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UNIVERSIDAD SAN IGNACIO DE LOYOLA

INGENIERA INDUSTRIAL Y COMERCIAL

CURSO

TECNOLOGA INDUSTRIAL.

CAPITULO I

Introduccin a los procesos industriales

Conceptos generales de procesos de manufactura (tecnologa industrial). Materias primas y productos. Smbolos, diagramas de

flujo y aplicaciones

Prof. W. Retegui

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Esquema de Evaluacin

Cada uno de los rubros del esquema de evaluacin y la nota final del curso son

redondeados a nmeros enteros. La nota final del curso es el promedio ponderado

de los rubros de evaluacin permanente, examen parcial y examen final.

No Tipo de Evaluacin Ponderacin

1 Evaluacin Permanente 40%

2 Evaluacin Parcial 30%

3 Examen Final 30%

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Ponderacin y Cronograma para la Evaluacin Permanente (50%)

Tipo de Evaluacin

Ponderacin Desagregada

de la Evaluacin

Permanente

Ponderacin Desagregada

Semana Fecha Evaluacin a

Rezagar

Nro Descripcin %

Prcticas calificadas

60

1 Practica Calificada 1 33 3 SI

2 Practica Calificada 2 33 6 SI

3 Practica Calificada 3 33 12 SI

TOTAL 100

NO se elimina ninguna Prctica Calificada. El promedio de las Prcticas Calificadas se redondea a dos decimales.

Laboratorios y Trabajos virtuales

40

1 Trabajo 1 33 5 NO

2 Trabajo 2 33 12 NO

3 Trabajo de investigacin con

exposicin 34 11 NO

TOTAL 100

Promedio de la nota de los informes de investigacin. El promedio se redondea a nmeros enteros

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INSTRUCCIONES A TENER EN CUENTA : CICLO 2014-2

I) P.Calificadas:

No est permitido el uso de apuntes, separatas, cuaderno del curso o libros.

Desarrollar la prueba slo con lapicero.

El uso de la calculadora es personal.

No se permite el uso de Laptops o celulares.

En la evaluacin se tomar en cuenta el orden, la limpieza, la ortografa y el uso correcto de unidades.

Devolver todo lo entregado.

No est permitido usar como hoja de borrador la hoja de examen.

En clase: No deber usar su celular, es una falta de respeto.

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Competencias del Perfil Profesional

1. Planifica, administra y controla procesos y operaciones de produccin y comercializacin de bienes y servicios, diseando y evaluando sistemas integrados por activos y capital humano, analizando y diseando mtodos de trabajo, controlando sistemas de seguridad e higiene industrial y de impacto ambiental de los procesos productivos.

2. Lidera y conduce efectivamente equipos multidisciplinarios para el logro de objetivos comunes, promoviendo y aplicando prcticas preventivas en gestin ambiental, a fin de tomar decisiones comprometidas con la responsabilidad social.

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Competencias del Curso

Nmero Competencias generales del curso Nmero Competencias especificas del curso

1 Elabora e interpreta diagramas de flujo y de bloques para la representacin de los procesos.

1.1. Construye diagramas de flujo de un proceso industrial.

1.2. Identifica en el diagrama de flujo las diferentes variables de un proceso productivo.

2 Identificar y diferenciar las diferentes etapas de los procesos tecnolgicos: operaciones unitarias y Procesos unitarios.

2.1. Evala los requerimientos de masa de cada etapa del proceso productivo.

2.2. Evala los requerimientos de energa de cada etapa del proceso productivo.

3 Analizar las variables de operacin, los parmetros de proceso y las condiciones de calidad de los procesos de manufactura.

3.1. Realiza balances de masa y energa en base a un diagrama de flujo.

3.2. Reconoce las variables a controlar con la finalidad de mantener el equilibrio de un proceso productivo.

4 Evala loa aspectos ambientales en la produccin industrial

4.1. Evala las materias primas usadas en el proceso productivo.

4.2. Evala las caractersticas de los efluentes y los posibles tratamientos a aplicar.

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I. QUMICA INDUSTRIAL

La industria de procesos qumicos esta involucrada en la produccin de una amplia variedad de productos que mejora la calidad de nuestras vidas y genera ingresos para las compaas y sus accionistas.

En general , los procesos qumicos son complejos, cuyo esquema de produccin se muestran a travs de diagramas de flujo.

El camino ms efectivo para comunicar informacin a cerca de un proceso es a travs del uso de diagramas de flujo.

Los procesos qumicos frecuentemente involucran sustancias de : alta reactividad qumica alta toxicidad alta corrosividad y operan a altas presiones y temperaturas. Estas caractersticas pueden conducir a una variedad de

consecuencias potencialmente serias, incluyendo explosiones, daos ambientales, y amenazas a la salud de las personas.

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Qumica Industrial es la rama de la qumica que aplica los conocimientos qumicos a la produccin de forma econmica de materiales y productos qumicos especiales con el mnimo impacto adverso sobre el medio ambiente.

La adaptacin del laboratorio a la fbrica es la base de la industria qumica, que suele reunir en un solo proceso continuo y estacionario (aunque tambin opera por cargas) las operaciones unitarias que en el laboratorio se efectan de forma independiente.

Estas operaciones unitarias son las mismas sea cual sea la naturaleza especfica del material que se procesa. Algunos ejemplos de estas operaciones unitarias son :

la molienda de las materias primas slidas

el transporte de fluidos

la destilacin de las mezclas de lquidos

la filtracin

la sedimentacin

la cristalizacin de los productos

y la extraccin de materiales de matrices complejas.

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II. SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS

Los procesos industriales exigen el control de la fabricacin de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y en muchos muy complejos y abarcan muchos tipos de productos:

Fabricacin de productos derivados del petrleo

Productos alimenticios

La siderurgia

La minera

La industria de papel

La industria textil

La industria pesquera

La industria azucarera

La industria de plsticos

La industria de fertilizantes

La industria del cemento

La industria de detergentes

Centrales generadoras de energa

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En todo proceso es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presin, el caudal, el pH, la temperatura, el

nivel, la conductividad, la humedad etc.

Los instrumentos de medicin y control permiten mantener y regular estas constantes en condiciones ms idneas que las que el propio

operador podra realizar.

Debido a los instrumentos de medicin y control es posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de

caractersticas .

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse en dos grupos: Procesos continuos y procesos discontinuos.

En ambos procesos, deben de mantenerse en general las variables

( presin, caudal, temperatura etc) en un valor deseado fijo , o en un

valor variable con el tiempo de acuerdo a una relacin predeterminada,

o bien guardando una relacin determinada con otra variable.

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Proceso Industrial

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El sistema de control que permite el mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor deseado con el valor de la variable o condicin a controlar y toma una decisin de correccin de acuerdo con la desviacin existente en forma autnoma.

Un sistema de control consta de un conjunto de unidades :

Sensor o elemento primario

Transmisor o elemento secundario

Controlador o cerebro del sistema de control.

Elemento final de control, se trata de una vlvula, bombas de velocidad variable, motores elctricos.

El conjunto de unidades recibe el nombre de lazo de control, que puede ser abierto o cerrado.

El lazo de control abierto: calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia elctrica.

El lazo de control cerrado: regulacin de la temperatura en un intercambiador de calor

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Un sistema de control abierto o cerrado tiene elementos definidos :

Elemento de medida, Elemento de transmisin, Elemento controlador, Elemento indicador, Elemento registrador, Elemento final.

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Un sistema de control tiene tres operaciones bsicas:

Medicin(M): la medicin de la variable que se controla se hace generalmente mediante la combinacin de sensor y transmisor.

Decisin(D): con base en la medicin, el controlador decide qu hacer para mantener la variable en el valor deseado .

Accin(A): como resultado de la decisin del controlador se debe efectuar una accin en el sistema, generalmente sta es realizada por

el elemento final de control.

Estas tres operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema de control.

Registrador de temperatura

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Circuito para controlar la temperatura en un intercambiador de calor

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Q(L/min)

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III. RAZONES PRINCIPALES PARA EL CONTROL DE PROCESO

El control automtico de un proceso es una manera de mantener la variable controlada en el punto de control, a pesar de las

perturbaciones.

Razones por las cuales es necesario el control automtico:

Evitar lesiones al personal de la planta o dao al equipo. La seguridad siempre debe estar en la mente de todos, sta es la

consideracin ms importante.

Mantener la calidad del producto ( composicin, pureza, color, etc) en un nivel continuo y con un costo mnimo.

Mantener la tasa de produccin de la planta al costo mnimo.

Para tener xito en la prctica del control automtico de un proceso industrial, es importante que el ingeniero conozca: flujo de fluidos,

transferencia de calor, principios de termodinmica, principios de

reacciones qumicas, proceso de separacin, etc.

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IV. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO(PFD) Y DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES DE PLANTA

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IV.CLASES DE INSTRUMENTOS

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia a un

instrumento indicador, registrador, controlador o una combinacin de

estos.

Las seales ms usadas en la industria son :

Neumtica ( 3 a 15 psi o 0,206 a 1,033bar, o 0,21 a 1,05kg/cm2)

Electrnica (4 a 20mAcc o 1 a 5mAcc, o 10 a 50mAcc)

Digital ( es apta directamente para ordenadores)

Otras seales empleadas son : la hidrulica y la telemtica.

Transductores son instrumentos que reciben una seal de entrada funcin de una o ms cantidades fsicas y la convierten modificada o

no a una seal de salida. Son transductores: un rel, un elemento

primario, un transmisor, un convertidor PP/I ( presin del proceso a

intensidad, un convertidor PP/P ( presin del proceso a neumtica).

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Los convertidores son instrumentos que reciben una seal de entrada neumtica (3-15 psi) o electrnica ( 4-20mAcc) procedente de un instrumento y despus de modificarla envan la resultante en forma de seal de salida estndar.

Ejemplo: un convertidor P/I ( seal de entrada neumtica a seal de salida electrnica.

Ejemplo: un convertidor I/P ( seal de entrada electrnica a seal de salida neumtica).

Los receptores reciben las seales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envan otra seal de salida normalizada a los valores indicados ( 3 a 15psi en seal neumtica o 4 a 20mAcc en seal electrnica) que actan sobre el elemento final de control.

Controladores comparan la variable controlada ( presin, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una accin correctiva de acuerdo con la desviacin.

Elemento final de control recibe la seal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente a controlar.

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Medidas de presin

La presin es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmsferas, kilogramos por

centmetro cuadrado y psi( libras por pulgada cuadrada) .

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Medidas de caudal

En la mayora de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en planta piloto es muy importante la medicin de los caudales de lquidos y gases.

Mtodos:

A) Medidores volumtricos

1) Presin diferencial (placas de orificio y toberas, tubo venturi, tubo Pitot, Tubo Annubar)

2) rea variable ( rotmetro)

3) Velocidad

4) Fuerza

5) Tensin inducida

B) Medidores de caudal de masa

1) Trmico

2) Momento

3) Fuerza de coriolis

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La placa de orificio es el elemento primario para la medicin de flujo ms sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concntrico, excntrico

segmentado y se fabrica de acero inoxidable.

La placa de orificio tiene una dimensin exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco

depende del tamao de la tubera y la temperatura de operacin, en la cara

de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presin, se coloca

perpendicular a la tubera y el borde del orificio, se tornea a escuadra con

un ngulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con

un chafln de un ngulo de 45 grados por el lado de baja presin, el

biselado afilado del orificio es muy importante, es prcticamente la nica

lnea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba,

distorsin del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medicin,

adems, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su

identificacin, el lado de entrada, el nmero de serie, la capacidad, y la

distancia a las tomas de presin alta y baja.

En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases,

y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se

miden lquidos.

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Rotmetros: El rotmetro es un medidor de rea variable que consta de un tubo

transparente que se amplia y un medidor de "flotador" (ms pesado que el

lquido) el cual se desplaza hacia arriba por el flujo ascendente de un fluido en la

tubera. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el caudal. La

ranuras en el flotador hace que rote y, por consiguiente, que mantenga su

posicin central en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que

asume el flotador.

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Una tobera es un dispositivo que convierte la energa potencial de

un fluido (en forma trmica y de presin) en energa cintica.

Las toberas son elementos que reducen progresivamente el rea

transversal por donde circula un fluido. Tiene como objetivo

aumentar la velocidad del fluido al restringir el rea por donde se

mueve y, simultneamente tiene como consecuencia una cada en la

presin del fluido. El difusor, por el contrario, desacelera el fluido al

aumentar el rea transversal por donde circula ocasionando un

aumento en su presin.

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IV. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ESQUEMAS TIPICOS DE CONTROL

1) Calderas de vapor: Las calderas de vapor se utilizan en la mayora de las

industrias, pues muchos procesos industriales emplean grandes cantidades

de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de

produccin de vapor en toneladas/h a una presin especificada y con una

capacidad adicional de caudal en horas punta de consumo de la fbrica.

La caldera es un aparato que trabaja a presin, est construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas, su

funcionamiento se rige por las leyes de la termodinmica y su correcta

operacin depende de la combustin, la transferencia de calor y de las

medidas de seguridad.

Estos equipos basan su funcionamiento en las leyes de la termodinmica; la primera ley conocida tambin como el principio de la

conservacin de la energa establece que: ''la energa no puede ser creada

ni ser destruida, solo puede ser transformada'' y en la mayora de casos es

imposible convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin

prdidas, es decir que no existe mquina perfecta.

Y en la segunda ley de la termodinmica se establece la direccin unidireccional en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinmicos

desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura.

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El vapor se genera a travs de la transferencia de calor en las tuberas en las que el fluido, originalmente en estado lquido, se calienta y cambia al estado gaseoso.

Los tres aspectos ms importantes para considerar en el mantenimiento de calderas estn enfocados principalmente en el:

proceso de combustin el tratamiento qumico del agua y en los sistemas seguridad de la caldera. Proceso de combustin: La regulacin de la combustin

se basa en mantener constante la presin de vapor en la caldera, tomndose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.

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Las calderas emiten a la atmsfera diversos compuestos contaminantes que contribuyen al efecto invernadero, a la degradacin de la capa de ozono, a la alteracin del clima y por consiguiente al deterioro del medio ambiente. En las calderas la emisin de contaminantes tiene su origen en los gases resultantes del proceso de la combustin. En funcin de la eficiencia obtenida en el proceso se determina el valor de estas emisiones, por lo que se debe asegurar que la combustin se realice de forma tal que se logre el mximo aprovechamiento de la energa disponible y al mismo tiempo que este proceso sea amigable con el ambiente.

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Los principales factores que influyen en lograr estos parmetros son la

calidad del combustible utilizado (bunquer, diesel, madera, biomasa,

etc,) y el porcentaje de exceso de aire. Existen tcnicas y agentes

importantes dentro del mantenimiento de calderas para asegurar la

calidad de combustin que van desde monitorear peridicamente las

calibraciones y ajustes hasta la aplicacin de aditivos en el combustible

los cuales reducen el impacto ambiental y logran importantes ahorros

para la empresa.

Tratamiento qumico del agua: Es muy importante asegurar un

adecuado proceso de transferencia de calor de la combustin al

proceso de evaporacin del agua. El agua naturalmente pura contienen

minerales, la cual al ser expuesta a temperatura para evaporarla hace

que se concentren ciertos compuestos como calcio, magnesio y

sulfatos, los cuales se adhieren a las paredes de los tubos del lado del

agua, formando lo que conocemos como incrustaciones, las cuales

tienen como caracterstica ser excelentes aislantes del calor, por lo cual

no son deseados en la transferencia de calor entre el proceso de

combustin y la generacin del vapor de una caldera.

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La formacin de incrustaciones es energticamente inconveniente y por lo tanto traen consigo perdidas econmicas importantes para la

empresa. Para combatir este problema se realiza un tratamiento

qumico anti-incrustante para mantener disueltas las partculas

de estos compuestos volvindolas insolubles en el agua y

logrando la separacin de los mismos y luego eliminadas por medio

de la purga del sistema.

Sistema de proteccin y seguridad de la caldera: Una caldera fuera de control puede convertirse en lo equivalente a una bomba con

el poder de destruir todo a su alrededor debido a la energa

acumulada en su interior. Por esta razn la caldera se convierte en

una de las maquinas industriales con mayores medidas de seguridad.

Estas poseen sistemas de proteccin redundantes, los dispositivos

primarios son elementos como presostatos de trabajo y en el segundo

nivel estn los presostatos de seguridad.

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Una caldera debe ser capaz de:

a) Aportar una energa calorfica suficiente en la combustin del fuel-

oil o del gas con aire.

b) Desde el punto de seguridad, el nivel debe estar controlado y

mantenido dentro de unos lmites determinados.

c) Es necesario garantizar una llama segura en la combustin.

d) El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la

operacin y en el paro de la caldera.

e) El funcionamiento debe ser optimizado para lograr una rentabilidad

y economa adecuada, lo cual requiere optimizar la combustin.

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2) Secadores y evaporadores

Los secadores tienen por finalidad obtener un producto slido con poca humedad, mientras que los evaporadores concentran el

producto en forma lquida al evaporar el agua.

Es difcil medir directamente la humedad del producto, se controla en su lugar la temperatura variable que depende indirectamente de

la humedad.

El producto en forma de polvo hmedo entra en el circuito despus del horno y se seca durante el recorrido por el tubo vertical.

El control suele ser en cascada, siendo la variable primaria la temperatura de salida t la variable secundaria la temperatura

despus del horno.

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Secador de evaporacin rpida -control en cascada

aire horno

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El secador rotativo, consiste en un cilindro de gran longitud en cuya entrada se introduce el producto hmedo y a cuyo travs circula el

aire caliente.

Secador rotativo

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Los evaporadores existen en muchos tamaos, formas y tipos. El evaporador continuo tiene una produccin regular .

Segn el nmero de veces que la solucin es calentada se tiene varios tipos de evaporadores:

Evaporador simple efecto

Evaporador de doble efecto

Evaporador de triple efecto o ms.

El control consiste en fijar un flujo constante de vapor a la calandria , se controla el nivel del evaporador variando la entrada del

producto, y se regula la concentracin midiendo la elevacin del

punto de ebullicin en el evaporador y el condensado a la misma

presin absoluta, y actuando sobre la salida del producto.

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Evaporador simple efecto

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3) Columna de destilacin

La operacin de destilacin consiste en separar una mezcla por diferencia de composicin entre un lquido y su vapor.

Esta operacin se realiza en forma continua en las denominadas columnas o torres de destilacin donde por un lado asciende el vapor del lquido hasta salir por el tope de la columna y por el otro va descendiendo el lquido hasta llegar a la base.

Estos pasos tiene lugar una mezcla entre las dos fases, de tal modo que pueden efectuarse extracciones a distintos niveles de la columna para obtener productos ms o menos pesados.

Las variables importantes que regulan el funcionamiento de la columna son:

La presin en la cabeza de la columna

El caudal

La composicin y la temperatura de alimentacin.

El calor aadido y las caloras extradas as como

Los caudales de destilado y de producto extrado en la base.

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La presin de la columna se regula mediante un controlador de presin en cascada con un controlador de caudal de los gases incondensables que escapan del condensador.

El caudal de la alimentacin se regula con un controlador de caudal que mantiene un caudal constante, gracias a una banda proporcional bastante estrecha ( alta ganancia).

La composicin de la alimentacin tiene gran importancia en el funcionamiento de una columna. El cromatgrafo es el analizador ms empleado.

La temperatura de la alimentacin es tambin importante. Para controlarla se emplea un intercambiador de calor con vapor.

El calor aadido en la columna se efecta a travs de un intercambiador de calor instalado en la base o en un plato intermedio.

Un controlador de caudal de vapor ajusta estas caloras aportadas.

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Como complemento se instala un controlador de nivel en la base de la columna que lo ajusta mediante una vlvula de control que acta

sobre la extraccin.

Las caloras extradas tienen lugar en el condensador de los gases que salen de la cabeza de la columna. Un controlador de caudal de

agua de refrigeracin del condensador ajusta estas caloras.

Es obvio que las variables que influyen en el funcionamiento de la columna de destilacin son muy diversas y que cada una de ellas, si

vara acta como una perturbacin en todo el proceso, por lo que

existen formas variadas de control.

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4) Intercambiador de calor

La mayora de los procesos industriales emplean intercambiadores de calor en operaciones tales como precalentamiento,

pasteurizacin, esterilizacin y refrigeracin.

Existen varios sistemas de control de los intercambiadores de calor debido a los mltiples factores que deben considerarse:

La presin del vapor o del fluido de alimentacin

La fluctuaciones en el caudal del producto

Las variaciones en la temperatura del producto

Las variaciones del calor especfico

Los retardos del proceso etc.

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Referencias

[1] Creus Sol Antonio, Instrumentacin industrial, 6ta edicin, Alfaomega Grupo editor S.A de C.V, ISBN 970-15-0246-9, 1998.

[2] Carlos A, Smith, Armando B. Corripio, control automtico de procesos, Editorial Limusa S.A de C.V, ISBN 968-18-3791-8, 1996.

[3] Richard Turton, Richard C. Bailie, Wallace B. Whiting, Joseph A.Shaeiwitz, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Second Edition, ISBN 0-13-064792-6, Prentice Hall PTR, 2003

[4] B. Wayne Bequette, Process Control, Pretince Hall International Series, 2003

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