Aspectos básicos de las Operaciones Industriales

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Universidad Nacional de Salta - Facultad de Ingeniería - Ingeniería Industrial 
 
TRABAJO PRÁCTICO N°1 
TEMA: Aspectos básicos de las Operaciones 
Industriales, Balances de Materia y 
Herramientas computacionales para la 
resolución de los trabajos prácticos 
 
CATEDRA: Operaciones Industriales – 1° Cuatrimestre 2020 
Fecha Ejecución: 31/03/2020 Fecha Presentación: 07/04/2020 
 
 
GRUPO Nº:5 
Autores: 
 BALVERDI, Gonzalo Andrés LU: 310.862 
 CORTE, Enzo Marcelo LU: 311.503 
 GARNICA CASTILLO, Mauricio Rubén LU: 308.701 
 RODRIGUEZ, Alejandra de Jesús LU: 312.612 
 TOGNOLINI ARIAS, Camila LU: 309.992 
 VÉLEZ, Carlos Silvestre Esteban LU: 309.338
1 
 
PARTE 1: CONOCIMIENTOS PREVIOS 
 
1) Para la siguiente tabla de valores, realice la gráfica correspondiente, y encuentre un modelo matemático que 
ajuste a estos datos. (por ejemplo una función polinómica) 
x 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 
y 0,00 0,18 0,33 0,45 0,55 0,66 0,75 0,82 0,88 0,94 1,00 
 
Resolución: 
 
 
 
Mediante el análisis de línea de tendencia, podemos observar que el modelo matemático que mejor se ajusta 
a los datos es la fórmula definida en el gráfico, con un ajuste R2 de 0.9997. 
 
2) Pruebe, para la tabla del problema anterior, el modelo buscando el valor de” α” que mejor ajuste el sistema, 
siendo la ecuación: 
 
 
 
Resolución: 
Se resolverá mediante dos métodos; el primero mediante el despeje de la expresión de α de la ecuación inicial, 
para determinar un valor promedio del mismo a partir de los datos de la tabla, mientras el segundo método será 
la resolución del problema mediante la herramienta Solver del programa Excel. 
x y 
0 0 
0,1 0,18 
0,2 0,33 
0,3 0,45 
0,4 0,55 
0,5 0,66 
0,6 0,75 
0,7 0,82 
0,8 0,88 
0,9 0,94 
1 1 
*
1 ( 1)*
x
y
x



 
2 
 
a. Despejando de la ecuación: 
 
A partir de la expresión y con los datos se forma la tabla: 
x y α 
0 0 - 
0,1 0,18 1,975609756 
0,2 0,33 1,970149254 
0,3 0,45 1,909090909 
0,4 0,55 1,833333333 
0,5 0,66 1,941176471 
0,6 0,75 2 
0,7 0,82 1,952380952 
0,8 0,88 1,833333333 
0,9 0,94 1,740740741 
1 1 - 
 
 
En base a los datos de α se calcula un promedio donde: 
Promedio α 1,906201639 
 
b. Se arma la siguiente tabla: 
3 
 
x y y (Formula) y - y (Formula) 
0 0 0 0 
0,1 0,18 0,175790071 0,004209929 
0,2 0,33 0,324272749 0,005727251 
0,3 0,45 0,451352373 -0,001352373 
0,4 0,55 0,561345554 -0,011345554 
0,5 0,66 0,657481244 0,002518756 
0,6 0,75 0,742223012 0,007776988 
0,7 0,82 0,817483133 0,002516867 
0,8 0,88 0,884768633 -0,004768633 
0,9 0,94 0,945283232 -0,005283232 
1 1 1 0 
 Σ y - y (Form.) -1,09558E-11 
α Propuesto 1,919548149 
 
Para obtener el valor de α que mejor ajusta al sistema, se coloca una fila con los valores de Y obtenidos a partir 
de la ecuación, se calcula la diferencia entre ésta última y los valores experimentales y finalmente se suman estas 
diferencias. La sumatoria debería ser cero, si el ajuste fuera perfecto. 
Mediante la herramienta de Excel “Solver”, se obtiene α = 1,9196 aproximadamente. Con respecto al método 
anterior este permite calcular con una mayor precisión el valor exacto de α, con una variación del error casi 
inexistente. 
 
3) De sus apuntes de Fundamentos de las Operaciones Industriales y de Termodinámica II, repase los conceptos 
de balances de materia y energía; diferentes formas de expresar concentraciones 
 
Resolución: 
3.1 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA 
Los balances de masa y energía nos permiten conocer los caudales másicos de todas las corrientes 
materiales que intervienen en un proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término 
se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración. 
Estos balances, están basados en los principios de conservación de la materia y energía: 
 “La materia no se crea ni se destruye, sin embargo, su composición puede variar.” 
 “La energía de un sistema aislado permanece constante (no puede crearse ni destruirse, solo puede 
transformarse).” 
 
3.1.1 Balance de materia 
En forma general, un balance se plantea para una variable extensiva de la siguiente forma: 
4 
 
Acumulación = [Entrada con corriente material] – [Salida con corriente material] + [Entrada neta sin 
intercambio de materia] + [Generación] 
Una situación muy frecuente es que el proceso sea continuo, con lo cual el término de acumulación será 0; además 
al tratarse de un balance de materia, el término “Entrada neta sin intercambio de materia” también será nulo, 
quedando el balance: 
0 = [Entrada con corriente material] – [Salida con corriente material] + [Generación] 
[Salida con corriente material] = [Entrada con corriente material] + [Generación] 
Los balances de materia pueden plantearse en términos de masa o de moles y pueden ser globales o de cada uno 
de los componentes intervinientes. 
En términos molares: 
BALANCE TOTAL 
 
BALANCE DE CADA COMPONENTE 
 
En donde i es cada uno de los componentes en el sistema, α es el coeficiente estequiométrico del componente en 
la reacción química y 𝜉 el avance de reacción. 
En términos másicos: 
BALANCE TOTAL 
 
BALANCE DE CADA COMPONENTE 
 
Se multiplica por el peso molecular de cada componente ya que el avance de reacción está expresado en moles y 
se calcula como: 
 
Tal y como se ha indicado los BM se pueden aplicar a una unidad de proceso (un equipo), como a todo el proceso 
completo. Para una unidad o equipo, podrán plantearse tantos BM independientes como componentes intervienen 
5 
 
en el mismo, y a un proceso completo se le podrán plantear un número de BM independientes igual a la suma de 
los de todas las unidades del mismo, entendiendo como unidades de un proceso los equipos u operaciones que lo 
integran. Además, en algunos casos existen relaciones impuestas entre las distintas corrientes que nos pueden 
servir como ecuaciones adicionales a los BM. 
 
3.1.2 Balance de energía 
Los balances de energía serán imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea 
determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de 
destilación, etc., es decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido. La llamada ecuación de las entalpías, que 
se incluye a continuación, suele ser suficiente para su planteamiento. 
 
Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del sistema, He y Hs las entalpías de los mismos, y 
Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado por el sistema, y si es negativo será cedido 
por el mismo a los alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad 
calorífica, y una temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase también habrá que considerar el calor 
latente. 
 
3.2 DIFERENTES FORMAS DE EXPRESAR CONCENTRACIÓN 
Hay varias maneras de expresar la concentración cuantitativamente, basándose en la masa, el volumen, o ambos. 
Según cómo se exprese, puede no ser trivial convertir de una medida a la otra, pudiendo ser necesario conocer la 
densidad. Ocasionalmente esta información puede no estar disponible, particularmente si la temperatura varía. 
Por tanto, la concentración de la disolución puede expresarse como: 
 
6 
 
PARTE 2: PROBLEMAS SUGERIDOS DE APLICACIÓN 
1) Investigue las siguientes operaciones de separación 
 Sedimentación 
 Filtración 
 Destilación 
 Extracción 
 Evaporación 
 Secado 
 
Para cada una de ellas complete la siguiente Información: 
a) Nombre de Operación 
b) Tipo de Operación (continua, discontinua) 
c) Flujo (cruzado, en contra corriente, paralelo) 
d) Fases involucradas (sólido, líquido, gaseoso, combinación entre ellas) 
e) Contacto entre fases (continuo, discontinuo) 
f) Fuerza impulsora 
g) Fenómeno Principalh) Ejemplo industrial en Salta o la Región NOA, Fotografía, diagrama de Flujo donde se observe la 
interacción de la operación unitaria en cuestión, en el proceso completo 
 
Resolución: 
 
DESTILACIÓN: Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en 
las diferencias de presión de vapor. 
Tipo de operación: Continua 
Flujo: Contracorriente 
Fases involucradas: Liquido-gas 
Contacto entre fases: Por etapas 
Fenómeno principal: Separación por diferencia de presión y temperatura de ebullición 
Ejemplo industrial: 
 Destilación de petróleo crudo para la elaboración de gasolinas. 
 Producción de alcohol 
Fuerza impulsora: Separación por diferencia de presión y temperatura de ebullición 
Esquema/foto: 
7 
 
 
EVAPORACIÓN: Éste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporación de un 
disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en 
solución. 
Tipo de operación: Continua 
Flujo: Contracorriente 
Fases involucradas: Liquido-gas 
Contacto entre fases: Continua 
Fenómeno principal: Transmisión de calor 
Ejemplo industrial: 
 Evaporación de salmuera para obtención de NaCL. 
Fuerza impulsora: Diferencia de temperaturas 
Esquema/foto: 
 
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO: En este caso, el soluto de una solución líquida se separa 
poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución. 
Tipo de operación: Continua 
Flujo: Co-corriente 
Fases involucradas: Liquido-liquido 
Contacto entre fases: Continuo o por etapas 
Fenómeno principal: Transferencia de materia 
Ejemplo industrial: 
 Tratamiento de aguas residuales. Regeneración 
Fuerza impulsora: Diferencia de composición 
8 
 
Esquema/foto: 
 
 
FILTRACIÓN: Proceso físico de separación de partículas macroscópicas sólidas de una fase líquida. 
Tipo de operación: Continua 
Flujo: Co-corriente 
Fases involucradas: Líquido - sólido 
Contacto entre fases: Continuo 
Fenómeno principal: Transferencia de cantidad de movimiento 
Ejemplo industrial: 
 Elaboración de productos para infusiones 
Fuerza impulsora: Diferencia de presiones 
Esquema/foto: 
 
SEDIMENTACIÓN: separación solido-liquido en la que las partículas sólidas se separan debido a la 
diferencia de densidad entre las dos fases presentes. 
Tipo de operación: Continua 
Flujo: Co-corriente 
Fases involucradas: Sólido - Líquido 
Contacto entre fases: Continuo 
Fenómeno principal: Transferencia de cantidad de movimiento 
Ejemplo industrial: 
 Separador de aceites 
9 
 
Fuerza impulsora: Diferencia de densidades 
Esquema/foto: 
 
SECADO: Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos. 
Tipo de operación: Continua 
Flujo: Contra o co-corriente 
Fases involucradas: Sólido – Gas 
Contacto entre fases: Continuo 
Fenómeno principal: Transferencia de materia y calor 
Ejemplo industrial: 
 Secado de tabaco 
Fuerza impulsora: Diferencia de concentraciones 
Esquema/foto: 
 
2) En un proceso que produce KNO3, el sistema evaporador-cristalizador se alimenta con 10 tn/hr de una 
solución que contiene 15 %de KNO3 de sólidos en peso y se concentra a 480K para obtener una solución L 
al 60% de sólidos en peso a la salida del evaporador. Esta solución se alimenta a un cristalizador que enfría 
dicha solución a 311K, donde se descarga una corriente P, con cristales de KNO3 al 90% de sólidos en peso 
.La solución saturada R que sale del cristalizador que contiene 30% de KNO3 de sólidos en peso se recircula 
al evaporador, previo mezclado con la corriente que alimenta al sistema. Calcule el flujo de la corriente de 
recirculación R en tn/hr, el flujo de P en tn/hr, el flujo V en tn/hr de agua eliminada en el evaporador, y el 
flujo de solución concentrada L en tn/hr que sale del evaporador. 
 
10 
 
Resolución: 
 
Datos 
F 10 Tn/hr 
V 8,33 Tn/hr 
L 3,33 Tn/hr 
R 1,67 Tn/hr 
P 1,67 Tn/hr 
XF 0,15 
XV 0 
XL 0,6 
XR 0,3 
XP 0,9 
XSF 0,17 
 
Ecuaciones 
Global 
F = P+V 
F*XF = P*XP 
 Cristalizador 
L = R+P 
L*XL = R*XR+P*XP 
Evaporador 
F+R = V+L 
(F+R)*XSF = L*XL 
Mezclador 
F*XF+R*XR = (F+R)*XSF 
 
 
3) En el proceso de concentración de Jugo de naranja, el zumo recién extraído y filtrado que contiene 8,5 % de 
sólidos en peso, se alimenta a un evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de 
sólidos aumenta al 60% en peso. Para una alimentación de 1 tn/hr, calcule el flujo de agua eliminada en forma 
de vapor y el flujo de Jugo concentrado. 
 
 
10 = 10 
1,5 = 1,5 
Objetivo 0 
3,33 = 3,33 
2,00 = 2,00 
Objetivo 0 
11,67 = 11,67 
2,00 = 2,00 
Objetivo 0 
2,00 = 2,00 
Objetivo 0 
11 
 
Resolución: 
 
Datos 
F 1 Tn/hr 
V 0,86 Tn/hr 
L 0,14 Tn/hr 
XF 0,085 
XV 0 
XL 0,6 
 
 
Ecuaciones 
Global 
F = V+L 
F*XF = L*XL 
 
 
4) Una alimentación de 10tn de pulpa de soja (F) se procesa en una secuencia de 3 etapas. La alimentación 
contiene 35% en proteína, 27,1% en peso de carbohidratos, 9,4% en peso de fibras y cenizas, 10,5% en peso 
de humedad y 18% en peso de aceite. En la primera etapa, la soja se macera y se prensan para extraer el 
aceite, obteniéndose corrientes de aceite(A) y de pasta prensada (PP) que todavía contiene 6% de aceite 
(suponer que no hay pérdidas de otros constituyentes en la corriente de aceite). En la segunda etapa, la pasta 
prensada (PP) se trata con 7,759tn de hexano (H) para obtener una corriente de pasta de soja refinada (PR) 
que contiene 0.5% de peso en aceite y una corriente de aceite-hexano (AH). Suponga que no sale hexano en 
la corriente refinada de soja. Finalmente en la última etapa se seca la soja refinada para obtener un producto 
con 5% en peso de humedad. 
Calcule: 
a) kg de pasta de soja que salen de la primer etapa(PP) 
b) kilogramos de pasta refinada en la segunda etapa(PR) 
c) kilogramos de pasta seca final(PS) y porcentaje de peso en proteína en el producto seco(XpPS) 
 
 
 
1 = 1 
0,085 = 0,085 
Objetivo 0 
12 
 
Resolución: 
 
Datos 
F 10 Tn 
A 1,277 Tn 
PP 8,723 Tn 
H 7,759 Tn 
AH 8,278 Tn 
PR 8,204 Tn 
W 1,014 Tn 
PS 7,190 Tn 
XPF 0,35 
XCF 0,271 
XFCF 0,094 
XHF 0,105 
XAF 0,18 
XAPP 0,06 
XAAH 0,063 
XAPR 0,0005 
XHPS 0,005 
XPPS 0,487 
 
Ecuaciones 
Etapa 1 
F = A+PP 
F*XAF = A+PP*XAPP 
Etapa 2 
PP+H = AH+PR 
PP*XAPP = AH*XAAH+PR*HAPR 
H = AH*(1-XAAH) 
Global 
F+H = A+AH+W+PS 
F*XPF = PS*XPPS 
F*XHF = W+PS*XHPS 
 
 
10 = 10 
1,8 = 1,8 
Objetivo 0 
16,482 = 16,482 
0,523 = 0,523 
7,759 = 7,759 
Objetivo 0 
17,759 = 17,759 
3,5 = 3,5 
1,05 = 1,05 
Objetivo 0 
13 
 
5) Se va a fraccionar una solución de metanol etanol que contiene un 40% en moles de metanol, a presión de 
500 psia, con un flujo de 5000 mol/hr. El producto destilado debe contener un 95% de metanol y el residuo 
no más de 0.5%. En el plato de alimentación se evapora un 30% en moles de Alimentación. El condensador 
es total y el reflujo ingresa a la torre en forma de líquido en ebullición. 
a) Realice un diagrama del proceso rotulando el mismo con los datos del problema 
b) Realice el planteo de las ecuaciones de balance de materia 
c) Calcule el flujo de productos de fondo y de tope 
 
Resolución: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ecuaciones 
Torre 
F = R+L 
F*XF = R*XR+L*XL 
Condensador 
R = P 
R*XR = P*XP 
Bifurcación 
P = C+D 
P*XP = C*XC+D*XD 
Reboiler 
L = V+B 
L*XL = V*XV+B*XB 
Global 
F = D+B 
F*XF = D*XD+B*XB 
Datos 
 
F 5000 mol/hr 
D 2089,95 mol/hr 
B 2910,05 mol/hr 
XF 0,4 
XD=P=C 0,95 
XB 0,005 
5000 = 5000 
2000 = 2000 
Objetivo 0 
14 
 
6) En un proceso de extracción liquido-liquido (compuesta de una etapa de mezcla y una etapa de separación), 
en la etapa de mezcla se alimentan 5000 kg/hr de una corriente orgánica, con una composición de 30 % en 
pesode acetona y 70 % en peso de metil isobutil cetona (MIK), y una corriente de agua pura a razón de 7500 
kg/h. 
a) Realice un diagrama del proceso rotulando el mismo con los datos del problema 
b) Realice el planteo de las ecuaciones de balance de materia de toda la etapa de extracción 
c) Calcule el flujo y concentración de la corriente M, que abandona la etapa de Mezcla. 
 
Resolución: 
 
 
 
 
 
 
Ecuaciones 
Mezclador 
F+W = M 
F*XACF = M*XACM 
W = M*XWM 
Separador 
M = R+S 
M*XACM = R*XACR+S*XACS 
M*XWM = R*XWR+S*XWS 
Global 
F+W = R+S 
F*XACF = R*XACR+S*XACS 
W = R*XWR+S*XWS 
 
 
Datos 
 
F 5000 kg/hr 
W 7500 kg/hr 
M 12500 kg/hr 
XACF 0,3 
XMIKF 0,7 
XACM 0,12 
XWM 0,60 
XMIKM 0,28 
12500 = 12500 
1500 = 1500 
7500 = 7500 
Objetivo 0 
15 
 
PARTE 3: ARTICULACIÓN VERTICAL- HORIZONTAL 
1) Estimar el exponente M de la ecuación I=Io(A/Ao)M para los siguientes equipos: 
 Separación mecánica: Filtro de tambor 
 Destilación: Torres rellenas 
 Intercambiadores de Calor: placas 
 Filtración: placa y marco 
 Humidificación: Torres de enfriamiento 
 Secado: secadero de bandejas 
 
Resolución: 
En base a la fórmula: 
 
Se calcula: 
 
 
100 $ 234.700 0,459577867
250 $ 357.600 0,517736741
300 $ 393.000 0,535228957
350 $ 426.800 0,552717431
450 $ 490.400 0,567201172
500 $ 520.600 0,575728798
560 $ 555.700 0,58791419
700 $ 633.600 0,598271036
750 $ 660.300 0,600668721
800 $ 686.400
Promedio: 0,55500499
Capacidad o 
área de filtro 
Q [ft
2
]
Costo [U$S] M
Filtro de tambor
Material: acero al carbono
130 $ 138.300 0,519673245
200 $ 173.000 0,520345586
250 $ 194.300 0,520081881
310 $ 217.300 0,520837929
390 $ 244.900 0,518836198
460 $ 266.800 0,523336273
500 $ 278.700 0,517823465
550 $ 292.800 0,519834581
640 $ 316.800 0,520284429
800 $ 355.800
Promedio: 0,520117065
Filtro de placa y marco
Material: Ac. Inoxidable 304 - Presion: atm
Area de Filtro 
[ft
2
]
Costo [U$S] M
10 $ 388.500 0,60003153
90 $ 1.452.000 0,599915835
140 $ 1.892.700 0,600056517
200 $ 2.344.400 0,600107236
220 $ 2.482.400 0,600023274
280 $ 2.868.900 0,599998278
400 $ 3.553.500 0,599960845
470 $ 3.914.500 0,60001497
520 $ 4.159.300 0,600001228
600 $ 4.532.200
Promedio: 0,60001219
Torre de Enfriamiento
Mat: Ac. Al carbono - tiro inducido - P: atm
Carga de Frio 
[millones 
BTU/hs]
Costo [U$S] M
20 $ 9.900 0,381870635
40 $ 12.900 0,371975015
60 $ 15.000 0,399882198
75 $ 16.400 0,37023491
95 $ 17.900 0,370804372
110 $ 18.900 0,403320425
125 $ 19.900 0,38150435
130 $ 20.200 0,370539173
150 $ 21.300 0,385767897
200 $ 23.800
Promedio: 0,381766553
MCosto [U$S]
Area de 
Secado [ft
2
]
Material: Ac. Al carbono - Presion: atm
Secador de Bandejas
16 
 
 
 
2) Control Automático: Investigue las variables que deben controlarse en un proceso industrial con el objeto de 
realizar un balance de materia y los instrumentos y/o dispositivos indicados para ello. Ejemplifique en cada 
caso. 
 
Resolución: 
El objeto de todo proceso industrial será la obtención de un producto final, de unas características 
determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado, cada 
día más restrictivos. La misión del sistema de control de proceso será corregir las desviaciones surgidas en las 
variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran óptimos para conseguir las 
propiedades requeridas en el producto producido. El sistema de control nos permitirá una operación del proceso 
más fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables. Principalmente los 
beneficios obtenidos serán: 
 Incremento de la productividad 
 Mejora de los rendimientos 
 Mejora de la calidad 
 Ahorro energético 
 Control medioambiental 
 Seguridad operativa 
 Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo 
 Fácil acceso a los datos del proceso 
El control del proceso consistirá en la recepción de unas entradas, variables del proceso, su procesamiento y 
comparación con unos valores predeterminados por el usuario, y posterior corrección en caso de que se haya 
producido alguna desviación respecto al valor preestablecido de algún parámetro de proceso. 
El bucle de control típico estará formado por los siguientes elementos, a los que habrá que añadir el propio 
proceso. 
100 $ 44.393 0,361616482
200 $ 57.039 0,361600102
300 $ 66.046 0,361573194
400 $ 73.286 0,361629826
500 $ 79.445 0,361592444
600 $ 84.859
Promedio: 0,36160241
 Intercambiador de Calor: Placas
Area de 
Transferencia 
[m
2
]
Costo [U$S] M
10 $ 19.000 0,275634443
20 $ 23.000 0,395453633
30 $ 27.000 0,480218796
40 $ 31.000 0,543868986
50 $ 35.000
Promedio: 0,423793964
Torres rellenas 
Altura del 
relleno [ft]
Costo [U$S] M
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 Elementos de medida (Sensores): Generan una señal indicativa de las condiciones de proceso. 
 Elementos de control lógico (Controladores): Leen la señal de medida, comparan la variable medida con 
la deseada (punto de consigna) para determinar el error, y estabilizan el sistema realizando el ajuste 
necesario para reducir o eliminar el error. 
 Elementos de actuación (Válvulas y otros elementos finales de control): Reciben la señal del controlador 
y actúan sobre el elemento final de control, de acuerdo a la señal recibida. 
El control se establece jerárquicamente, comenzando por el control de cada variable para, posteriormente, analizar 
el control del conjunto de variables que intervienen en las mencionadas operaciones básicas o reactores. 
 
La metodología propuesta se basa en dos principios básicos que se aplican a todos los casos: 
1. Es necesario el análisis del funcionamiento de cada lazo desde una óptica de proceso, partiendo del 
conocimiento de las relaciones (de balance, físico-químicas o de diseño) existentes entre las distintas 
variables involucradas en cada circunstancia 
2. No es posible tipificar las estrategias, es decir, establecer recetas o comportamientos genéricos, por lo que 
el análisis debe ser específico para cada caso concreto. 
Para definir qué variables han de ser o conviene que sean controladas hay que analizar el sistema desde un punto 
de vista de proceso. Como pauta se pueden ir siguiendo los controles requeridos para cada uno de los objetivos 
generales, esencialmente se atenderá qué variables afectan a la seguridad y estabilidad de funcionamiento, a la 
calidad de los productos generados y la rentabilidad de la operación. 
La seguridad vendrá típicamente afectada por evitar que la presión y la temperatura alcancen ciertos valores 
máximos, en este sentido proveerá ciertos valores de restricción para estas variables. 
La estabilidad requerirá como primer paso, en general, el mantenimiento de los inventarios, es decir, de los 
balances de materia. El balance de los elementos líquidos se materializa en la estabilidad de los niveles y el 
balance de los elementos gaseosos en el mantenimiento de las presiones. Así pues, niveles y presiones de cada 
uno de los recipientes serán en general variables que deban controlarse. 
También el caudal de alimentación, frecuentemente denominada carga de trabajo, afecta a la estabilidad de 
operación y podrá ser una variable a controlar, si bien en muchas ocasiones su valor vendrá condicionado por los 
caudales de salida de las unidades aguas arriba, en cuyo caso se deberá considerar como una perturbación. 
La calidad suele requerir el mantenimiento de concentraciones en determinadas corrientes. Estas concentraciones, 
medidas directamente con analizadores o inferidas por alguna otra variable, temperatura, pH, etc. serán otro grupo 
habitual de variables controladas. 
Como perturbaciones típicas deberán analizarse la influencia de las variaciones en las condiciones de entrada 
(presión, temperatura, caudal o composiciones) así como la potencial influencia de factores atmosféricos(la lluvia 
por ejemplo puede afectar notablemente el funcionamiento de columnas de destilación y otros equipos intemperie 
al favorecer la pérdida de energía al exterior). La identificación de las posibles variables manipuladas se suele 
hacer fácilmente mediante la identificación de aquellas corrientes susceptibles de soportar una válvula de control 
(o en general otro elemento final). Como precaución general deberá atenderse a no incorporar más de una válvula 
en cada corriente ya que en ese caso sólo influiría aquella que se encontrara más cerrada. Tras la identificación 
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de las posibles variables manipuladas podrá encontrarse que su número es igual, superior o inferior al de variables 
manipuladas. Si es igual posibilitará directamente el establecimiento de ese mismo número de lazos simples 
realimentados. 
Por lo tanto las variables controlables más importantes son: 
1) CAUDAL: importante para conocer el balance de materia. Raramente se mantiene constante, 
generalmente fluctúa y es una variable ruidosa cuando se mide. a variable manipulada es la controlada y por 
lo tanto la ganancia del proceso resulta igual a 1. Dos de las configuraciones más difundidas se muestran en 
las Figuras 2 y 3. La dinámica del proceso puede modelarse como un elemento de primer orden, haciendo un 
balance de cantidad de movimiento (fuerzas) que considere a la cantidad de fluido que hay en la línea entre 
el sensor y elemento final de control (válvula, bomba centrífuga o ventilador) y que aparece rayado en los dos 
esquemas. 
 
La constante de tiempo varía con el flujo en forma diferente según que se manipule el estrangulamiento 
del flujo (directamente proporcional) o que se maneje la velocidad de la bomba centrífuga o ventilador, 
en cuyo caso la constate de tiempo es inversamente proporcional al caudal. En cualquier caso, los 
valores de constante de tiempo en general no superan los 2 segundos. 
Cuando se emplea una bomba de desplazamiento positivo, la única posibilidad de controlar el caudal es 
mediante el manejo de una corriente de reciclo tal como se muestra en la Fig. 4. En este caso, la 
ganancia es igual a -1 (mayor caudal derivado por la corriente de reciclo representa una disminución 
equivalente de la corriente principal) y la dinámica también puede ser asimilada a un primer orden como 
en los casos anteriores. Existen muchos dispositivos de medición-transmisión lineales (ganancia 
constante) como el caso de medidores magnéticos o de desprendimiento de vórtices. 
 
Instrumentos de medición de flujo volumétrico: 
 MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL: Placa de Orificio, Tobera o Boquilla de Flujo, Tubo de 
Venturi, Tubo de Pitot, Tubo Anubbar 
 MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE: Rotámetro 
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 MEDIDORES DE VELOCIDAD: Turbina, Transductores ultrasónicos 
 MEDIDORES DE FUERZA: Medidor de Placa 
 MEDIDORES DE TENSIÓN INDUCIDA: Medidor magnético de caudal 
 MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO: Disco y Pistón oscilante, Pistón alternativo, 
rotativos, etc. 
 MEDIDORES DE TORBELLINO Y VÓRTEX 
 MEDIDOR OSCILANTE 
2) PRESIÓN: es la única que puede ser a su vez clasificada en tres categorías (líquido, gas y vapores en 
equilibrio), cada una con características bien diferenciadas. En los sistemas donde líquido y vapor están en 
equilibrio (columnas de destilación, evaporadores, calderas, etc.), el fluido cambia de fase con transferencia 
de calor. Cuando la presión se controla por adición o remoción directa del vapor se espera que la respuesta 
sea idéntica a la de presión de gases. Un ejemplo se ve en la Figura 7. 
 
Si la presión se controla manipulando la transferencia de energía (caso de la Figura 8), entonces las 
características son similares a la de lazos de temperatura, ya que en este caso el balance de materia está 
acoplado con el de energía. 
Ejemplo: Válvulas reductoras de presión: 
En una planta usuaria de vapor, normalmente el vapor se genera a presiones elevadas y reducidas 
localmente para proveer calor para cada usuario de vapor. Normalmente esto se realiza para minimizar el 
diámetro de la tubería de distribución de vapor y permitir un suministro de vapor con costo más eficiente. 
20 
 
 
3) NIVEL: es la integral del caudal durante el tiempo que esta dura y da una medida de la acumulación 
de materia en el sistema considerado. El nivel de líquido fue presentado hasta ahora en forma muy 
simplificada, con una dinámica caracterizada fundamentalmente por un integrador. Considerando un balance 
de masa: 
 
Sin embargo hay otras características dinámicas que complican el comportamiento de la variable. Una de 
ellas es la Resonancia Hidráulica. En la ecuación de balance anterior, realmente h representa el nivel 
promedio en el tanque. Cualquier superficie de líquido, por efecto de alguna perturbación, como sería el 
flujo de líquido que cae sobre ella, genera un movimiento ondulante. Este fenómeno, que por otra parte se 
manifiesta tanto en un lago como en un tanque, se lo denomina resonancia hidráulica. El nivel que 
"realmente" mide el transmisor, es el nivel medio más (o menos) la altura (o depresión) de la ola de líquido 
como se ve en la Figura 9. La resonancia puede ser modelada en forma aproximada con un sistema de 
segundo orden subamortiguado. La función de transferencia entre el caudal alimentado o extraído y el nivel 
será de la forma: 
 
21 
 
Donde KP es la constante del integrador tal como resultaría de un modelado simplificado con la ecuación de 
balance de masa (inversa de la sección transversal con el signo que corresponda según el caudal considerado). 
Ejemplo controlador nivel de líquido: 
 
 
4) TEMPERATURA: es una propiedad intensiva asociada al balance de energía. La variable temperatura es un 
indicador de la energía acumulada en el sistema y su control se hace generalmente manipulando el flujo de 
calor gobernado por mecanismos de conducción, convección y/o radiación. El proceso de transferencia de 
energía entre dos fluidos implica al menos tres capacidades térmicas (sistemas de primer orden) en serie 
interactuantes 
 Capacidad del fluido caliente 
 Capacidad de la pared que separa ambos fluidos 
 Capacidad del fluido frío 
 
De tal magnitud que "filtran" las fluctuaciones de alta frecuencia, lo que transforma a la temperatura en una 
variable virtualmente exenta de ruido. Como la temperatura es una propiedad transportada por el fluido, si el 
elemento de medición está ubicado en la corriente de salida, hay un retardo distancia velocidad asociado a la 
posición en la que se encuentra el sensor y que es variable con el caudal. La dinámica de la válvula puede 
despreciarse en estos lazos ya que la constante de tiempo es de un orden de magnitud menor que las asociadas 
a las capacidades térmicas. La manipulación del flujo de energía se hace manejando el caudal de la corriente 
(la fría o la caliente) o el flujo de combustible según la unidad considerada. Como el proceso de transferencia 
es no lineal, cabe esperar que la ganancia del proceso sea no lineal. Los transmisores de temperatura son 
lineales, lo que asegura que su ganancia sea constante. La característica de flujo del elemento final de control 
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debe analizarse para cada situación particular. En la mayoría de los casos una característica igual porcentaje 
(o similar) es la mejor opción. 
Cuando la variable temperatura es controlada es porque se requiere que se mantenga dentro de un rango muy 
acotado. Esto hace imprescindible la acción integral en el controlador. Teniendo presente que estos lazos 
pueden ser relativamente lentos (períodos naturales que pueden llegar a la decena de minutos), que no 
presentan ruido y que son sistemas multicapacitivos, se espera que la acción derivativa produzca una 
sustancial mejora de la performance. Estas razones avalan el uso de controladores PID en estos lazos. Debe 
recordase que los lazos de presión de vapores,donde se manipula el flujo de calor, se comportan en manera 
análoga a los lazos de temperatura como el caso de columnas de destilación y generadores de vapor. 
 
5) COMPOSICIÓN: determina la proporción de cada componente en la mezcla. Está asociada con el balance 
de materia. No necesariamente se mide directamente la composición, también se la puede inferir a partir 
de medidas de conductividad, viscosidad, etc. Los lazos de composición son probablemente los más 
importantes en la industria de procesos ya que regulan la calidad del producto. Sin embargo, están poco 
difundidos porque suelen ser de difícil control. La composición de los productos está vinculada al balance de 
masa de componentes. Como se dijo, la mayoría de las veces no se mide directamente la composición sino se 
la infiere a partir de alguna propiedad relacionada con ella como densidad, viscosidad, conductividad, índice 
de refracción, etc. Como la composición es una propiedad transportada por las corrientes en las que viaja el 
producto siempre aparece tiempo muerto (retardo distancia-velocidad). Si para medir la composición se debe 
recurrir a muestreo (caso de un cromatógrafo en línea), la información de la composición se dispone a 
intervalos regulares (tiempo de muestreo). Surge por esta causa un tiempo muerto adicional equivalente a 1.5 
veces dicho tiempo de muestreo. Hay una fuente adicional de tiempo muerto: la agitación imperfecta. En 
muchas de las unidades donde se debe controlar composición, se mantiene una agitación vigorosa a afectos 
de asegurar un comportamiento próximo a la mezcla perfecta. Esto es especialmente cierto en tanques como 
el mostrado, donde el agitador genera una corriente dentro del recipiente que favorecen el denominado 
retromezclado (back mixing). 
 
 
 
 
 
 
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BIBLIOGRAFÍA 
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