TEMA 1:

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Definición de Ingeniería Química (J. Cathalá, 1951 y M. Letort, 1961):

"Arte de concebir, calcular, diseñar, hacer construir y hacer funcionar instalaciones donde efectuar a escala industrial cualquier transformación química u operación física de separación inmediata".

Disciplina que sistematiza los conceptos físicos y químicos para su aplicación al diseño, desarrollo y operación de procesos a escala industrial.

Participa en el sector químico y en otros sectores industriales:

• Metalurgia
• Producción de energía
• Tecnología ambiental
• Tecnología alimentaria

Industria química: Obtención de productos a partir de materias primas.

Proceso químico: Diversas operaciones relacionadas entre sí; reacciones químicas y operaciones físicas de tratamiento o separación (Figura 1.1).

• Estado de equilibrio: Equilibrio entre fases, equilibrio químico.
• Procesos cinéticos: Fenómenos de transporte, cinética química.
• Ecuaciones de conservación (balances): Materia, energía, momento.
• Aspectos complementarios: Propiedades de los materiales; instrumentación y control; economía, estrategia, optimización.

Magnitud: Propiedad o cualidad física susceptible de medida, por lo que puede ser expresada cuantitativamente.

Unidad: Valor obtenido al fijar arbitrariamente la cantidad de una magnitud y que va a ser utilizada como referencia para medir su valor por comparación.

Sistema de magnitudes: Conjunto de magnitudes fundamentales (elegidas arbitrariamente) y derivadas (obtenidas a partir de las fundamentales mediante ecuaciones de definición) con las cuáles se pueden definir todas las variables y propiedades que intervienen en un fenómeno.

Sistema de unidades: Conjunto reducido de unidades, elegido arbitrariamente, que permite medir todas las magnitudes.

Diversos sistemas de magnitudes (absolutos, técnicos, ingenieriles) y de unidades (métrico, inglés), normalizados por la XI Conferencia General de Pesas y Medidas (París, 1960) en el Sistema Internacional de Unidades, S.I., declarado de uso legal en España (Ley 3/1987, de 18 de marzo, de Metrología, y Reales Decretos posteriores que la desarrollan).

Se definen:

• Magnitudes fundamentales básicas y suplementarias.
• Magnitudes derivadas.
• Unidades fundamentales básicas y suplementarias.
• Unidades derivadas.
• Múltiplos, submúltiplos y nombres especiales de unidades.

Factor de conversión: Número de unidades de una magnitud de un sistema de unidades en una unidad de la misma magnitud de otro sistema.

Los factores de conversión de las magnitudes fundamentales de los distintos sistemas de unidades son siempre experimentales.

Los factores de conversión de las magnitudes derivadas de los distintos sistemas de unidades se calculan a partir de los factores de conversión de las magnitudes fundamentales.

1.2.2 Ecuaciones dimensionales

Dimensión: Característica de una magnitud física expresada en términos de sus unidades fundamentales, de forma simbólica (M, L, t, T).

Las ecuaciones deducidas a partir de leyes físicas son siempre dimensionalmente homogéneas.

Módulo adimensional: Combinación de variables tal, que sus dimensiones se anulan.

Las ecuaciones empíricas deducidas como resultado de la experimentación pueden no ser dimensionalmente homogéneas (por lo que sólo serán válidas si se utilizan con las unidades empleadas para obtenerlas).

Generalmente se representan las ecuaciones empíricas mediante módulos adimensionales con ayuda de una técnica denominada análisis dimensional.

Sistema: Región del espacio perfectamente definida y circunscrita por unos límites a los efectos de su análisis; la región externa a los límites se denomina entorno.

La elección de un sistema es arbitraria, aunque no necesariamente sencilla.

Sistema abierto (continuo; con flujo): Sistema en el que se producen intercambios de materia con su entorno.

Sistema cerrado (por lotes; sin flujo): Sistema aislado de su entorno.

Propiedad: Característica medible o calculable de un sistema.

Propiedad intensiva: Propiedad independiente de la cantidad de materia del sistema.

Propiedad extensiva: Propiedad dependiente de la cantidad de materia del sistema.

Estado: Conjunto único de propiedades de un sistema en un momento dado; sólo depende de sus propiedades intensivas.

Ecuación de estado: Relación matemática entre las propiedades que caracterizan el estado de un sistema.

Fase: Estado completamente homogéneo y uniforme de la materia.

Un sistema está en equilibrio cuando su estado no puede experimentar ningún cambio espontáneo.

Características:

• El equilibrio es dinámico, consecuencia de la igualdad de velocidades para alcanzarlo y abandonarlo.
• Un sistema tiende espontáneamente a alcanzar el equilibrio.
• Si se modifica alguno de los factores que determinan el equilibrio, el sistema tenderá a compensar esta modificación (principio de LeChatelier).
• El estado de equilibrio no depende del camino seguido para alcanzarlo.
• El equilibrio se logra cuando se compensan dos tendencias opuestas: mínima energía y máxima entropía.

Grados de libertad: Número de propiedades de un sistema que definen el estado de equilibrio.

Regla de las fases (Gibbs): Relaciona los grados de libertad con el número de componentes y el número de fases de un sistema:

La condición de equilibrio entre fases implica el reparto de cada componente entre las fases según unas proporciones que sólo dependen de T y P.

Coeficiente de reparto: Relación utilizada para expresar el equilibrio entre las fases:

• Sistemas líquido - vapor: Ley de Dalton - Raoult:

• Sistemas líquido - gas: Ley de Henry:

Diagramas de equilibrio: Representaciones gráficas sobre el estado de equilibrio en diferentes condiciones.

1.4.2 Equilibrio químico

Ecuación estequiométrica: Representación de la naturaleza de un cambio químico, según las proporciones (coeficientes estequiométricos) en que se combinan las especies:

Constante de equilibrio: Descripción del estado de equilibrio químico; para sistemas ideales (para P y T constantes):

Los cambios de un sistema que tiende hacia el equilibrio se expresan mediante leyes cinéticas, que no están tan bien establecidas como las del estado de equilibrio.

1.5.1 Fenómenos de transporte

La velocidad con la que un sistema evoluciona hacia el equilibrio, provocando un transporte, es directamente proporcional al potencial impulsor (diferencia entre las condiciones real y de equilibrio) e inversamente proporcional a la resistencia que el sistema opone a dicho transporte (formalismo de ley de Ohm):

1.5.2 Cinética química

La velocidad con que un sistema reaccionante evoluciona hacia el equilibrio depende de diversos factores, cuya formulación se denomina ecuación cinética:

Únicos cambios posibles que puede sufrir un sistema:

• Materia (masa o composición).
• Energía (cantidad o calidad).
• Movimiento (velocidad o dirección).

Leyes de conservación de las propiedades extensivas: El estado de un sistema está absolutamente definido cuando están especificadas su cantidad y composición de materia, su energía total y las componentes de velocidad de que está animado:

• Conservación de la materia.
• Conservación de la energía.
• Conservación del momento.

Ecuación de conservación (balance): Expresión de una ley de conservación de una propiedad extensiva de un sistema:

E: Velocidad de entrada de propiedad al sistema.

G: Velocidad de generación de propiedad en el interior del sistema.

S: Velocidad de salida de propiedad del sistema.

A: Velocidad de acumulación de propiedad en el interior del sistema.

• Ecuaciones de conservación
• Ecuaciones de estado
• Ecuaciones de equilibrio
• Ecuaciones cinéticas

Tipos de modelos (materia como medio continuo):

• Macroscópico, fenomenológico, o de "caja negra":
• Se desconoce el funcionamiento interno del sistema.
• Se representa el sistema como relación entre salidas y entradas.
• Baja complejidad matemática: aplicación de ecuaciones de conservación a recintos finitos produce ecuaciones algebraicas.

• Microscópico, representacional, o de "caja con mecanismos":
• Se establecen hipótesis sobre mecanismos internos (que hay que comprobar).
• Se intenta representar conceptualmente el sistema.
• Alta complejidad matemática: aplicación de ecuaciones de conservación a elementos diferenciales produce ecuaciones diferenciales.