OBJETIVO INTRODUCCIÓN MARCO TEÓRICO MATERIAL Y EQUIPO DIAGRAMA DE FLUJO PROCEDIMIENTO OBSERVACIONES CUESTIONARIO CONCLUSIÓN BIBLIOGRAFÍA
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Práctica No. 2
1. Objetivo El alumno identificara los equipos relacionados a la signatura de Operaciones Unitarias III.
2. Introducción Las operaciones de transferencia de masa se caracterizan por transferir una sustancia a través de otras a escala molecular. Por ejemplo, cuando el agua, por evaporación, pasa de una alberca a una corriente de aire que fluye sobre la superficie del agua, las moléculas de vapor de agua se difunden, a través de las moléculas de aire en la superficie, dentro de la masa de la corriente de aire, la cual las arrastra consigo. El fenómeno que nos interesa, principalmente, no es el movimiento como resultado de una diferencia de presión, como sucede cuando se bombea un líquido a través de una tubería. En los problemas por tratar, la transferencia de masa es un resultado de la diferencia de concentraciones, o gradiente, en donde la sustancia que se difunde abandona un lugar en que está muy concentrada y pasa a un lugar de baja concentración. El ingeniero químico encarado con el problema de separar los componentes de una solución, generalmente tiene que escoger entre varios métodos posibles. Aun cuando la elección está usualmente limitada por las características físicas peculiares de los materiales con los que va a trabajar, casi siempre existe la necesidad de tomar una decisión. Por supuesto, no existen bases para tomar una decisión de este tipo, mientras no se hayan entendido claramente las diversas operaciones; sin embargo, al menos se puede establecer inicialmente la naturaleza de las alternativas.
3. Marco Teórico.
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Frecuentemente en la industria es necesario separar los componentes de una mezcla en fracciones individuales. Las fracciones pueden diferenciarse entre sí por el tamaño de las partículas, por su estado, o por su composición química. Así, por ejemplo, un producto bruto puede purificarse por eliminación de las impurezas que lo contaminan, una mezcla de más de dos componentes, puede separarse en los componentes puros individuales, la corriente que sale de un proceso puede constar de una mezcla del producto y de material no convertido, y es preciso separar y recircular la parte no convertida a la zona de reacción para convertirla de nuevo; también una sustancia valiosa, tal como un material metálico, disperso en un material inerte, es preciso liberarlo con el fin de proceder a su beneficio y desechar el material inerte. Se han desarrollado un gran número de métodos para realizar tales separaciones y algunas operaciones básicas se dedican a ello. En la realidad se presentan muchos problemas de separación y el ingeniero debe de elegir el método más conveniente en cada caso. Los métodos para separar los componentes de las mezclas son de dos tipos: Métodos de separación por difusión Este grupo de operaciones para la separación de los componentes de mezclas, que se basan en la transferencia de material desde una fase homogénea a otra, utilizan diferencias de presión de vapor o de solubilidad. La fuerza impulsora de la transferencia es una diferencia o gradiente de concentración, de la misma forma que una diferencia o un gradiente de temperatura, constituye la fuerza impulsora de la transferencia de calor. Métodos de separación mecánicos La separación mecánica se puede aplicar a mezclas heterogéneas. Las técnicas se basan en diferencias físicas entre las partículas, tales como el tamaño, la forma o la densidad. Se aplican para separar líquidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de gases, sólidos de sólidos y sólidos de líquidos. Existen procesos especiales donde se utilizan otros métodos que no se estudiarán aquí. Estos métodos especiales se basan en las diferencias entre la facilidad de mojado o en las propiedades eléctricas, o magnéticas de las sustancias.
4. Material, Equipos y Reactivos Materiales N/A
Equipos 1
Columna de destilación
Reactivos N/A
3
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Columna de extracción solido-liquido
3
Columna de extracción liquido-liquido
4
Secador de charolas
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Secador de lecho fluidizado
5. Diagrama de Flujo.
INICIO
FIN
Observar cada equipo y realizar un dibujo respectivo.
Describa si opera en sistema continuo o por lotes.
Investigar la operación unitaria de cada equipo.
Investigar los símbolos utilizados en cada equipo.
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6. Procedimiento 1. Observe cuidadosamente y escuche con atención la descripción y el uso de cada equipo. 2. Realice un dibujo de cada aparato, con su nombre y uso. 3. Describa en cada equipo si opera como un sistema continuo o por lotes. Explica el por qué. 4. Investigará los símbolos utilizados para cada uno de los equipos antes mencionados. 5. Investigará de manera breve la operación unitaria involucrada en cada equipo descrito.
COLUMNA DE DESTILACIÓN OPERACIÓN UNITARIA: Destilación. TIPODE OPERACIÓN: Continua porque no se necesita cambios en el producto y la operación se ejecuta sin interrupción. FUNCIONAMIENTO: Las columnas de destilación utilizan típicamente un proceso similar al siguiente. En primer lugar, el flujo entra en la columna a mitad del camino de la cubierta vertical; que se introduce a través de una bandeja de alimentación y fluye hacia abajo de la columna. En la parte inferior, un tubo transporta el flujo en el intercambiador de calor, donde se calienta a altas temperaturas. El vapor entra de nuevo y asciende por la columna; una vez que sale en la parte superior se enfría mediante un condensador y desemboca en el tanque de reflujo. El tanque de reflujo devuelve parte de este material a la columna como reflujo, mientras que el destilado se retira.
Imagen 1. Columna de de stilación.
EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO 5
OPERACIÓN UNITARIA: Lixiviación. TIPODE OPERACIÓN: Por lotes porque se requieren
Imagen 2. Equipo de extracción sólido-líquido.
cambios en el producto y la operación se ejecuta con interrupción. FUNCIONAMIENTO: También llamada lavado, lixiviación, percolación. Es un proceso en el que un disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado para que se produzca la elución de uno o más de los componentes solubles del sólido. Si pretendemos extraer un componente no deseado de un sólido se denomina lavado. El término lixiviación se emplea cuando se desea extraer un componente valioso de un sólido y percolación se usa para indicar que existe el vertido de un líquido sobre un sólido y extrae los componentes que éste posee. En este proceso no se realiza una extracción selectiva.
SECADOR DE CHAROLAS OPERACIÓN UNITARIA: Secado o desecación. TIPODE OPERACIÓN: Por lotes porque se requieren cambios en el producto y la operación se ejecuta con interrupción. FUNCIONAMIENTO: Un secador de charolas o bandejas es un equipo totalmente cerrado y aislado en el cual los sólidos se colocan en grupos de charolas en el caso de sólidos particulados. La transmisión de calor puede ser directa del gas a los sólidos utilizando la circulación de grandes volúmenes de gas caliente, o directa, utilizando repisas o bases calentadas, serpentines de radiador o paredes refractarias al interior de la cubierta. En unidades de calor indirecto, exceptuando los equipos de Imagen 3. Secador de charolas. repisas al vacío, casi siempre se necesitan la circulación de una pequeña cantidad de gas para eliminar el vapor de humedad del comportamiento y evitar la saturación y condensación del gas.
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO
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OPERACIÓN UNITARIA: Extracción. TIPODE OPERACIÓN: Por lotes porque se requieren cambios en el producto y la operación se ejecuta con interrupción. FUNCIONAMIENTO: El fundamento de la extracción líquido-líquido requiere que los dos líquidos no sean miscibles, por ello la extracción depende del coeficiente de reparto. Cuando un soluto se disuelve en dos líquidos no miscibles en contacto entre sí, dicho soluto se distribuirá en cada uno de los líquidos Imagen 4. Equipo de extracción líquidoen proporción a la solubilidad en cada uno de ellos. líquido. En la que se separan los diferentes componentes por medio de un solvente se logra extraer un extracto y un refinado.
SECADOR DE LECHO FLUIDIZADO OPERACIÓN UNITARIA: Secado o desecación. TIPODE OPERACIÓN: Por lotes porque se requieren cambios en el producto y la operación se ejecuta con interrupción.
FUNCIONAMIENTO: Los materiales procesados en un secador o enfriador de lecho fluidizado flotan sobre un colchón de aire o de gas. El aire de proceso se suministra al lecho a través de una placa distribuidora perforada y fluye a través del lecho de sólidos a suficiente velocidad como para soportar el peso de las partículas en estado fluidizado. Hay formación de burbujas, que se colapsan en el lecho fluidizado de materiales promoviendo un intenso movimiento de partículas. En este estado, los sólidos Imagen 5. Secador de lecho fluidizado. se comportan como un líquido hirviendo de caudal libre. Como resultado del contacto entre las partículas individuales y el gas fluidizante, se obtienen índices de transferencia de masa y de calor muy altos.
SIMBOLOGÍA DE LOS EQUIPOS
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7. Observaciones. En la industria química, se trabajaran con varios equipos, los cuales deben llevar un proceso, que se describen a través de pequeños diagramas colocados en los equipos.
Columna de destilación: cuenta con un calderin el cual calienta el tanque de almacenamiento para producir vapor; este vapor pasa a través de unos platos parecido a un totopo, para lograr que el vapor de la mezcla miscible al contacto con la mezcla lleve a cabo una evaporación eficaz, ya que los platos fuerzan el contacto del líquido con el vapor.
8. Cuestionario
1. Explica brevemente en qué consiste un sistema continuo y un sistema
por lotes. POR LOTES Es el sistema de producción que usan las empresas que producen una cantidad limitada de un producto cada vez, al aumentar las cantidades más allá de las pocas que se fabrican al iniciar la compañía, el trabajo puede 8
realizarse de esta manera. Esa cantidad limitada se denomina lote de producción. CONTINUA Este sistema es el empleado por las empresas que producen un determinado producto, sin cambios, por un largo período. El ritmo de producción es acelerado y las operaciones se ejecutan sin interrupción. Como el producto es el mismo, el proceso de producción no sufre cambios seguidos y puede ser perfeccionado continuamente. 2. ¿Cuáles son las medidas de seguridad que consideras indispensables
para el buen funcionamiento del laboratorio? Seguir las indicaciones del docente, usar los materiales de protección (bata, lentes, zapatos cerrados) y tener conocimiento del uso de los reactivos, instrumentos y compuestos que usemos para desarrollar la práctica. 3. ¿Cuenta el laboratorio con un reglamento de trabajo? En caso de contar
con uno enumera los puntos más importantes que contiene. 1. El alumno deberá el tiempo que dure su práctica- portar bata blanca de algodón manga larga, además de lentes de seguridad. Cuando se manejen sustancias marcadas con etiqueta roja, deberá usarse mascarilla y gafas. 2. Si porta aretes, pulseras, anillos o reloj, deberá guárdalos ya que son piezas metálicas o de material de plástico y podría sufrir alguna reacción indeseable, que provocaría un accidente. 3. Queda estrictamente prohibido fumar, comer, o tomar líquidos (refrescos, yogurt, licuados, etc.) dentro del laboratorio. 4. Ninguna persona podrá realizar algún experimento que no esté autorizado previamente por los docentes y avalado por el Jefe de División de Ingeniería Química. –
4. ¿Cuál es la función de una columna de destilación? Es una operación unitaria empleada para separación de los componentes de una mezcla de líquido-vapor. 5. Define brevemente el proceso de extracción. Es un procedimiento de separación de una sustancia que puede disolverse en dos disolventes no miscibles entre sí, con distinto grado de solubilidad y que están en contacto a través de una interface. Se añade dentro del embudo la sustancia disuelta en el disolvente del cual se pretende extraer. Se completa con el disolvente en el que se extraerá y en el que la solubilidad de la sustancia es mayor.
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Se cierra la parte superior del embudo y se agita vigorosamente y permitir el reparto de la sustancia disuelta entre ambos. Se abre de vez en cuando la válvula del embudo de manera que los gases que se puedan formar salgan del embudo. Se deja reposar durante un tiempo. Se abre la espita inferior del embudo y se deja escurrir el líquido más denso en un recipiente adecuado. 6. Define brevemente el proceso de secado. Vaporización: el secado es llevado a cabo por convección, pasando aire caliente sobre el producto. El aire es enfriado por el producto y la humedad es transferida hacia el aire. En este caso la presión de vapor de la humedad sobre el sólido es menor que la presión atmosférica
9. Conclusión. Después de realizar una profunda investigación del uso de los instrumentos del laboratorio, los alumnos tienen la capacidad de diferenciar e identificar los diferentes instrumentos del laboratorio, para seleccionar de manera adecuada los distintos instrumentos para una determinada práctica.
La idea es entonces que los estudiantes aprendan el uso de los instrumentos del laboratorio de una manera distinta y las precauciones que se deben tomar en cuenta para el manejo de estos, de manera que al momento de entrar a un laboratorio nos sintamos seguros de tomar el instrumento adecuado para realizar su práctica, poniendo todo el empeño posible.
10. Referencias Bibliográficas. •
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Handley William. Manual de Seguridad Industrial. Mc Graw Hill. México. Orozco Fernando D. Análisis Químico Cuantitativo. Editorial Porrúa. México. Treybal, Robert E. Operaciones de Transferencia de masa (Segunda edición).
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