Curso : Operaciones yProcesos Unitarios CURSO : OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS Profesor : Ing. Cesar Osorio Carrera Ing. Cesar Osorio Carrera Contenidos Conceptuales • Unidad 1 : Balance de materia y energía • Unidad 2 : Transferencia de cantidad de movimiento • Unidad 3 : Transferencia de calor • Unidad 4 : Transferencia de masa Bibliografia Introducción a las Operaciones y Procesos Unitarios Operaciones Unitarias En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto a la forma en que los materiales de entrada o de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos químicos o biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos, aparentemente distintos, y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de industrias de proceso. Materias Primas Proceso Productos Finales Operaciones Unitarias Definición mas aceptada : Es una parte integrante de un proceso químico Su propósito es modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma mas útiles para nuestros fines. Esto se logra por tres vías : 1.-Modificando su masa o composición 2.-Modificando el nivel o calidad del tipo de energía 3.-Modificando sus condiciones de movimiento. Procesos fundamentales de transporte 1. Transferencia de cantidad de movimiento: Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado. 2. Transferencia de calor: En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de calor que pasa de un lugar a otro, se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras. 3. Transferencia de masa: En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente, el mecanismo básico es el mismo, ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas o liquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción liquido-liquido, etc. Clasificación de los procesos químicos Los procesos químicos pueden clasificarse como : 1.- Procesos intermitentes o por lotes 2.- Proceso continuo. 3.-Proceso semicontinuo Si las variables del proceso no cambian con el tiempo se dice que el proceso opera estado estacionario. Si cualquiera de las variables cambia con el tiempo se dice que la operación es transitoria o de estado no estacionario Operaciones unitarias Evaporación Evaporación de un disolvente volátil de un soluto no volátil Secado Separación de líquidos volátiles de materiales sólidos. Destilación Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor. Absorción En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido. Separación con membrana Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido. 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. Lixiviación sólido líquido- Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con un liquido que extrae el soluto del sólido Cristalización Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por precipitación de dicho soluto. Diagramas de bloque Diagrama de flujo Diagrama de flujo Diagrama de flujo Diagrama de flujo UNIDAD 1 : Balance de materia y energia • Balance de materia • Balance de energía BALANCE DE MATERIA Ley de conservación de la materia La materia no se crea ni se destruye solo se transforma. m˙ Entrada PROCESO m˙ Salida Entradas – Salidas = Acumulación El diseño de un nuevo proceso o el análisis de uno ya existente no están completos hasta que sea estable que las entradas y salidas satisfacen la ecuación de balance. Ecuación general de balance La La ecuación general de balance de una cantidad que se conserva puede escribirse de manera general como : . Entrada +Generación-Consumo=Salida +Acumulación Este balance se debe hacer en un volumen del sistema Balance de materia Pasos para resolver un problema de balance de masa: 1.- Trace un diagrama simple del proceso 2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay 3.- Seleccione una base para el cálculo 4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan 4.1- Nºde variables = Nº de ecuaciones => Solución 5.- Proceda al balance de masa Balance de materia Determine las variables y ecuaciones que las relacionan A PROCESO x1, x2, x3….xn A,B,C = Flujos a, b, c….n = Componentes B x1, x2, x3….xn C x1, x2, x3….xn E 1: Σ F. Entradas = Σ F. Salidas A=B+C 1 E 1: Σ x1 Entradas = Σ x1 Salida x1 A = x1 B + x1 C + E 2: Σ x2 Entradas = Σ x2 Salida x2 A = x 2 B + x 2 C n E n-1: Σ xnEntradas = Σ xn Salida xn A = x n B + x n C n+1 ecuaciones Balance de materia Ejemplo: Determine las variables y ecuaciones que las relacionan A Ton /h Pulpa 20% Sólido Filtro B Ton/h Agua 1 Ton/h Pulpa Concentrada 70% Sólido Balance de materia Ejemplo: Determine las variables y ecuaciones que las relacionan A Ton /h Pulpa Filtro B Ton/h Agua 20% Sólido, 80% Agua 1 Ton/h Pulpa Concentrada 70% Sólido, 30% Agua Flujos Pulpa: A = B +1 Flujos Sólidos: A*0,2=1*0,7 Flujos Agua: A*0,8 = B*1 +1*0,3 Sólo bastan 2 ecuaciones para resolver el problema A=3,5 Ton/h Pulpa B=2,5 Ton/h Agua Balance de materia Balance procesos continuos en estado estacionario: En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién extraído y filtrado que contiene 7,08% de sólidos en peso, se alimenta a un evaporador. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 Kg/h. Calcule la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida. Balance de materia 1.- Trace un diagrama simple del proceso m1 Kg/h H2O 100 Kg/h Jugo EVAPORADOR 7,08 % Sólido m2 Kg/h Jugo 58 % Sólido Balance de materia 2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay m1 Kg/h H2O 100 Kg/h Jugo EVAPORADOR 7,08 % Sólido m2 Kg/h Jugo 58 % Sólido Balance de materia 3.- Seleccione una base para el cálculo m1 Kg/h H2O 100 Kg/h Jugo EVAPORADOR 7,08 % Sólido m2 Kg/h Jugo 58 % Sólido Base: 100 Kg/h Jugo Balance de materia 4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan m1 Kg/h H2O Base: 1000 Kg/h Jugo Variables: m1 y m2 1000 Kg/h Jugo Ecuaciones: EVAPORADOR 7,08 % Sólido m2 Kg/h Jugo 58 % Sólido 1) 1000 = m1 +m2 2) 1000(0,0708)=m2(0,58) Balance de materia 4.- Nºde variables = Nº de ecuaciones => Existe solución m1 Kg/h H2O Base: 1000 Kg/h Jugo Variables: m1 y m2 1000 Kg/h Jugo Ecuaciones: EVAPORADOR 7,08 % Sólido m2 Kg/h Jugo 58 % Sólido 1) 1000 = m1 +m2 2) 1000(0,0708)=m2(0,58) Balance de materia 5.- Proceda al balance de masa m1 Kg/h H2Ov 877,93 Kg/h H2O Base: 1000 Kg/h Jugo Variables: m1 y m2 Ecuaciones: 1) 1000 = m1 +m2 1000 Kg/h Jugo EVAPORADOR 7,08 % Sólido m2 Kg/h Jugo 122,07 Kg/h 58 % Sólido 2) 1000(0,0708)=m2(0,58) Balance de materia Problema Algunos Pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínas suplementarias en alimentos. En el proceso empleado, primero se extrae el aceite para obtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca. Esta pasta se procesa en secadores de tambor para obtener un producto “seco” que contiene 40% en peso de agua. Finalmente el producto se muele y se empaca. Calcule la alimentación de pasta en Kg/h necesarias para producir 1000 Kg/h de harina “seca”. Balance de materia Balance procesos intermitentes: Se tiene dos mezclas de metano-agua en matraces distintos. La primera contiene 40.0% por peso de metanol, y la segunda 70,0% por peso de metanol. ¿Qué cantidad de cada una de las mezclas se debe emplear para obtener 350 g con un 52,8% en masa de metanol? Balance de materia 1.- Trace un diagrama simple del proceso m1 g MEZCLADOR 40 % masa m2 g MEZCLADOR 70 % masa Inicio Final m = 350 g c = 52,8% Balance de materia 2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay m1 g MEZCLADOR 40 % masa m2 g MEZCLADOR 70 % masa Inicio Final m = 350 g c = 52,8% Balance de materia 3.- Seleccione una base para el cálculo m1 g MEZCLADOR 40 % masa m2 g Base de cálculo: 350 g MEZCLADOR 70 % masa Inicio Final m = 350 g c = 52,8% Balance de materia 4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan m1 g MEZCLADOR 40 % masa m2 g MEZCLADOR 70 % masa m = 350 g c = 52,8% 350 = m1 + m2 mM = 350*0,528 = 184,8 184,8 =m1*0,4+m2*0,7 Inicio Final Balance de materia 5.- Proceda al balance de masa 150 g 40 % masa MEZCLADOR 200g 70 % masa MEZCLADOR m = 350 g c = 52,8% 350 = m1 + m2 mM = 350*0,528 = 184,8 184,8 =m1*0,4+m2*0,7 Inicio Final Balance de materia Balance procesos continuos en estado estacionario con recirculación: En un proceso que produce KNO3, el evaporador a 422 K se alimenta con 1000 Kg/h de una solución que contiene 20% de KNO3 de sólido en masa, de éste se obtiene KNO3 al 50% de sólido en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311 K, donde se obtiene cristales de KNO 3 al 96 % de sólido en masa. La solución del descarte del cristalizador contiene 37,5% de KNO3 en masa y se recircula al evaporador. Calcule la cantidad de corriente de recirculación R en Kg/h y la corriente de salida de cristales P en Kg/h. Balance de materia 1.- Trace un diagrama simple del proceso AGUA 1000 Kg/h 20% KNO3 422 K S Kg/h 50% KNO3 R Kg/h 37,5% KNO3 311 K P Kg/h 96% KNO3 Balance de materia 3.- Seleccione una base para el cálculo Base de cálculo: 1000 Kg/h W AGUA 1000 Kg/h 20% KNO3 422 K S Kg/h 50% KNO3 R Kg/h 37,5% KNO3 311 K P Kg/h 96% KNO3 Balance de materia 4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan 1000+R=W+S S=R+P R(0,375)+1000(0,2)=S(0,5) S(0,5)=R(0,375)+P(0,96) Incógnitas: W, P, S y R. W AGUA 1000 Kg/h 20% KNO3 422 K S Kg/h 50% KNO3 R Kg/h 37,5% KNO3 311 K P Kg/h 96% KNO3 Balance de materia 5.- Proceda al balance de masa 1000=W+S-R 0=-S+R+P 200=0,5S-0,375R 0=-0,5S+0,375R+0,96P W=791,7 Kg/h S= 975,0 Kg/h R= 766,7 Kg/h P=208,3 Kg/h W AGUA 1000 Kg/h 20% KNO3 422 K S Kg/h 50% KNO3 R Kg/h 37,5% KNO3 311 K P Kg/h 96% KNO3 BALANCE DE MATERIA Ejercicio para desarrollarlo en clase En una planta concentradora de Calcopirita, se alimenta un primer banco de celdas con una pulpa de concentración 1%Cu, el relave de este primer banco de celdas contiene 0,2%Cu, mientras que el concentrado el cual posee 20%Cu alimenta un segundo banco de celdas de flotación. El relave de este segundo banco posee 2% Cu y es recirculado como alimentación del primer banco. El concentrado del segundo banco contiene 28% Cu. ¿Qué alimentación se debe tener para producir 100 Kg/h de concentrado con 28% Cu? Balance de materia Ejercicio para desarrollarlo en clase En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en peso de sólidos solubles, se mezcla con azúcar (1,22 Kg Azúcar/1,00 Kg fruta) y pectina (0,0025 Kg pectina/1,00 kg fruta). Considere el azúcar y pectina como sólidos solubles. La mezcla resultante pasa a un evaporador para producir una jalea con 67% en peso de sólido soluble. Calcule, para una alimentación de 1000 Kg/h de fruta macerada, los Kg/h de mezcla obtenida, los Kg/h de agua evaporada y los Kg/h de jalea producida.