcular la cantidad de calor por conducción es la ley de Fourier.

T − T2 Q = KA 1 t ∆x Siendo: Q/t:

Cantidad de calor transmitida por unidad de tiempo. Kcal/seg o en Joule/seg. Se debe recordar: 1 Kcal son 4186 Joule. 1 Joule/seg es 1 Watt, Así que el flujo de calor en realidad es la potencia transmitida.

A:

Área de la barra. Si se trata de una pared o una ventana, A pasa a ser el área de la pared o de la ventana. El área va en la fórmula en m2.

T1, T2: Temperaturas en los extremos de la barra. En °C. T1 –T2 es siempre positivo. ∆X:

Longitud de la barra o el espesor de la pared. En metros.

K:

Conductibilidad del material. Coeficiente que da una idea de con qué rapidez se transmite el calor en ese material.

K es distinto para cada substancia. Si K es grande, el objeto será buen conductor del calor (metales, por ejemplo). Las unidades del coeficiente de conductibilidad térmica son:

K=

Kcal m.s.º C


106

.


Ejemplo: Calcular la cantidad de calor que se transmite por unidad de tiempo a través de una ventana de 2 m2 de superficie y espesor 0,5 cm. Temperatura interior: 20 °C. Temperatura exterior: 5 °C. Conductibilidad del vidrio: k = 2,5 x 10 -4 kcal / m.s.°C Haciendo un esquema:

Por la ley de Fourier:

Q Kcal ( 20º C − 5º C ) = 2.5 x10 −4 2m 2 t ms º C 0.005m

CONVECCIÓN.

Q Kcal = 1.5 t s

Esta forma se manifiesta en los líquidos y gases

que

alcanzan el equilibrio térmico como consecuencia del desplazamiento de materia que provoca la mezcla de las porciones del fluido que se encuentran a diferentes temperaturas.

La convección será natural cuando el movimiento

del fluido se debe a diferencias de densidad que resultan de las diferencias de temperatura. La convección será forzada cuando el movimiento es provocado por medios mecánicos,

por ejemplo mediante un agitador en los líquidos o un ventilador

en los gases. Si ponemos una olla al fuego, el líquido de abajo se calienta y empieza a subir. A su vez, el líquido de arriba que está más frío empieza a bajar. Así se crea U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

107

.


una corriente de líquido que se va moviendo. Se llaman corrientes de convección.

RADIACIÓN. Es la forma de transmisión en la que el calor pasa de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura sin que entre ellos exista un vínculo material. Esto indica que el calor se transmite en el vacío, en forma de ondas electromagnéticas denominadas comúnmente radiación o energía radiante. Hay un fenómeno raro que ocurre cuando el calor del Sol llega a laTierra. Se dice raro porque entre la Tierra y el Sol no hay nada. (Hay espacio vacío). Entonces… ¿Cómo hace el calor para viajar por el espacio vacío?, lo hace por medio de ondas. Estas ondas son radiación y no necesitan que haya substancia de por medio para propagarse. La radiación puede viajar en el vacío o en el aire.

Suponiendo que una de esas estufas eléctricas que tienen resistencias se ponen al rojo. El calor que llega en este tipo de estufas es por radiación. Cualquier cuerpo que esté caliente emite radiación. Mientras más caliente está, más radiación emite. Radiación neta emitida Un cuerpo puede emitecalor NETO; pero por otro lado también puede absorber U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

108

.


calor que radia el medio ambiente que está a otra temperatura. (Por ejemplo, las paredes cercanas allugar donde se encuentra dicho cuerpo).

Si bien para facilitar el fenómeno de transmisión se ha separado el fenómeno en tres formas diferentes, en la naturaleza el calor generalmente se transmite en dos o tres formas simultáneamente. Es decir que la conducción puede incluir también convección y radiación y los problemas de convección incluyen a la conducción y a la radiación.


109

.


VIII. EVAPORACIÓN

EVAPORACIÓN. Es un proceso por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, este proceso se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada

es

la

temperatura. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. La evaporación es rara pero importante e indispensable en la vida cuando se trata del agua, que se transforma en nube y vuelve en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío.

Cuando existe un espacio libre encima de un líquido caliente, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual no depende de la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación. Vista como una operación unitaria, la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución líquida para así obtener una


110

.


solución concentrada. En la gran mayoría de los casos, la evaporación se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. Aplicaciones Típicas de Evaporación: •

Concentración de producto

•

Pre-concentración de la alimentación al secador

•

Reducción de volumen

•

Recuperación de agua o solvente

•

Cristalización

La concentración de un producto se hace a través de los evaporadores •

El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil (como los componentes sólidos de la leche) y un disolvente volátil (el agua de la leche que se evapora).

•

En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada.

En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada.


111

.



112

.


4. EVAPORADOR DE SIMPLE EFECTO

EVAPORADOR DE MÚLTIPLE EFECTO


113

.


CARACTERISTICAS DEL LÍQUIDO DE LOS EVAPORADORES. La solución práctica a un problema de evaporaciónestá profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de características de dichos líquidos (que demandacriterio y experiencia en el diseño y operación de evaporadores) Acontinuación se comentan algunas de las propiedades más importantes de loslíquidos que se evaporan. Concentración. Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedadesfísicas del agua, a medida que aumenta la concentración la disolución adquierecada vez un carácter cada vez más propio. La densidad y la viscosidad aumentancon el contenido de sólido hasta que la disolución o bien se transforma ensaturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor adecuada. Laebullición continuada de una disolución saturada da lugar a la formación decristales, que es preciso separar pues de lo contrario obstruyen los tubos. Latemperatura de ebullición de la disolución puede también aumentar considerablemente al aumentar el contenido de sólido. Formación de espuma. Algunos materiales, especialmente sustancias orgánicas,forman espuma durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vaporque sale del evaporador dando lugar a importantespérdidas. En casos extremosla masa de líquido puede salir con el vapor y perderse. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

114

.


Sensibilidad

a

la

temperatura.

Muchos

productos

químicos

finos,

productosfarmacéuticos y alimentos se dañan cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos materiales se necesitan técnicas especiales para reducir tanto la temperatura el líquidocomo el tiempo de calentamiento. Formación de

costras. Algunas diluciones depositan costras sobre las

superficies de calefacción. En estos casos es preciso interrumpir la operación ylimpiar los tubos. Cuando las costras son duras e insolubles, la limpieza resultadifícil y costosa.

Esta operación es utilizada en la fabricación de azúcar, de la leche evaporada, productos químicos, minerales y polímeros. También se puede procesar una gran variedad de materiales incluyendo polvos, masas, gránulos, hojuelas, pastas,entre otros.


115

.


IX. REFRIGERACIÓN MECÁNICA

La refrigeración mecánica es el cambio de estado físico del refrigerante en un sistema termodinámico cerrado, utilizando medios mecánicos. Los cinco principales componentes de un sistema de refrigeración son: 1. Compresor 2. Condensador 3. Elemento restrictor (tubo capilar ó válvula termostática de expansión). 4. Evaporador 5. Refrigerante U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

116

.


CICLO DE REFRIGERACIÓN MECÁNICA.

1. El refrigerante en estado gaseoso es extraído por el compresor desde el evaporador. 2. Es comprimido y descargado a alta presión y con alta temperatura en el serpentín condensador, donde las moléculas de refrigerante son aglutinadas y forzadas por la alta presión a unirse. 3. La alta cantidad de calor contenida en ellas trata de balancearse con el nivel de energía del medio condensante

(normalmente el aire a temperatura

ambiente) en la parte externa del tubo serpentín (segunda ley de la termodinámica). 4. Una vez el refrigerante libera calor latente suficiente para pasar de gas a líquido (se condensa) el líquido se almacena normalmente en el último cuarto del serpentín condensador. 5. Un subenfriamiento es realizado en el último tubo del serpentín (Una vez líquido se le retira un poco más de calor sensible), depende del buen diseño del sistema condensador. 6. El refrigerante en estado líquido con alta presión es forzado a pasar al elemento restrictor.


117

.


7. El elemento restrictorenfrenta la alta presión del líquido refrigerante condensado y subenfriado hasta una presión 10 veces menor a la de condensado 8. Sale del elemento restrictor haciendo que el líquido se fraccione en forma de rocío a muy alta velocidad y baja presión, 9. Nuevamente la cantidad de energía externa con la interna del refrigerante es relativamente alta y como la presión es relativamente baja y el nivel de calor contenido en las paredes del tubo serpentín evaporador es alta las moléculas

absorben calor (el refrigerante cambia de estado líquido a

gaseoso). 10. El calor del medio ambiente a refrigerar en el lado externo del tubo serpentín evaporador se transfiere al refrigerante (se crea la refrigeración). 11. Al final del evaporador un pequeño sobre calentamiento (aumento de calor sensible en el refrigerante) es importante para evitar que llegue líquido al compresor y pueda dañarlo (ya que los líquidos son casi incompresibles). Nuevamente el ciclo es iniciado por la succión del compresor. (Ver paso 1).

Muchas industrias utilizan el sistema de refrigeración y congelado de alimentos a fin de conservar la materia prima, los productos en proceso y el producto final, por ejemplo la fabricación de queso, yogurt, leche, conservas de fruta, conservas y congelado de pescado, entre muchas otras.

X.

SECADO

Definición:La operación de secado es una operación de transferencia de masa contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa. Cantidad de humedad de los sólidos:El contenido de humedad de un producto puede expresarse sobre la base del peso de la muestra seca CONTENIDO DE HUMEDAD (Moist Content) M.C. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

118

.


peso de agua en la muestra %MC= ------------------------------------ x 100 Peso de la muestra seca

- Sólidos granulados, cristalinos o no porosos: En los sólidos cristalinos el agua se encuentra retenida a poca profundidad y en superficie de los poros abiertos, así, como en los espacios intersticiales entre partículas que es fácilmente accesible a la superficie. Pertenecen a esta categoría los siguientes materiales: Sulfato de calcio, óxido de zinc, oxido de magnesio. - Sólidos amorfos o porosos: En los sólidos amorfos (sin forma), la humedad es una parte integral de la estructura molecular, el agua está físicamente retenida en los finos capilares y pequeños poros interiores. Estos materiales son de estructura fibrosa, amorfa, o gelatinosa; más o menos difícil de secar. Pertenecen a esta categoría: el almidón, caseína, insulina, materiales gelatinosos como hidróxido de aluminio, entre otros

10.1 SECADORES:

1)

EQUIPOS DE SECADO:

A) Secadores para sólidos y pastas:

- Secadores de platos perforados:Estos secadoresson convenientes cuando la velocidad de producción es pequeña. Prácticamente pueden secar cualquier producto. Con frecuencia, se utilizan en el secado de materiales importantes tales como colorantes y productos farmacéuticos. El secado por U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

119

.


circulación de aire sobre capas fijas de sólidos es lento y, por lo tanto, los ciclos de secado son largos; de 3 a 48 horas por carga. Los secadores por platos perforados pueden operar al vacío, casi siempre con calentamiento indirecto. Los platos se sitúan sobre placas metálicas huecas que se calientan con vapor de agua o con agua caliente o bien los mismos platos están provistos de espacios para un complemento fluido. El vapor que sale del solido se retira mediante un eyector o bomba de vacío. - Secadores de tamices transportadores. Operan de forma continua y

suave con una gran variedad de sólidos; en su coste es razonable, y el consumo de vapor de agua es bajo, siendo típico el valor de 2lb de vapor de agua por lb. de agua evaporada. El aire puede circular desde una sección a otra en contracorriente con el sólido. - Secadores de Torre.Contiene una serie de bandejas dispuestas unas

encima de otras sobre un eje central rotatorio. La alimentación de sólidos se introduce sobre la bandeja superior y está expuesta a una corriente de aire o gas caliente que pasa sobre la bandeja. El sólido es después descargado por medio de una rasqueta y pasa a la bandeja inmediatamente inferior. De esta forma va circulando a través del secadero, descargando el producto seco por el fondo de la torre. Los flujos de gas y de sólido pueden ser en corrientes paralelas o en contracorriente. Los ventiladores de turbina hacen circular el aire o el gas hacia fuera entre algunas bandejas, pasando sobre los elementos de calefacción, y hacia dentro entre otras bandejas. Las velocidades del gas son generalmente de 2 a 8 pies/s. El aire precalentado generalmente se introduce por el fondo de la torre y se expulsa por la parte superior, dando lugar a flujo en contracorriente. - Secadores rotatorios.Consiste en una carcasa cilíndrica giratoria, dispuesta

horizontalmente o ligeramente inclinada hacia la salida. Al girar la carcasa, unas pestañas levantan los sólidos para caer después en forma de lluvia a través del interior de las carcasas. La alimentación entra por un extremo del cilindro y el producto seco descarga por el otro. Los secadores rotatorios se U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

120

.


calientan por contacto directo del gas con los sólidos, por gas caliente que pasa a través de un encadenamiento externo, o por medio de vapor de agua que condensa. En un secadero rotatorio directo-indirecto el gas caliente pasa primeramente a través del encamisado y luego a través de la carcasa, donde se pone en contacto con los sólidos. Los secaderos rotatorios de este tipo se utilizan con frecuencia para los procesos industriales de fabricación de sal, azúcar y todo tipo de materiales granulares y cristalinos que han de mantenerse limpios y que no se pueden exponer directamente a gases de combustión muy calientes. - Secadores de tornillo transportador. Es un secadero continuo de

calentamiento indirecto, que consiste en un transportador horizontal de tornillo (o un transportador de palas) confinado dentro de una carcasa cilíndrica encamisada. La alimentación de sólido entra por el otro extremo. El vapor que se desprende se retira a través de una serie de tuberías situadas en la parte superior de la carcasa. Con frecuencia el sólido seco, antes de su descarga, es enfriado con agua u otro refrigerante que circula por el encamisado.Los secaderos de tornillo transportador normalmente tratan sólidos que son demasiado finos y demasiado espesos.

- Secadores de lecho fluidizado. Las partículas se fluidizan con aire o con

gas en una unidad de lecho hirviente. La mezcla y la transmisión de calor son muy rápidas. La alimentación húmeda se introduce por la parte superior del lecho y el producto seco se retira lateralmente cerca del fondo. Algunos secaderos de lecho fluidizado poseen compartimientos fluidizados separados, a través de los cuales pasan secuencialmente los sólidos desde la entrada hasta la salida. - Secadores Flash. En un secadero flash se transporta un sólido húmedo

pulverizado durante pocos segundos en una corriente de gas caliente. El secado tiene lugar durante el transporte. La velocidad de transmisión de calor desde el gas hacia las partículas de sólido suspendido es elevada y el


121

.


secado es rápido, de forma que son se requieren más de 3 o 4 segundos para evaporar toda la humedad del sólido. B)

Secadores para diluciones y suspensiones:

Algunos secaderos evaporan completamente disoluciones y suspensiones hasta sequedad por medios térmicos. Ejemplo de estos son los secadores de pulverización, los secaderos de película delgada y secadera de tambor. - Secadores de pulverización. En un secadero de pulverización se dispersa una disolución o suspensión en una corriente de gas caliente formando una niebla de gotas finas. La humedad es rápidamente evaporada de las gotitas para formar partículas residuales de sólido seco que después se separan de la corriente gaseosa. Los flujos de gas y líquido pueden ser en corrientes paralelas, en contracorriente o una combinación de ambos en una misma unidad. Las gotitas se forman en una cámara cilíndrica de secado por la acción de boquillas de presión, boquillas de dos fluidos o en, secaderos de gran tamaño, por medio de discos de pulverización que giran a gran velocidad. En todos los casos es necesario conseguir que las gotitas o partículas húmedas de sólido choquen con superficies sólidas antes de que el secado tenga lugar, por lo cual la cámara de secado ha de ser necesariamente grande. Las principales ventajas de los secaderos de pulverización son el corto tiempo de secado, que permite el secado de materiales altamente sensibles al calor, y la producción de partículas esféricas huecas. Se utiliza para secar ciertos alimentos o detergentes sólidos.

- Secadores de película delgada. En algunos casos pueden competir con los secaderos de pulverización, pueden aceptar una alimentación líquida o una suspensión para dar lugar a un producto sólido que fluye libremente. Generalmente se construyen en dos secciones; la primera de ellas es un secadero-agitador vertical. Aquí la mayor parte del líquido se separa de la U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

122

.


alimentación, y el sólido parcialmente húmedo descarga en la segunda sección, donde se produce un mayor secado. La eficacia térmica de los secaderos de la película delgada es elevada y se produce poca pérdida de sólidos ya que poco o nada de gas se retira de la unidad. Son útiles para separar y recuperar disolventes de productos sólidos. - Secadores de tambor. Un secadero de tambor consiste en uno o más rodillos metálicos calentados, en cuya superficie exterior se evapora hasta sequedad una delgada capa de líquido. El sólido seco es retirado de los rodillos a medida que estos giran lentamente. El líquido de alimentación queda confinado en la parte superior de los rodillos. El calor es transmitido por conducción hacia el líquido que es parcialmente concentrado en que hay entre los rodillos. El líquido concentrado desciende formando una capa viscosa que recubre el resto de la superficie de los tambores, dejando una delgada capa de material seco que es retirado mediante cuchillas rascadoras y cae en los transportadores situados debajo. La humedad evaporada se recoge a través de la campana que está encima de los tambores.

Los secaderos de doble tambor son eficaces para disoluciones diluidas, disoluciones concentradas de materiales muy solubles, así como para suspensiones de partículas relativamente finas.

2) MÉTODOS ESPECIALIZADOS DE SECADO. • POR ASPERSIÓN:El secado por aspersión, pulverización o "spray drying"

se utiliza desde principios del siglo XX. Aunque existen patentes para el SA de huevos y leche desde 1850. En estos sistemas la transformación tiene lugar mediante una única operación de una alimentación líquida (solución, suspensión o emulsión) en un producto seco en polvo. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

123

.


La alimentación es atomizada mediante un disco giratorio o boquillas de aspersión, donde la nube de gotas formada entra en contacto directo y por poco tiempo con una corriente de aire caliente; en consecuencia, se presente una rápida evaporación que mantiene bajas temperaturas en las gotas atomizadas, favoreciendo la aplicación de altas temperaturas en el aire de secado sin afectar las características del producto.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ATOMIZACIÓN. Los elementos de un secador de este tipo son: − Unidad de concentración. − Atomizador. − Cámara de secado. − Sistema de manejo de aire. − Sistema de separación. − Sistema de transporte y enfriamiento. La unidad de concentración es un evaporador que lleve el producto hasta concentraciones entre 30 y 55% de sólidos.

El atomizador puede usar energía de presión (toberas de presión), energía cinética (toberas de dos fluidos o atomización neumática) o energía centrífuga (discos rotativos). En cualquier caso se busca crear la máxima superficie posible para la evaporación con un tamaño de gota lo mas homogéneo posible.


124

.


La cámara de secado más común es de tipo cilíndrico con un cono inferior que hace un ángulo con la vertical entre 40 y 60º para que pueda ser retirado de allí el polvo por gravedad. Esta unidad está aislada térmicamente para reducir pérdidas energéticas. Su tamaño varía desde unos metros hasta 30 metros de altura en las unidades más grandes. Típicamente, el aire utilizado en la operación tiene temperaturas de entrada entre 100 y 300ºC .Para alimentos termoestables como el café pueden usarse hasta 250ºC mientras que para materiales delicados como leche o huevos pueden manejarse 100ºC o menos. Las temperaturas de salida del aire oscilan entre 50º y 100ºC. El calentamiento del aire se hace por métodos indirectos (vapor, gas o aceite como medios calefactores) o directo (gas o electricidad) y presenta distribuciones como las que se muestran en la figura anterior. TIPOS DE SECADORES DE UN SISTEMA DE ATOMIZACIÓN: Co-corriente:El aire de secado y las partículas del producto se mueven en la misma dirección dentro de la cámara de secado. Las temperaturas en la descarga de producto del secador son más bajas que las del aire de salida, por ende este proceso es ideal para el secado de productos termo sensibles.

Contra Corriente:El aire de secado y las partículas de producto se mueven en direcciones opuestas. Este modo es apto para productos que requieren temperatura o tratamiento térmico durante el secado. Las temperaturas en la


125

.


descarga de producto del secador son usualmente más altas que las del aire de salida.

Flujo mixto:Las partículas dentro de la cámara de secado experimentan las fases de secado en co-corriente y contra corriente. Este proceso es apto para producto térmicamente estables donde se busquen polvos gruesos secados con boquillas, atomizando en fuente hacia el aire de secado o en el caso de productos termo sensibles donde se atomiza hacia un lecho fluidizado integrado, donde tanto la entrada como la salida están ubicados en la parte superior de la cámara de secado.

VENTAJAS DEL SECADO POR ATOMIZACIÓN:Entre las principales ventajas del secado por atomización se tienen:


126

.


- Producción masiva y continúa. - Condiciones asépticas. - Estandarización del proceso y el producto. - Amplia gama de productos a secar. - Fácil dosificación en procesos industriales. - El producto no requiere de otro proceso y su presentación queda lista para vender. - Proceso limpio. - Equipo fácil de manejar. - Secado rápido (tiempo de residencia del producto entre 10 y 30 s.). - Ahorro energético. - Muy poca variación en las propiedades organolépticas. - El proceso permite encapsulación • POR LIOFILIZACIÓN:Es un proceso de secado mediante sublimación (paso

directo de sólido a gas) que se ha desarrollado con el fin de reducir las pérdidas de los compuestos responsables del sabor y el aroma en los medicamentos, los cuales se afectan en gran medida durante los procesos convencionales de secado. La liofilización involucra varias etapas: - Congelación

(y

acondicionamiento

en

algunos

casos)

a

bajas

temperaturas. - Cada producto debe congelarse de una manera tal que garantice que sufrirá pocas alteraciones en el proceso posterior de sublimación. - Secado por sublimación del hielo (o del solvente congelado) del producto congelado, generalmente a muy baja presión y al vacío. - Almacenamiento del producto seco en condiciones controladas. Generalmente, al liofilizar adecuadamente un material se puede almacenar por períodos muy largos con reducciones muy bajas de sus características organolépticas, físicas, químicas y biológicas.


127

.


Cuando se realiza el secado mediante la liofilización se distinguen tres fases o etapas Las tres fases que se distinguen son:

Fase 1: Llamada etapa conductiva. Inicialmente, por el calentamiento de la muestra, la velocidad de sublimación crece rápidamente hasta llegar a un máximo. El tiempo para agotar esta fase es relativamente corto; en ella se lleva a cabo la mayor parte de remoción de agua del producto (entre un 7590%), siendo el mecanismo preponderante la transferencia de calor por conducción. Fase 2: Primera etapa difusiva. Muestra un descenso importante de la velocidad de sublimación debido a la formación de una capa porosa de material seco que opone resistencia creciente al flujo de calor y al vapor a medida que procede el secado. Fase 3: Segunda etapa difusiva. La velocidad de sublimación continúa decreciendo de forma que se aproxima a cero. Esto debido a que el calor necesario para retirar el agua ligada es más alto que el calor de sublimación. Es posible en esta etapa aumentar la temperatura de calefacción y del producto hasta aproximadamente 50ºC, dependiendo del material que se trate.

El espesor es importante: mientras este es más delgado hay menor resistencia para que el flujo de calor y masa pase a través de la muestra. La transferencia de calor se hace por conducción - convección gaseosa y radiación (o una combinación de ambos mecanismos) siendo esta última la preponderante cuando se opera a muy baja presión. La mayor desventaja del proceso de liofilización es el costo de energía y el tiempo empleado en el proceso de secado.

Aspectos tecnológicos


128

.


En los sistemas de liofilización el material congelado es colocado en bandejas. Se da lugar al inicio de vacío en una cámara hermética comenzando así la sublimación del hielo y el flujo de vapor pasa a través de la cámara al condensador. El calor es suministrado a través de platos o placas calefactoras, por conducción o radiación.

Sistema básico de Liofilización

XI. MEZCLADO

El mezclado es una

operación

unitaria donde también se utiliza diversos

equipos de acuerdo al tipo de producto. Se dice a veces que solo el consumo de energía eléctrica de un mezclador proporciona una medida real del grado en que se ha completado una mezcla, porque se necesita una cantidad definida de trabajo para mezclar las partículas del material dentro del recipiente que lo contiene. Con todo, esto nunca es verdad en la práctica, debido a las interferencias imposibles de evaluar, tales como corrientes transversales, U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

129

.


corrientes parásitas, que se establecen, (incluso en las mezcla de plásticos y sólidos) dentro del recipiente.

TIPOS DE MEZCLADORES. Para diseñar o proyectar bien un mezclador hay que tener en cuenta no solo el elemento mezclador sino también la forma del recipiente y el tipo de productos que se van a mezclar. Un elemento mezclador muy bueno puede resultar inútil en un recipiente inadecuado. Además, no debe perderse de vista el resultado exacto que se quiere alcanzar, de modo que pueda obtenerse una mezcla ampliamente suficiente para conseguir dicho resultado. El número de dispositivos utilizados para mezclar materiales es muy grande, y muchos de ellos no se distinguen por su perfección. Los mezcladores se agrupan en diversas clasificaciones como por ejemplo mezcladores de flujos o corrientes; de paletas o brazos; de hélices entre otras.

a.

Mezcladores de corrientes:

En este tipo de mezclador, se introducen los materiales casi siempre por medio de una bomba y la mezcla se produce por interferencia de sus flujos corrientes. Rara vez se usan para mezclar dos fases, cuando se desea una gran intimidad. La “turbulencia” no es necesariamente una mezcla satisfactoria. Mezcladores de Chorro: Estos, entre los cuales están los sopletes oxhídricos, se basan en el choque de un chorro contra otro, generalmente ambos a presión. Este tipo de mezclador se emplea a veces para líquidos, pero su mayor aplicación es la mezcla de combustibles gaseosos antes de inflamarlos. Inyectores:

consisten en un tubo principal, y en otro tubo, un surtidor, una

tobera o un orificio auxiliar por el que se inyecta un segundo ingrediente en la corriente principal. Este tipo de mezclador, sencillo y poco costoso, se emplea mucho para mezclar, en cualesquiera proporciones, gases con gases, gases con líquidos, y líquidos con líquidos. El principal ingrediente pude ser un gas o


130

.


un líquido. En algunos casos la velocidad de la corriente en la tubería principal induce la circulación del material en la tubería auxiliar.

Sistemas de circulación mixta: Entre los cuales están los elevadores de agua por aire comprimido, los tubos “vomit” (vomitadores), los tubos de tiro largos y las bombas exteriores de circulación, suelen emplearse

para producir una

renovación lenta del contenido de grandes depósitos de líquidos por medio de aparatos mezcladores relativamente pequeños.

Bombas centrífugas: A veces se emplean éstas sin recirculación para mezclar líquidos previamente medidos y a menudo resultan útiles cuando solo de desea obtener una mixtura. El tiempo de “retención” suele ser menor de un segundo, que solamente es suficiente para que se produzcan reacciones instantáneas entre materiales inmiscibles.

b.

Mezclador de Paletas o Brazos:

Este es, probablemente el tipo más antiguo de mezclador y consiste en esencia en una o varias paletas horizontales, verticales o inclinadas unidas a un eje horizontal, vertical o inclinado que gira axialmente dentro del recipiente (aunque no siempre está centrado con éste). De esta manera el material que se mezcla es empujado o arrastrado alrededor del recipiente siguiendo una trayectoria circular. Cuando se trata de líquidos pocos espesos en recipientes sin placas desviadoras, las paletas imprimen siempre un movimiento de remolino a todo el contenido del recipiente.


131

.


Los mezcladores de paletas o brazos se emplean más que los de ningún otro tipo, porque 1) son los más antiguos, los más conocidos y los primeros en que se piensa; 2) son a menudo de construcción casera; 3) el costo inicial es por lo general muy bajo; 4) y, sobre todo, muy buen resultado en muchas clases de trabajos.

Por ejemplo, para la mezcla o amasadura de pastas espesas o

plásticas es indispensable el tipo de mezclador de brazos. Mezclador de rastrillo: Es una modificación del de paletas rectas. Paletas con lengüetas o dedos fijos intercalados: Puede ser horizontal o vertical.

Éste tipo se usa también para mezclar líquidos densos, pastas y

amasados, como pinturas, pastas de almidón y colas, y en este caso las paletas fijas facilitan el estirado, el corte y el doblado de los materiales, y por consiguiente, su mezcla. También se utiliza en la fabricación del queso en Europa. Paletas de doble movimiento: Se utiliza mucho para los materiales pastosos, como los adhesivos, las grasas y los cosméticos, y también para la confección de helados. Dos grupos de paletas giran en direcciones opuestas. El barrido más exterior se realiza a menudo con rascadores que mantienen limpias las paredes de recipiente.


132

.


Batidor o emulsificador: Un ejemplo familiar de este tipo de mezclador es el batidor de huevos. El dispositivo, cualquiera que sea su forma, funciona siempre a gran velocidad debido al efecto de batido real de los dos fluidos se produce una fina división, o emulsión. Frecuentemente tiene dos rejillas que se entreveran y giran en sentidos opuestos. Se usa mucho para la preparación de la crema batida (líquido y gas), la mayonesa (líquidos inmiscibles), etc.

c.

Mezcladores de Hélices, incluidos algunos de tipo helicoidal:

Dan un medio poco costoso, sencillo y compacto, para mezclar materiales en un gran número de casos. Su acción mezcladora se deriva de que sus aletas helicoidales al girar empujan constantemente hacia delante. Hélice con ejes vertical: Estos mezcladores se usan en combinaciones de una, dos o más hélices sobre un mismo eje. El empuje de las hélices puede ser totalmente ascendente, descendente o bien de doble efecto, o sea ascendente y descendente; este último es el más conveniente para recipientes pequeños.

d.

Mezcladores de Turbina o de impulsor centrífugo:

Todo el contenido del recipiente se mantiene en movimiento muy vigoroso y perfectamente dirigido. Estos mezcladores son útiles para mezclar líquidos viscosos o lodos espesos, suspender sólidos pesados, efectuar disoluciones rápidas y realizar buenas dispersiones.

e.

Mezclador de Tambor:

Es sencillo pero útil. Consiste en un recipiente cilíndrico montado sobre un eje horizontal y que gira con él. Haciendo girar el cilindro o tambor se mezcla el contenido. Se usa mucho para mezclar polvos y hormigón o concreto. f.

Tipos Diversos


133

.


El molino coloidal: Se usa cuando es necesario producir dispersiones sumamente finas. Casi todos los molinos coloidales se basan en el mismo principio, aunque pueden diferir en los detalles de su construcción El material se somete a un intenso esfuerzo cortante y a una vigorosa fuerza centrífuga, y esta combinación produce excelentes dispersiones. El homogenizador se usa para dividir las grasas en las mezclas destinadas a la fabricación de helados, en la leche evaporada y otros productos alimenticios, y también para la fabricación de emulsiones. No puede utilizarse con materiales que produzcan un efecto abrasivo. Rotator: Este tipo se emplea hoy mucho cuando se necesita una rápida transmisión de calor, además de un producto acabado suave, corrientemente de alta consistencia, como en la parafina, manteca de cerdo, helados, esta máquina de construcción precisa consiste en un tubo con camisa, dentro del cual gira a gran velocidad un eje con rastrillos

XII.COMBUSTIÓN U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

134

.


DEFINICIÓN Es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido Carbón, Madera, etc., un líquido (Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el COMBURENTE, Oxígeno. La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser un proceso de oxidación rápida y con presencia de llama; a su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápida (detonaciones, y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama estable. Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores: - COMBUSTIBLE. - COMBURENTE. - ENERGÍA DE ACTIVACIÓN.

El triángulo de la combustión

Estos tres factores se representan en el denominado triángulo de combustión, en el cual si falta alguno de los vértices la combustión no puede llevarse a cabo. El comburente universal es el oxígeno, por lo que en la práctica se utiliza el aire como comburente, ya que está compuesto, prácticamente, por 21% Oxígeno (O2) y 79%

nitrógeno (N2); únicamente en casos especiales se utilizan

atmósferas enriquecidas en oxígeno e incluso oxígeno puro (por ejemplo en U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

135

.


soldadura). La energía de activación es el elemento desencadenante de la reacción de combustión; en los quemadores habitualmente suele obtenerse mediante una chispa eléctrica entre dos electrodos. La mayoría de los combustibles, al margen de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, están compuestos, básicamente, por Carbono (C) e Hidrógeno (H); además

de estos componentes principales tienen otros como Azufre (S),

Humedad (H2O), Cenizas, etc. En primer lugar se analiza la combustión desde el punto de vista de sus componentes fundamentales (C, H); Las reacciones de combustión son: C + O2 CO2 + Calor (28,09 kWh/kgCO2) 2 H2 + O2

2 H2O + Calor (39,47 kWh/kgH2)

TIPOS DE COMBUSTIÓN • COMBUSTIÓN INCOMPLETA. Los componentes del combustible no se

oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son CO y H 2; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc. • COMBUSTIÓN ESTEQUIOMÉTRICA.Es la Combustión Completa realizada

con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible. PODER COMBURÍVORO. Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (T° =0°C y P=1atm), mínima necesaria para la combustión completa de la unidad de combustible. La combustión puede ser clasificada en:


136

.


• COMBUSTIÓN CON DEFECTO DE AIRE.La cantidad de aire utilizada no

contiene

el

oxígeno

necesario

para

oxidar

completamente

a

los

componentes del combustible. Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO2) y Agua (H2O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno (H2); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos. El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q1 < Q). Se utiliza en calentar a los humos y éstos aumentan con el exceso de aire; por todo ello, en la práctica se buscan combustiones completas con los menores excesos de aire posibles; esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que intervienen en la combustión (líneas de combustible, quemadores, calderas y chimeneas) y un correcto mantenimiento. En la combustión, por la oxidación del hidrógeno, se forma agua; además, los combustibles pueden tener un cierto grado de humedad en su composición; dependiendo del estado en que aparezca el agua en los humos. • COMBUSTIÓN CON EXCESO DE AIRE.En este caso la cantidad de aire

aportada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser completa o incompleta. • COMBUSTIÓN INCOMPLETA. La cantidad de aire utilizada es superior a la

correspondiente a la combustión

estequiométrica, pero a pesar de ello,

debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente.

CxHy + n 1 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q2) U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

137

.


Respecto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la

combustión también se tiene oxígeno; en casos extremos en los

humos puede haber carbono y combustible sin quemar. El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q2< Q). La combustión estequiométrica prácticamente es irrealizable, lo que obliga a operar con excesos de aire con el fin de lograr combustiones completas. • COMBUSTIÓN COMPLETA. El calor generado (Q) es el correspondiente a

la combustión completa, el cual es independiente del exceso de aire, pero el aprovechamiento de este calor es tanto menor cuanto mayor es el exceso de aire con el que se trabaja, ya que una parte del calor de la combustión se utiliza en calentar a los humos y éstos aumentan con el exceso de aire; por todo ello, en la práctica se buscan combustiones completas con los menores excesos de aire posibles; esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que intervienen en la combustible,

quemadores,

calderas

y

combustión (líneas de

chimeneas)

y

un

correcto

mantenimiento. Para obtener una correcta combustión debe lograrse una buena mezcla del combustible con el aire; en este sentido los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de mezcla que los líquidos y éstos a su vez más que los sólidos; por este motivo pueden obtenerse menores excesos de aire con los combustibles gaseosos. COMBUSTIÓN Y CONTAMINACIÓN AMBIENTAL. A la hora de seleccionar el combustible y de optimizar el proceso de combustión se deben considerar aspectos relacionados con la emisión de agentes contaminantes. Las normas actuales restringen estas emisiones, y de hecho uno de los factores mas importantes en el diseño de dispositivos de combustión en la actualidad reside en el control de emisiones contaminantes. Estas emisiones tienen diversos efectos perniciosos: U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

138

.


- Afectan al equilibrio de la atmósfera terrestre: efecto invernadero, desaparición de la capa de ozono, alteración de la meteorología, etc. - Afectan a la salud humana - Afectan a la vida animal y vegetal - Ensucian y deterioran los materiales: edificios, vehículos, etc. Con relación a los hidrocarburos como combustibles, las principales causas de contaminación son:

CONTAMINACIÓN DEBIDA AL CARBONO. La combustión completa del carbono produce CO2 que es el principal contribuyente al efecto invernadero. Este componente es una consecuencia inevitable de la combustión. Si la combustión del carbono no es completa se produce CO, gas tóxico que en concentraciones elevadas puede provocar incluso la muerte, por lo que se debe evitar al máximo. La mejor forma de reducir el efecto de estos agentes es la de tratar de conseguir combustiones completas que no produzcan CO, y la de obtener los mayores rendimientos de combustión de modo que se consuma el mínimo combustible necesario, produciendo así la menor cantidad de CO2; otra manera es seleccionar combustibles con menor producción de CO2 para la misma energía, el mejor en este aspecto es el Gas Natural.


139

.


FACTORES QUE AFECTAN LA GENERACIÓN DE CO.Los factores que afectan al funcionamiento de la combustión, pudiendo obtener comoresultado una excesiva producción de CO, son los siguientes:

Mala combustión por anomalías en el aparato de gas. • Exceso de potencia del aparato: exceso de consumo de gas de una aparato, malregulado, que ocasiona un exceso de volumen de productos de la combustión, unincremento de la temperatura de los mismos, y que puede ocasionar un aumento delnivel de CO en los productos de la combustión. • Suciedad en el quemador o en los conductos de mezcla aire-gas. • Suciedad en el intercambiador. • Defecto de aire primario en la mezcla gas-aire. • Defecto de aire secundario en la combustión.


140

.


XIII. OXIDACIÓN

Expresado de una manera muy general, diremos que la oxidación ocurre cuando un átomo inestable pierde un electrón, lo que permite que el átomo forme un compuesto nuevo con otro elemento. Básicamente existen dos tipos de reacciones químicas: 1) Aquellas en las cuales reaccionan iones o moléculas sin cambio aparente de la estructura electrónica de las partículas, y 2) Reacciones en las cuales los iones o átomos experimentan cambios de estructura electrónica. En el segundo tipo de reacción puede haber transferencia real de electrones de una partícula a otra o la forma en que se compartan los electrones puede modificarse. Este último tipo de reacción que involucra cambios electrónicos se llama reacción de oxidación-reducción. Originalmente, el término oxidación se asignó a la combinación del oxígeno con otros elementos. Existían muchos ejemplos conocidos de esto. El hierro se enmohece y el carbón arde. En el enmohecimiento, el oxígeno se combina lentamente con el hierro formando óxido ferroso (Fe2 O3); en la combustión, se combina rápidamente con el carbón para formar CO2. La observación de estas reacciones originó los términos oxidación “lenta” y "rápida”. Sin embargo, los químicos observaron que otros elementos no metálicos se combinaban con las sustancias de la misma manera que lo hacia el oxígeno con dichas sustancias. El oxígeno, el antimonio y el sodio arden en atmósfera de cloro y el hierro en presencia de flúor. Como estas reacciones eran semejantes, los químicos dieron una definición de oxidación más general. Los reactantes O2 o Cl2, eliminaban electrones de cada elemento. Por tanto, la


141

.


oxidación se definió como el proceso mediante el cual hay pérdida aparente de electrones de un átomo o ión.

REDUCCIÓN Originalmente una reacción de reducción se limitaba al tipo de reacción en la cual los óxidos se “reducían" (se desprendían) de sus óxidos. El óxido de hierro se "reducía” a hierro con monóxido de carbono. El óxido de cobre (II) podía “reducirse” a cobre con hidrógeno. En estas reacciones se eliminaba oxígeno y se obtenía el elemento libre. El elemento libre puede obtenerse de otras maneras. La inmersión de un clavo de hierro en una solución de sulfato de cobre (II) causa una reacción en la cual se produce cobre libre. La semejanza entre las reacciones de oxidación-reducción condujo a los químicos a formular una definición más general de reducción: La reducción es un proceso mediante el cual los átomos o iones adquieren electrones.

Agentes oxidantes y reductores. En una reacción de oxidación-reducción hay transferencia de electrones. Todos los electrones intercambiados durante una reacción deben tomarse en cuenta. Por tanto, parece razonable que la oxidación y la reducción ocurran simultáneamente en una reacción: se pierden y se ganan electrones al mismo tiempo. De otro modo, los electrones (electricidad) serían almacenados en los productos. No existe evidencia de tal almacenaje de electrones. La sustancia que en la reacción suministra electrones es el agente reductor.El agente reductor contiene los átomos que se oxidan (los átomos que pierden electrones). La sustancia que en la reacción gana electrones es el agente oxidante. Este contiene los átomos que se reducen (los átomos que ganan electrones).Si una sustancia suministra fácilmente electrones se dice que es unagente reductor fuerte. Sin embargo, su forma oxidada normalmente es un agenteoxidante débil.Si una sustancia gana electrones con facilidad, se dice U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

142

.


que es un agente oxidante fuerte. Su forma reducida es un agente reductor débil.

Número de oxidación.¿Cómo puede determinarse que se ha efectuado una reacción

de

oxidación-reducción?

desplazamiento

electrónico

Ello

ocurrido

se

logra

detectando

cualquier

durante

la

reacción.Por

ejemplo,

supóngase que el hierro, como reactante tiene un número de oxidación de 2+. Si el hierro aparece como producto con un número de oxidación diferente de 2+ por ejemplo, 3+ ó 0, se ha efectuado una reacción redox (óxidoreducción). Este número de oxidación depende en principio de la posición que tienen los elementos en la tabla periódica y del hecho que presentan los elementos de adquirir la estructura atómica de los gases nobles, es decir el tener ocho electrones en su último nivel de energía

El número de oxidación se define como: El número de electrones que un elemento puede ganar o perder cuando se combina con los átomos de otro elemento.

TIPOS DE OXIDACIÓN Por

lo

general,

el

término

oxidación

se

aplica

a

procesos cuyas

manifestaciones son lentas (oxidación lenta) y en donde la energía que se produce (siempre energía química) no se percibe porque se disipa en el U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

143

.


ambiente, por ejemplo, son fenómenos de oxidación lenta: la respiración, la corrosión de los metales, la putrefacción de la madera, etcétera.

En las oxidaciones rápidas los efectos son inmediatos, claramente visibles, generan grandes cantidades de calor y en ellas, debido a la elevación de la temperatura, se puede producir la llama; a este tipo de reacciones se les llama reacciones de combustión. La oxidación es la pérdida de electrones experimentada por un elemento o un ión en beneficio de otro que se comporta como agente oxidante. Toda pérdida de electrones de una sustancia va acompañada por la ganancia de electrones de otro. A este último proceso se le conoce, como reducción. La mayoría de los metales, y el caso particular del hierro (acero), se encuentran en la naturaleza en forma de óxidos, sulfuros y carbonatos: Sulfuro de hierro (piritas), Óxido de hierro (hematites roja / parda, magnetita), Carbonato de hierro (siderita) a partir de los cuales pueden obtenerse mediante la aportación de grandes cantidades de energía. Los metales así obtenidos se encuentran en una situación inestable por lo que progresivamente vuelven a su estado natural. Lo mismo sucede con el Zinc, metal que no se encuentra en la naturaleza tal y como lo conocemos sino que se presenta en forma de Sulfuro de zinc (blenda), Óxido de zinc (cincita), Carbonato de zinc (Smithonita) La diferencia entre el Hierro y el Zinc la encontramos en que cuando este último se oxida, debido al ataque de los agentes atmosféricos, se recubre de una capa blanca muy estable e insoluble de sales de zinc que impide el progreso de la corrosión mientras nada ni nadie la elimine. En cambio en el hierro, la oxidación se produce progresivamente hasta la total destrucción del metal.


144

.


Para realizar el proceso de oxidación se pueden utilizar diferentes mecanismos o sistemas, entre ellos podemos mencionar:

- Oxidación química. Reacción que tiene lugar, por ejemplo, en presencia del oxígeno disuelto del agua en un proceso a través del cual el oxígeno es reducido y el compuesto orgánico es oxidado. (Utilizado para purificar aguas servidas). - Oxidación electroquímica. La oxidación electroquímica (depuración electroquímica) se produce mediante reacciones anódicas (indirectas y/o directas) en las que el oxígeno es transferido desde el disolvente (agua) a los productos que deben oxidarse. La característica principal del tratamiento es que utiliza la energía eléctrica como vector de descontaminación ambiental. - Oxidación biológica. Se denomina metabolismo al conjunto de reacciones de un organismo. Estas reacciones son producidas por la acción de los microorganismos. Fauna microbiana intestinal en la oxidación biológica de los alimentos. Los microorganismos son sistemas que necesitan una gran cantidad de energía para mantenerse ordenados. Esta energía se obtiene de la oxidación de compuestos orgánicos reducidos. Los nutrientes proporcionan esos compuestos reducidos y, en el curso de la oxidación, se libera energía (que se acumula en forma de moléculas almacenadoras de energía, especialmente el ATP) y se producen elementos estructurales que servirán para la construcción de nuevas células (crecimiento y diferenciación). Al proceso por el que se obtiene energía y elementos estructurales básicos a partir de nutrientes se le denomina catabolismo y al que utiliza la energía obtenida en el catabolismo para sintetizar nuevos componentes celulares se le denomina anabolismo. Es importante tener en cuenta que aunque se estudie de forma separada el anabolismo y el catabolismo, ambos tipos de procesos ocurren simultáneamente de forma que conforme se van U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

145

.


produciendo elementos estructurales y energía en el catabolismo, esos elementos se usan para formar nuevos componentes celulares en procesos anabólicos. Un ejemplo de este tipo de oxidación es la Oxidación de los ácidos grasos (metabolismo). También se utiliza la oxidación biológica en los procesos de purificación de aguas residuales. La oxidación biológica consiste en suministrar oxígeno al agua residual en unos tanques cuyo volumen está previamente calculado para mantener el agua durante un tiempo de cuando menos ocho horas, regulando el oxígeno disuelto entre 1 a 3 Mg/Lt. - Oxidación térmica. Método de oxidación que empleando hornos se aplica para incinerar de residuos, los que se transforman en materias inertes (cenizas o escorias) y gases a través de una combustión controlada a temperaturas elevadas (900º C). Lo que comúnmente llamamos basura, técnicamente se conoce como desechos sólidos y consiste básicamente de todo material, producto de las actividades humanas, que se bota o elimina por carecer de valor o utilidad. El compostaje es un proceso biológico controlado de descomposición aeróbica acelerada de los materiales orgánicos. Se puede hacer una comparación entre la combustión (oxidación química) y el compostaje (oxidación biológica). En ambos procesos el carbón presente se oxida (química o biológicamente respectivamente) y si la combustión es completa se tienen como productos dióxido de carbono (CO2), agua y energía en forma de calor. Las deficiencias de oxígeno también pueden ser ocasionadas por moho, corrosión, fermentación u otros tipos de oxidación que consumen oxígeno. El impacto de las deficiencias de oxígeno puede ser paulatino o repentino.


146

.


- Oxidación catalítica. Existen unas sustancias, denominadas catalizadores, que tienen la propiedad de acelerar la reacción de oxidación de los compuestos orgánicos volátiles a temperaturas relativamente bajas, generalmente entre 250 y 350º C, sin experimentar un cambio químico. Los gases a depurar deben ser calentados hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento del catalizador. Este calor necesario es suministrado por un quemador a gas o un calentador eléctrico. Para reducir el consumo energético, puede instalarse un precalentador que aproveche el calor de los gases ya depurados.

- Oxidaciones en fase liquida Por acción de compuestos oxidantes: No es necesario emplear aparatos especiales. Lo único que ha de procurarse es de disponer de un adecuado sistema para que la refrigeración y regulación de la temperatura sea eficaz. Se usan aparatos consistentes en calderas cerradas para evitar la pérdida de los productos volátiles, que están provistas de un condensador de reflujo y de dispositivos convenientes para la entrada de los reactivos y bocas de salida para retirar el producto formado. También han de llevar estos aparatos camisas de vapor o serpentines de refrigeración por los que circulan los medios de calefacción o refrigeración según las necesidades. Por acción del oxígeno atmosférico: ha de disponerse de medios especiales para asegurar la mezcla y contacto de las 2 fases no miscibles del agente oxidante gaseoso y el líquido que ha de oxidarse. Aunque aquí también debe mantenerse la temperatura conveniente durante todo el proceso y eliminarse el calor producido, las exigencias en este sentido no son excesivas, ya que las temperaturas son bajas y la producción de calor se regula fácilmente actuando sobre la velocidad de admisión del aire (Ej. Oxidaciónde acetaldehído a ácido acético.


147

.


- Oxidaciones en fase vapor Se produce una gran concentración de calor de reacción en las zonas del catalizador. Este calor deber ser evacuando para que no se produzcan grandes elevaciones locales del temperatura. Un convertidor que cumple con esta condición está formado por una serie de tubos catalíticos pequeños sumergidos en un baño líquido.

Este

circulación

líquidoestá

forzada

sometido

pasando

por

a un

intercambiador de calor donde se enfría.

Filosilicatos, significa hoja; todos los numerosos miembros de este importante grupo tienen hábito hojoso o escamoso y una dirección de exfoliación dominante. Los filosilicatos tienen una gran importancia desde el punto de vista geológico. Las micas son los principales minerales en las rocas ígneas; se forman a temperaturas más bajas que los anfíboles y, con frecuencia, son resultado de sustituciones de minerales. Según la simetría hexagonal trigonal alrededor del grupo OH puede presentar diversas cristalizaciones, según si el anillo se apila formando una o varias direcciones. Tectosilicatos. Minerales formados por una armazón tridimensional de tetraedros SiO4 enlazados, aquí todos los oxígenos del tetraedro están compartidos formando estructuras muy fuertes, la relación Si:O es 1:2. Los silicatos forman la mayor parte de los minerales existentes en la corteza terrestre. De acuerdo con su organización interna los silicatos dan diversos tipos de minerales como pegmatitas, rocas meteorizadas, rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias.


148

.


Aplicaciones del silicato de sodio. Debido a sus propiedades, el silicato de sodio tiene múltiples aplicaciones industriales, el hecho de tener bajo costo da como resultado un gran campo de aplicaciones, se utiliza en la industria como autoadhesivos, detergentes, como ingrediente de productos de limpieza, cementos, ligantes y otros productos químicos.

PROCESO INDUSTRIAL DE CERÁMICOS Los procesos cerámicos comienzan por una molienda de los componentes, luego hay un período de mezcla con agua y amasado. Posteriormente se produce la maduración durante algunos meses a fin de que las arcillas absorban agua y aumente su volumen. Después hay un amasado suave para lograr su uniformización, luego pasa a la formación del producto. Lacas y porcelanas. Las materias primas deben ser de color claro, evitando impurezas de hierro. La formación de las diversas piezas se hace en moldes y luego pasan al secador. El secado se realiza al aire y luego en un horno de secado a unos 80 oC a 90 oC hasta un secado conveniente. Luego se lleva a los hornos de cocimiento (900 oC a 1000 oC) durante 24 a 48 horas, de acuerdo al tipo de producto. Después se hace el esmaltado que consiste en mezclar con óxido de cobalto, oro metálico, entre otros (en caliente) y convertido en partículas se mueve con agua y algo de arcilla, agregándose colorantes y sales para dar la carga eléctrica a las partículas de esmalte formando un barro espeso. Los productos se secan y se llevan al horno a unos 900 oC Para fabricar porcelana se utilizanmateriales de mejor calidad y la temperatura es mayor que las losas, llegando a casi la fusión sin llegar a ser vidrio transparente, luego se efectúan el control o inspección y finalmente se almacena o despacha.

Fabricación industrial del vidrio. Las materias primas utilizadas son aproximadamente similares a la industria cerámica, siendo silicio, carbonato de sodio y calizas, usándose también aditivos para darle color, transparencia u U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

149

.


opacidad. La temperatura de horneo es de los 1500 oC a 1600 oC. Formando una masa transparente. Para fabricar botellas o frascos, la mezcla fundida pasa a una máquina apiladora. La masa de vidrio fundido es alimentada a esta máquina en forma de “gotas”, cada una de ellas entra a un molde de acero que va formando el cuello de la botella y un chorro de aire a presión hincha la gota hasta hacer distribuir el vidrio en las paredes del molde, luego de un corto tiempo, la temperatura del vidrio baja y se vuelve rígido, el molde se abre y deja caer la botella a un depósito apropiado. En la fabricación del vidrio plano se utiliza rodillos formados en asbesto y una plancha de fierro que toca el vidrio fundido y que al levantarse arrastra al vidrio formando una lámina, la plancha se retira y los pares de rodillos siguen jalando la lámina de vidrio, la cual se va enfriando, en la parte alta un cortador de diamante colocando

va cortando la lámina de vidrio y los operarios van retirando y los

vidrios

en

unos

carritos

para

llevarlos

al

almacén

correspondiente. - NEUTRALIZACIÓN. Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Cuando en la reacción participan un ácido fuerte y una base fuerte se obtiene una sal y agua. Mientras que si una de las especies es de naturaleza débil se obtiene su respectiva especie conjugada y agua. Así pues, se puede decir que la neutralización es la combinación de cationes hidrógeno y de iones hidróxido para formar moléculas de agua. Durante este proceso se forma una sal. Las reacciones de neutralización son generalmente exotérmicas, lo que significa que desprenden energía en forma de calor. Generalmente la siguiente reacción ocurre:ácido + base → sal + agua Este tipo de reacciones son especialmente útiles como técnicas de análisis cuantitativo. Se puede usar una solución indicadora para conocer el punto en el que se ha alcanzado la neutralización completa. Algunos indicadores son U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

150

.


la fenolftaleína (si los elementos a neutralizar son ácido clorhídrico e hidróxido de sodio), Existen también métodos electroquímicos para lograr este propósito como el uso de un potenciómetroo la conductimétría. Ejemplos: • •

Sulfonación Es todo procedimiento por el cual se introduce el grupo sulfónicoSO2OH (*) a un átomo de carbono, o algunas veces a un átomo de nitrógeno. Elresultado es la obtención de ácido sulfónico correspondiente.

(*)

=

O

-S =

O

-

OH

Los métodos de enlace del grupo -SO2OH al nitrógeno se denominan ordinariamente N-sulfonación, o sulfamación.

La palabra sulfonación se emplea también para designar el tratamiento de cualquier compuesto orgánico con el ácido sulfúrico, cualquiera sea la naturaleza de los productos formados. Los tipos de sulfonación especializados comprenden: − Sulfocloración: introducción de un grupo - SO2Cl en un alcano empleando cloruro de sulfurilo o anhídrido sulfuroso con cloro. − Clorosulfonación: introducción de un grupo -SO2Cl en un compuesto con ácido clorosulfónico. − Sulfoxidación: sulfonación directa de un alcano con anhídrido sulfuroso y oxígeno. − Sulfoalquilación: unión de un grupo sulfoalquílico a un compuesto orgánico.


151

.


La sulfonación de los aromáticos implica los siguientes pasos:

El método general de sulfatación de estos tipos de compuestos es eltratamiento con anhídrido sulfúrico, o un compuesto apropiado de este. Para losalquenos se emplea corrientemente el ácido sulfúrico concentrado, en tanto quepara los alcoholes se emplea ácido sulfúrico, óleum o anhídrido sulfúrico. Los sulfatos tiene importantes aplicaciones como: − Intermedios en la preparación de alcoholes (etílico, isopropílico, etc.). − Agentes de alquilación (sulfatos dimetílico y dietílico). − Detergentes (laurilsulfato sódico). − Colorantes. − Anticoagulantes de la sangre. − Reacción predominante en la sulfonación de aceites fijosEl equipo empleado en las sulfataciones industriales es del tipo corriente y puede ser análogo al empleado para la sulfonación. Usos (propiedades) La mayor parte de los usos de los sulfonados se deben a la presencia en lamolécula del grupo -SO2OH, hidrófilo, altamente polar. En los detergentes, yanálogamente en los agentes mojadores, emulsivos y dispersantes, el gruposulfonato soluble en el agua está combinado con una porción orgánica soluble enlos aceites en varias maneras posibles para producir una variedad de efectosdeseados. Para los colorantes, los compuestos contra la polilla y los agentes sintéticospara el curtido, sirve como agente de unión firme de la molécula orgánica a la fibra. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

152

.


XIV. DETERGENTES

Son compuestos que permiten variar la tensión superficial del agua y son los causantes de la Humectación, Penetración, Emulsión y suspensión de la suciedad. Su estructura está compuesta por dos partes: una Hidrófila (afinidad con el agua) y otra Lipofílica (afinidad con aceites), lo que permite formar puentes de agua y aceite, ayudando a remover la suciedad. Los detergentes son una mezcla de muchas sustancias. El componente activo de un detergente es similar al de un jabón, su molécula tiene también una larga cadena lipófila (acercamiento o afinidad con los lípidos o grasas) y una terminación hidrófila (acercamiento o afinidad con el agua). Suele ser un producto sintético normalmente derivado del petróleo. Una de las razonas por las que los detergentes han desplazado a los jabones es que se comportan mejor que estos en aguas duras. En 1907 una compañía alemana fabricó el primer detergente al añadirle al jabón tradicional perborato sódico, silicato sódico y carbonato sódico. El nombre elegido fue "PERSIL" (Perborato + Silicato).

14.1. COMPONENTES DE UN DETERGENTE Agente tensoactivo o "surfactante" Es el componente que realiza un papel similar al del jabón. Facilita la tarea del agua al conseguir que esta moje mejor los tejidos. Separa la suciedad de los tejidos e impide que esta se deposite de nuevo. Hay varios tipos: Aniónicos: Los más utilizados a nivel doméstico.


153

.


Catiónicos:Tienen propiedades desinfectantes, aunque no lavan tan bien. No-Iónicos:Empleados con frecuencia para vajillas, no forman mucha espuma. Anfotéricos:Utilizados en champús y cremas para usar sobre la piel. Agentes coadyuvantes: Ayudan al agente tensoactivo en su labor Polifosfatos:Ablandan el agua y permiten lavar en aguas duras. Silicatossolubles:Ablandan el agua, dificultan la oxidación sustancias como el acero inoxidable o el aluminio. Carbonatos:Ablandan el agua. Perboratos: Blanquea manchas obstinadas. Sulfato de sodio: Evita que el polvo se apelmace facilitando su manejo. Sustancias fluorescentes: Absorben luz ultravioleta y emiten luz visible azul. Contrarresta la tendencia natural de la ropa a ponerse amarilla. Enzimas: Rompen las moléculas de proteína, eliminando manchas de restos orgánicos como leche, sangre, etc. Carboximetilcelulosa:Es absorbida por los tejidos e impide, por repulsión eléctrica, que el polvo se adhiera a los mismos. Propiedades de los detergentes: • Humectación: Se entiende como la capacidad de mojar más, es decir una misma gota de agua es capaz de abarcar una mayor superficie de contacto. • Penetración: Como la palabra lo indica, es la capacidad de penetrar o introducirse en lassuperficies porosas sucias o en la suciedad.


154

.


• Emulsión: Es la dispersión o suspensión de finas partículas de uno o más líquidos en otro líquido. Por ejemplo el aceite o grasa en agua. • Suspensión: Consiste en dejar la suciedad o partículas de suciedad en solución, evitando que estas se vuelvan a redepositar. Según su formulación, los detergentes además pueden contener Compuestos ácido base (que le dan el pH, haciéndolos ácidos, neutros o alcalinos), Estabilizantes, Quelantes, Enzimas, Blanqueadores, Colorantes, Perfumes, Solventes, Secuestrantes, Desinfectantes, Espesantes. Para entender de forma más clara la función de los detergentes, mostraremos nueve cuadros explicativos:


155

.


¿Qué es un jabón? Un jabón es una sustancia con dos partes, una de ellas llamada lipófila (o hidrófoba), se une a las gotitas de grasa y la otra, denominada hidrófila, se une al agua. De esta manera se consigue disolver la grasa en agua. Químicamente es una sal alcalina de un ácido graso de cadena larga.


156

.


XV. FERMENTACIÓN

Es la transformación enzimática de compuestos orgánicos complejos en otros compuestos orgánicos más simples, con la liberación de energía y generalmente asociado con desprendimiento de gas carbónico (CO2). Microorganismos:

vegetales,

generalmente

de

tamaño

microscópico,

pertenecientes a la clase de hongos de las talofitas (plantas que crecen en forma de talo).

Algas Musgos Líquenes TALOFITAS

Musilaginosos Hongos

Bacterias Hongos

Mohos (pluricelulares) Levaduras (unicelulares)

Levaduras: se aplican industrialmente en la producción de alcohol o de bebidas alcohólicas, producen glicerol, hacen subir el volumen en la fabricación del pan y son una fuente de proteínas, vitaminas y enzimas. Tipos de microorganismos: - Aeróbicos: Sólo pueden desarrollarse y reproducirse en presencia de aire (medio aeróbico). Viven y catabolizan solamente en presencia de aire por oxidación aeróbica exclusivamente. - Anaeróbicos: Sólo pueden desarrollarse y reproducirse en ausencia total de O2 atmosférico. Viven y catabolizan solamente en ausencia de aire y respiran exclusivamente por fermentación. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

157

.


- Mixtos o facultativos: Pueden desarrollarse y reproducirse tanto en medio aeróbico como anaeróbico. Pueden vivir y respirar en ausencia o presencia de aire. Se dividen en varios subgrupos según la sensibilidad al oxígeno.

PROCESO DE FERMENTACIÓN • CRECIMIENTO • DESARROLLO: Proceso por el cual el organismo se desarrolla,

reproduce

y

propaga.

Implica

el

crecimiento

individual

del

microorganismo y el crecimiento de la colonia (conjunto visible) por medio de la reproducción. • CONSERVACIÓN CELULAR

− Anabolismo:Proceso de construcción del microorganismo (hay consumo de energía suministrada por la desasimilación). − Asimilación: proceso endoenergético (consume E) por el cual una sustancia del sustrato pasa a formar parte del microorganismo (sustrato en la Materia Prima –MP- a transformar por el microorganismo). − Catabolismo

o

(exoenergético).

desasimilación: Se

transforman

es

un

proceso

sustancias

destructivo

sintetizadas

en

compuestos de menor energía ⇒ se pone en libertad energía. La desasimilación se produce dentro de la célula pero los productos son expulsados al sustrato o medio que la rodea. Los compuestos resultantes

son

los

productos

industriales

buscados

por

fermentación. La energía liberada es en parte consumida por el proceso de anabolismo y el resto se libera en forma de calor.

FERMENTACIÓN AERÓBICA Utiliza el oxígeno del aire. Es una oxidación completa realizada por bacterias aeróbicas y es la que mayor energía (E°) libera.


158

.


C6H12O6 + 6 O2

→

6CO2 + 6H2O

∆H = 674 kcal

Glucosa (Glucosa + 4 1/2O2 →

3 COOHCOOH + 2 H2O )

FERMENTACIÓN ANAERÓBICA En este caso las bacterias son del tipo anaeróbicas. Usan el oxígeno combinado para realizar la oxidación. La E° liberada es mucho menor que en el proceso aeróbico.

C6H12O6

→

2 CH3CHOHCOOH

∆H = 22,5 kcal

Ácido Láctico

C6H12O6

→

2 CH3CH2OH

∆H = 22,5 kcal

Alcohol Etílico

Enzimas y coenzimas microbianas Enzimas:Proteínas (compuestos complejos) producidas por células vivas que poseen la facultad de catalizar reacciones específicas sin ser consumidas en el proceso y sin convertirse en una parte de los productos formados. Exoenzimas:Enzimas que pasan al sustrato y lo preparan para la digestión por parte del microorganismo. Endoezimas:Enzimas internas, responsables del catabolismo y anabolismo. Coenzimas: Compuestos (cationes metálicos) de origen vitamínico que intervienen en el metabolismo del microorganismo, ayudando a la enzima a producir la catálisis de reacciones. Enzimas esenciales: El organismo no puede producir por sí mismo y debe obtener de su dieta. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

159

.


Enzimas no esenciales: El organismo puede producir por sí mismo a través de las enzimas esenciales.

Las acciones microbianas o fermentación se clasifican: a) Por el sustrato: fermentación de carbohidratos, proteínas o grasas. b) Por el nombre de la MP usada: uva, caña de azúcar, cebada, lecho, etc c) Por el producto final obtenido: fermentación alcohólica, láctica, acética, propiónica, etc. d) Según la tecnología empleada: fermentación intermitente, semicontinua y continua. e) Según este presente o no el aire: proceso aeróbico o anaeróbico. f) Por el producto comercial obtenido: fermentación de cerveza, vino, sidra, queso, yogurt.

TECNOLOGÍA DE LA FERMENTACIÓN • Selección de la MP

- MP principal: Sustancia disponible comercialmente que se transforman en nuevos productos por la acción regulada de microorganismos. Son productos agrícolas (de origen vegetal o animal) o subproductos industriales. Los requerimientos para la MP son: bajo precio, rendimiento elevado, comodidades en el manipuleo, almacenamiento, suministro continuo todo el año, proximidad del mercado, pureza, % de carbohidratos (son desasimilados y por lo tanto el contenido de carbohidratos determina el rendimiento de la MP), nitrógeno, nitroderivados, nutrientes orgánicos (P, K, Mg, Na, etc), etc.

- MP auxiliar: Se agrega al sustrato para mejorar el rendimiento.

Diluyentes (el más usado es el agua). U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

160

.


Agentes convertidores: por digestión en los compuestos complejos convierten a algunas MP disponibles para la acción microbiana. Son catalizadores de la hidrólisis de los compuestos complejos (bioquímicos: enzimas amilasas; o químicos: ácido sulfúrico). Neutralizadores y estabilizadores de pH: reducen el exceso de acidez o alcalinidad y ayudan a mantener el pH requerido por el sustrato. Los microorganismos son muy sensibles a la variación de pH y a pH altos (>10) o bajos (<3) mueren (Ej. CaCO3, NaOH, H2SO4). Nutrientes

microbianos:

son

componentes

asimilables

por

los

microorganismos que se agregan al sustrato cuando lo que se requiere es la propagación del microorganismo (Ej. nitrógeno en forma de urea, amoniaco, etc.). Activadores: en pequeñas cantidades aceleran el proceso microbiano. Dos clases: indicios (ej. vitaminas) que toman parte en el metabolismo microbiano e inertes (ej. carbón activado) para acelerar las acciones ofreciendo gran superficie. Antisépticos: se añaden para proteger a los microorganismos principales de las infecciones producidas por bacterias indeseables que pueden traer las MP o el diluyente y que pueden inhibir la acción microbiana de los organismos (ej. compuestos de fluor, ácido acético, etc.) Agentes de sabor y aroma: brindan ciertas características de sabor y olor sobre todo para productos alimenticios. • Selección del microorganismo. La elección del microorganismo está

limitada no solo al que pueda efectuar la reacción deseada, sino al que lo pueda hacer en un tiempo limitado, produciendo al máximo de rendimiento posible con un mínimo de atención. Debe mantener su actividad de una generación a otra y ser resistente a las infecciones de bacterias.


161

.


• Preparación de la MP.Casi toda MP tiene que someterse a tratamientos

físicos y químicos para obtener un sustrato adecuado al microorganismo que se adapte a las condiciones del proceso. Se debe favorecer el estado de contacto con los microorganismos (trituración, molienda, disolución, cocción, etc). Ajuste del PH: agregando neutralizantes y estabilizadores o tratando que el PH sea el óptimo antes de la inoculación de los microorganismos. El pH inicial óptimo depende del organismo, de la reacción deseada y de las condiciones del proceso. Control de la temperatura: los microorganismos son muy sensibles a los cambios de temperatura y existen intervalos óptimos tanto para el crecimiento como para la acción de las enzimas. Como las reacciones son exotérmicas, el calor generado debe extraerse por medio de refrigeración. Esterilización: con ella se elimina la posibilidad de infecciones por medio de un tratamiento a altas T. Puede ser: Completa:Mueren todas las células vegetativas, esporas y bacterias. T>115ºC. Parcial: Mueren las células vegetativas (80-90ºC). Intermitente: Consiste en 3 esterilizaciones parciales sucesivas con intervalos de 1 o 2 días. Dilución del sustrato: Se debe fijar exactamente la proporción de sólidos con respecto al agua. Si la MP está demasiado concentrada el proceso microbiano es lento e incompleto. Se lleva a cabo la dilución para obtener los productos con la máxima concentración posible, economizando el espacio en el fermentador. • Preparación del Inóculo. El inóculo es la cantidad de microorganismos vivos, con o sin el medio en el cual se desarrollan, que sirve como iniciador para el sustrato recientemente preparado. Los microorganismos proliferan en


162

.


el seno del sustrato o en la superficie y catalizaran el cambio bioquímico deseado. Características

- Poder propagarse rápidamente

fundamentales de un inoculo: - Completar la acción microbiana en un tiempo limitado.

Etapas en la preparación de un inóculo: I.

Preparación del medio de cultivo.

II.

Esterilización.

III.

Siembre de microorganismos.

IV.

Se lleva a cámaras termoestabilizadas (CULTIVO MATRIZ).

V.

Se transfiere a medios mayores.

VI.

Se agregan sustancias nutritivas (SUBCULTIVO).

VII.

Se transfieren a recipientes más grandes (INOCUO).

• Procesos productivos industriales. Conducción de la fermentación (acción microbiana).Cuando se ponen microorganismos en un medio de cultivo se cumplen las siguientes etapas:

X: concentración de Microorganismos. t : tiempo

CURVA DE CRECIMIENTO

I- Retardo o latencia. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

163

.


II- Máxima velocidad (Crecimiento Exponencial). III- Aceleración negativa. IV- Muerte. Cultivo continuo en varias tinas

Se llena el Tanque 1 con sustrato y se inocula (previamente se esteriliza). Cuando la fermentación se halle por la mitad se llena medio Tanque 2, completándose con sustrato ambos tanques. Cuando la fermentación del tanque 2 este por la mitad se vacía la mitad en el Tanque 3 se llenan ambos. Finaliza la fermentación en 1, se descarga y limpia. Cuando la fermentación en 3 esta avanzada, se descarga medio tanque de 3 en 1 y ambos se llenan con sustrato.

Productos de fermentación Mediante la fermentación se obtienen diversos productos, por ejemplo: los vinos se obtienen por fermentación de jugo de uvas. La

chicha a partir del cocimiento del maíz, la sidra proviene del jugo de

manzana, el ron de la caña de azúcar. El vodka, cognac, whisy, etc. Se obtienen con el correspondiente añejamiento en barriles de roble o en tanques de aluminio, agregándole otros ingredientes para darle la variedad de cada producto. U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

164

.


Se

puede

producir

por

fermentación,

agregando

el

microorganismo

correspondiente para la producción de Vinagre, Pan, Queso, Ácido acético, Antibióticos.

PROCESO INDUSTRIAL DE LA CERVEZA CERVEZA:Es una bebida que se obtiene por fermentación alcohólica de un mosto elaborado con cebada germinada y otros cereales, lúpulo, levadura y agua potable. Vulgarmente conocida como “birra” o “birrin”. Bebida preferida por los argentinos, sobre todo en fiestas o reuniones. Imposible “clavarse” una sin un pucho. Composición de la cerveza: - Etanol(2,5%-8%). Hidratos de carbono (dextrina, maltosa, glucosa). - Extracto seco

Proteínas, peptona y aminoácidos. Sustancias minerales. Ácidos orgánicos. Anhídrido carbónico.

Descripción del proceso: Materia prima: - Malta: a veces se reemplaza parte de la malta por otros cereales. - Lúpulo: tiene principios amargos y aromáticos. Se cosecha, sus flores se secan y conservan a bajas temperaturas. - Adjuntos: productos amiláceos no malteados (arroz, trigo, maíz, sorgo). Reemplazan a la malta para reducir el costo de la cerveza. - Agua: tiene que ser de buena calidad.


165

.


Fabricación de la malta. Se lleva a cabo en la materia a partir de la cebada. Esta debe tener alto grado de germinalidad para ser de buena calidad. Se prefiere cebada con alto contenido de almidón (62%) y un porcentaje relativamente bajo de proteínas (10%). Etapas de la transformación de cebada en malta: a) Limpieza y remojo de la cebada: Se limpian los granos y luego sigue el remojo mediante el cual el grano absorbe la cantidad necesaria de agua (45-48% de humedad) para la germinación (duración ≈ 70hs). El remojo se realiza en cubas de hormigón. Por el fondo se inyecta aire comprimido (necesario para la mezcla y la respiración de las semillas). El agua entra desde el fondo de la cuba y rebasa. Una vez que la cebada absorbió la cantidad necesaria de agua, se escurre y se manda a la germinación. b) Germinación: Tiene importancia la humedad, la temperatura y el oxígeno. Se efectúa en herías o en piletas con mezcladores mecánicos (duración 8-9 días). La temperatura esta entre 10 y 16ºC (40% humedad) ⇒malta verde c) Torrefacción: La malta verde debe ser secada rápidamente. El secado se realiza en una torre donde la malta sufre la acción de temperaturas crecientes. La torrefacción tiene el objeto de reducir la humedad de la malta a 1,5-3% y de conferir a la misma aroma y calor. La temperatura no debe pasar los 40ºC. La torrefacción se realiza con aire caliente en grandes torres que poseen varios pisos constituidos por chapas perforadas sobre las cuales se pone la malta y el aire caliente pasa a través. Una vez secada la malta, se le deben sacar las radículas y plúmulas.

TRANSPORTE DE MP. La malta se transporta en camiones y se almacena en silos (al igual que los agregados de cereales). El lúpulo se debe mantener a baja temperatura hasta su uso.


166

.


PROCESO DE FABRICACIÓN DE LA CERVEZA Etapas: a) Molienda: se muele la malta en molinos de rodillos ⇒ se obtiene el harina b) Sacarificación: la malta molida se mezcla con agua y se calienta para obtener una rápida acción de las enzimas. El almidón se convierte en azúcar y dextrinas. Para romper el almidón se necesita la presencia de dos enzimas: la α y la β. Almidón → Dextrinas → Maltosa La sacarificación se efectúa en 2 pasos: i) Cocción: en el recipiente de cocción se introducen la malta molida y el agua tibia (1:5 a 1:6 para birra clara). A 35ºC se agita durante 30 minutos. Se extrae 1/3 de la suspensión y se la manda a otro recipiente de cocción. Se calienta a ebullición durante 30 minutos. A distintas temperaturas actúan distintas enzimas. Mediante la ebullición se trata de solubilizar todo el almidón de la malta. Se repite esta operación hasta que la temperatura sea de 75ºC. ii) Infusión: cuando se reemplaza una parte de la malta por alguno de los materiales amiláceos (ej. Cerveza La Diosa). Se extrae la malta molida con agua a una T de 15-18ºC durante 6-12hs. La sacarificación es una etapa muy importante durante la cual se forma una cantidad conveniente de azucares que luego se transforman en alcohol. c) Decantación y filtración: después de la sacarificación (que dura 5hs) se debe separar del mosto la parte sólida, decantando (reposando) y luego pasando la suspensión por filtro-prensa. d) Cocido y aromatización: el líquido filtrado adicionado a las aguas de lavado debe ser adicionado de lúpulo. Se debe eliminar la mayor parte de microorganismos presentes, destruir completamente la amilasa y coagular las proteínas. Se procede a llevar a ebullición durante 2 hs, donde se coloca el lúpulo (tiene propiedades antibacterianas). Terminada la ebullición (en la que se carameliza el mosto y se pierde el 15% del agua por evaporación) se U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

167

.


enfría en intercambiadores de calor en los que se disuelve oxigeno (para el desarrollo de las levaduras). e) Fermentación: al líquido frió se lo siembra con levaduras. Hay dos tipos de fermentación: i) fermentación de alta o de superficie, donde las levaduras suben a la superficie después de la fermentación; y ii) fermentación de fondo o baja, en la que la levadura sedimenta en el fondo de la tina después de haber efectuado la fermentación del mosto (anaeróbica). La levadura segrega una enzima (maltasa) que actúa sobre la maltosa, transformándola en glucosa. Otra es la enzima zimasa que transforma la glucosa en alcohol y CO2. El gas carbónico producido se purifica y licua con el fin de ser inyectado posteriormente a la birra. Cuando se alcanza el extracto deseado, se bombea la birra a los tanques de maduración. f) Maduración: comprende todo el tiempo que la cerveza en los tanques a baja temperatura antes de ser filtrada. Se divide en 2 etapas: reposo (2-3ºC) y acabado (-2ºC)

Los objetivos de la maduración son almacenar cerveza, dejar sedimentar la materia amorfa y la levadura, refinar el sabor, separar por precipitación de los compuestos que se forman al ser enfriada la cerveza. La maduración dura 2 o 3 semanas. Al final de la maduración se debe filtrar y proteger la cerveza agregándole antioxidantes.


168

.



169

.



170

.


XVI.

PROCESOS EN LA INDUSTRIA PESQUERA

Existen diversos productos pesqueros: Salado de pescado.- Se aplica a diversas especies. El pescado eviscerado y limpio se pone en unas pozas con agua bien salada (salado húmedo), el agua contenida en los filetes de pescado, pasa a la solución salina por ósmosis(fenómeno físico de difusión pasiva donde pasa el agua a través de una membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más concentrada). La solución salina se renueva hasta que el pescado haya alcanzado la textura necesaria, luego al aire con secaderos de aire caliente. El pescado procesado de esta manera se conserva por varias semanas dependiendo de la temperatura de almacenamiento y de la especie de pescado. Congelado de Pescado. El pescado es eviscerado, eliminándose las vísceras, cabeza, aletas y cola, dejando solamente el filete, luego de un lavado se congela a -18 oC formándose bloques que se guardan o se pueden cortar con sierras en trozos o placas, según sea las necesidades del mercado. Se debe mantener en una temperatura promedio de – 18 oC. En muchos casos, estos pescados se embolsan y se venden localmente o se colocan en cajas adicionales para exportarlo. Conservas enlatadas de pescado.- Esta forma se aplica no solamente para el atún y bonito, sino también para la caballa y el machete. El proceso consiste en eviscerar el pescado, luego lavarlo y posteriormente cocido al vapor en bandejas metálicas, enseguida de un corto enfriado se coloca en envases de aluminio o de hojalata, se le agregan los condimentos y líquido de gobierno (sal, agua, aceite, salsa de tomate), luego se realiza el exhausting es decir inyectando vapor a fin de desplazar el aire presente en las latas, cerrándose herméticamente (sellado). Posteriormente se colocan en un esterilizador a fin de eliminar los microorganismos que hayan U.F.P. ADMINISTRADORES INDUSTRIALES

171

.


quedado. Los tiempos y temperaturas de los procesos dependen del tipo de especie que se procesa. A continuación se indica el flujograma de fabricación de conservas de anchoveta.

FLUJOGRAMA DE CONSERVAS DE ANCHOVETA RECEPCIÓN DE MATERIA PRIMA

CORTADO

(Sin

LAVADO 10% ENVASADO 50 °C 75´ Envasado

En salmuera al 5% Temp. Máx 5 °C

Salmuerado Ahumado

(Sin cabeza ni vísceras)

95 g neto En salmuera al 3 %

PRE-COCCIÓN

95 °C x 10´

90 g DRENADO

Adición de aceite

20 ml ADICIÓN DE SALSA Y/O CALDO

SELLADO

20 g

Máquina selladora

LAVADO DE LATAS ESTERILIZADO

116 °C x 65´

LAVADO DE LATAS

ETIQUETADO Y ENCAJADO ALMACENAMIENTO


172

.


PROCESO INDUSTRIAL DE HARINA DE PESCADO Existe una gran variedad de harinas de pescado, como la prime, la steam dried, este tipo de harina es un concentrado de proteínas hecho a partir del pescado como materia prima, esencialmente en forma de polvo y usado como ingrediente en la alimentación de aves de corral, ganado lechero, peces y otros animales de consumo humano. El proceso de elaboración de la harina steam dried incluye el reconocimiento de un grupo de operaciones unitarias que se llevan a cabo como: Cocción, extrusión, secado, evaporación, centrifugación, molienda, combustión, intercambio iónico, entre otros. El control en los equipos del proceso productivo así como los análisis y controles periódicos de la materia prima, productos intermedios y finales, tienen gran importancia porque de estos factores dependerá la obtención de una harina steam dried de calidad superior y de esta manera, lograr satisfacer las necesidades del mercado. La calidad de la harina es dependiente de la materia prima y del proceso productivo; de estos dos parámetros el de mayor importancia es la materia prima.

Descarga del Pescado El transporte del pescado desde las embarcaciones a la fábrica debe hacerse con el menor daño posible, de tal forma que en todo momento se evite el destrozo del pescado y con ello no se facilite el proceso autolítico y microbiano. La anchoveta es trasladada desde las embarcaciones pesqueras a la planta por medio de una bomba acoplada a una tubería submarina. El equipo de bombeo hidráulico se encuentra instalado en un elemento flotante llamado


173

.


CHATA, el cual se halla a una distancia de aproximadamente 800 m. de la orilla de la playa. La mezcla agua-pescado llega a la planta a través de la tubería y es recepcionada en tres equipos llamados desaguadores: Desaguador estático, sedazo vibratorio y transportadores de mallas. Una vez que la materia prima pasa por los desaguadores llega a la tolva de pesaje de donde se descarga a la poza de almacenamiento de pescado. La anchoveta extraída de las pozas de almacenamiento por medio de un transportador helicoidal, es llevada hacia los COCINADORES por medio del transportador de paletas.

Cocción Esta operación unitaria tiene como objetivo: (a) Coagular las proteínas, (b) Esterilizar, con el fin de detener la actividad enzimática y microbiana, (c) Liberar la grasa de las células adiposas y el agua. Pre-Desaguado O Pre-Prensado El objetivo del pre-desaguado es efectuar un drenaje previo al prensado con la finalidad de aumentar su capacidad. Toda la masa que sale del cocinador no puede ser tomada por la prensa sin disminuir considerablemente su rendimiento y con ello también toda la planta de procesamiento.

Extrusión Tiene como objetivo la separación de agua y grasa de tal forma que la torta de prensa contenga la menor cantidad posible de estos dos componentes y el licor de prensa sea pobre en sólidos.


174

.


Centrifugación Es la operación que utiliza la fuerza centrífuga para separar los diversos componentes que tiene el licor de prensa como son la grasa, sólidos solubles e insolubles y agua, en razón a su diferencia de densidades.

Evaporación La evaporación consiste en la eliminación de vapor de un soluto relativamente no volátil, el cual suele ser sólido. Generalmente el agua no se elimina completamente y el producto concentrado permanece en forma líquida, aunque algunas veces con una elevada viscosidad.

Secado Luego de la evaporación se pasa al secado, el objetivo es deshidratar la torta de prensa, torta de separadora y el concentrado de agua de cola unidos y homogenizados previamente; sin afectar la calidad del producto. La principal razón es reducir la humedad del material a niveles de agua remanente en donde no sea posible el crecimiento microbiano ni se produzcan reacciones químicas que puedan deteriorar el producto.

Molienda El objetivo de la molienda, es la reducción del tamaño de los sólidos hasta que se satisfagan las condiciones y especificaciones dadas por los compradores. La molienda es de gran importancia, porque una buena apariencia granular incidirá en la aceptación del producto.


175

.


El Molino de Martillo Dosificación Del Antioxidante Las grasas de las harinas de pescado se estabilizan a travès de la adición de antioxidante, inmediatamente después de la fabricación. Los antioxidantes son compuestos químicos que retardan la autoxidación. La autoxidación supone que una molécula de oxígeno reacciona con una molécula de lípido en un enlace no saturado para formar un peróxido, después que una o dos moléculas han sido activadas por medio de la absorción de una fracción de energía. El peróxido formado tiene la facultad de activar nuevas moléculas formando nuevos peróxidos, y de esta manera se establece una reacción en cadena al menos que se disipe la energía. Si no se detiene la reacción, que es exotérmica, el producto se combustiona, bajan los pesos moleculares y adicionalmente se produce mal olor y sabor.

Envasado y Almacenamiento La harina de pescado tratado con antioxidante, es transportada hacia la balanza ensacadora, estas poseen un pantalón de ensaque sobre la cual se vierte la harina y que es recibida en sacos de polipropileno (color blanco) de 50 kg. de capacidad. Mediante un transportador de tablillas los sacos con su contenido de harina son llevados hacia un camión transportador. Laa harina es pesada y almacenada en las pampas de almacenamiento, formado las llamadas rumas de harina de mil sacos cada una.

Control De Calidad Principales análisis y controles en el proceso productivo.


176

.


En el área de control de calidad se realizan diversos análisis y controles de proceso productivo con el fin de obtener una harina de pescado de calidad superior. Este muestreo se hace en los siguientes procesos: Muestreo de la materia prima, controles físicos y estándares del proceso, cocinadores, prensas, licor de prensas, licor a centrifugas, agua de cola, planta de agua de cola, secado, sanguaza-residuos, grasos dyaf, antioxidante, harina, peso de la harina envasada, técnicas de muestreo en el proceso, torta de prensa, licor de prensa, agua de cola, concentrado de agua de cola, sanguaza-residuos grasos, dyaf, aceite, agua de bombeo, harina semiseca, scrap, harina, técnicas y procedimientos de análisis, descripción de los formatos de control de calidad, tratamiento químico de aguas en los calderos a vapor, las aguas de caldero y sus problemas, incrustaciones, corrosión, arrastre, fragilidad cáustica, tratamiento del agua de alimentación a los calderos, tratamiento externo, tratamiento interno, muestreos y análisis químicos, el control sanitario en la planta, control en los cocinadores, control de las prensas, control en los secadores, control en el equipo dosificador de antioxidante,control en el envasado, control de licores.


177

.


XVII. BIBLIOGRAFÍA

BRENNAN, J. et a. ”Las operaciones de la ingeniería de los alimentos”, 2° ed. Ed. Acribia, S.A. Zaragoza (España).1980 FERNANDEZ NAVARRO, José. “El vidrio”. Instituto de Cerámica y vidrio, Ed. Consejo Nac. De Investigaciones científicas, Madrid 1975. GEANKOPLIS,C. J. “Procesos de transporte y operaciones unitarias”, Editorial CECSA, 3º edición LUDORF W. Y MEYER V.“El pescado y las industrias derivadas de la pesca”Ed. ACRIBIA S.A. España, 1987 McCABE,Warren. “Operaciones Unitarias en Ingeniería Química”, México:Ed Mc Graw Hill2002. NONHEBEL, G. “El Secado de Sólidos en la Industria Química”, 1ª ed. España; 2002 SMITH, Julian C Peter Harriott. “Operaciones unitarias en Ingeniería Química”, Editorial McGraw Hill, 4º edición.


178

Manual Senati. 89001197 Procesos Industriales

Recommend Documents