Tarea 1
1. Para el proceso de mezcla de benceno con aire, se emplea 500 mol C6H6/h que representa el 20% de la alimentación de aire.
Del texto: “500 mol Benceno, representa el 20% de alimentación de aire “n1”:
Analizamos la composición del aire entrante:
En un proceso donde no hay reacción, el número de moles se mantiene (conservación de masa): Balance General (en moles): a) Diagrama de Flujo:
{ { Porcentaje de los Productos:
b) Escala de 2000Kmol aire para la alimentación: Factor escalar:
⁄ ⁄
,
Multiplicamos las corrientes por el factor escalar y tenemos el nuevo diagrama:
{ { *Además los porcentajes se mantienen.
2. Un tanque de 5m de diámetro y m de altura, contiene una solución ocupando 90% de su capacidad. La solución de H2SO4 fue preparada a 50% en volumen. (Densidad H2SO4=1.8g/cm3). Luego se evapora 20 y 5% en volumen de solvente y soluto respectivamente.
( )
Preparado inicialmente al 50%: {
Evaporación Porcentual {
Total: 19.688
{
Recordar:
{
Total: 28238.4
{
3. Mediante un proceso de destilación, se separan en dos fracciones 1500moles/h de una mezcla de benceno (B) t tolueno (T) que contiene 45% de benceno. La velocidad del flujo de benceno en la corriente superior es de y en la corriente inferior la velocidad e flujo de tolueno es de 600molT/h. Para un proceso estacionario, escribir lo balances del B y T y calcular las velocidades de flujo desconocidas en las corrientes de salida.
300 molB/h, n1 molT/h
{
n2 molB/h, 600 molT/h
Balances específicos de materia (en mol/h):
4. Se tienen dos mezclas de etanol y agua, que se combinan en un mezclador. La primera contiene 500Kg al 40% en peso de etanol, y la segunda de 400Kg al 60% en peso de etanol.
{
{
{
a.1) Composición en PESO:
a.2) Composición en MOLES:
Moles Totales: 9.565 + 25.555 = 35.12Kmol
b) Para obtener 45% en masa: Combinamos “a” Kg de Mezcla 1 y “b” Kg de mezcla 2, Luego: Etanol: (0.4a +0.6b) Kg; Agua (0.6a + 0.4b) Kg
Posibilidades de solución: Posibilidad 1: 450Kg de Mezcla 1 y 150Kg de Mezcla 2 (
)
(
)
Posibilidad 2: 480Kg de Mezcla 1 y 160Kg de Mezcla 2 (
Toda combinación de la mezcla 1 y 2 en relación de 3 a 1, se obtener una composición al 45% de etanol en masa. Posibilidad 1: 450
)
(
)
5. Una corriente de aire húmedo entra a un condensador en el cual se condensa el 95% de vapor de agua del aire. Es posible considerar que el aire seco tiene 21mol% de O2 y el resto N2.
Alimentación: ( (
)
(
)
) {
{
(
)
(
)
a)Flujo Condensado: (
)
()
b) Flujo de Gas: Balance General (mol/h): Alimentación = Flujo Condensado + Gas
c) Composición del Gas (271.5 mol/h) ( )
{
Tarea 2
1. Concentración de Zumo de Naranja de 12%a 42% en peso de Sólido.
Z1 = 100Kg/h (Producto)
Balance de masas en el evaporador:
Balance de Solidos Global: ( ) Balance de Solidos del evaporador: ( ) ( ) ( ) Balance de masa Global:
En el Vértice 1-2-3:
Z1 Masa (Kg) 100 Concentración 0.12
Z2 9.95 0.12
Z3 90.05 0.12
Z4 18.62 0.58
Z5 28.57 0.42
V6 71.43 0
De La tabla anterior: Solido: Masa * Composición; Agua: Masa restante
Solido(Kg) Agua(Kg)
Z1 12 88
Z2 1.195 8.755
Z3 10.805 79.245
Z4 10.805 7.82
Z5 12 16.57
V6 0 71.743
2. Se concentran 8000Kg/h de una solución de Sal de 1.2% (38°C) a 2.5% en Peso:
(
(
a,b) Balance de Solidos:
Balance de Masa:
)
)
De las tablas, para W(105°C) y V(1atm):
Balance de Energía:
Reemplazamos los valores Obtenidos líneas arriba, considerando T.ref=TL=100°C (
)(
)(
)
(
)
(
c) Calculando Calor Transferido y Área de Calefacción:
(
)
(
d) Economía del Proceso:
)
⁄
)
3.1. En un evaporador simple se concentran 18000kg/h de una disolución desde el 10% hasta el 50% en peso:
(
(
)
a,b,c) Flujo de Solidos y Agua:
Balance de Solidos:
Alimentación
{ d) Balance de Masa: Producto:
{ 3.2. Continuación: (
)
(
Para W
(
Para W
(
)
)
)
(
)
)
a) Balance de Energía:
Reemplazamos los valores Obtenidos líneas arriba, considerando T.ref=TL=95°C (
)(
)
(
)
(
b) Calculando Calor Transferido y Área de Calefacción:
(
)
(
c) Economía del Proceso:
)
)
Tarea 3
1. Problema 1: (
) (
(
( )
) (
)
(
)
( )
)
(
)
2. Problema 2: La presión parcial del vapor de agua en una masa de aire húmedo a 40ºC y 750mmHg es 16mmHg c) Calor Específico ( )
( )
a) Temperatura de Rocío (Saturación)
D
De las tablas, un contenido de agua con 16mmHg, se encuentra entre 18 y 19 °C.
d) Volumen específico: (
(
)(
)(
) (
(
)(
)
)
⁄
e) Entalpia específica (0°C):
b) Humedad Absoluta: (
)(
)
)
Ejercicio 3: Del Diagrama Psicométrico, de aire a 35°C y temperatura húmeda a 25°C.
Ubicamos el punto que describe el estado actual, (Intersección de la vertical 35°C, y la Diagonal 25°C). “Punto Amarillo” a) Humedad Absoluta: Seguimos desde el punto la línea horizontal roja hacia la derecha () *Y = 0.016 Kg Agua / Kg Aire Seco b) Humedad Relativa: la curva que “Aproximadamente” pasa por ese punto señala: * Hr = 0.45 c) Temperatura de Rocío: Del punto sobre la línea horizontal roja a la izquierda, hasta la curva de saturación, luego hacia abajo, por la línea también roja. *Ts = 21.3°C d) Humedad de Saturación por enfriamiento adiabático: Seguimos la diagonal verde, de la temperatura húmeda, y luego por la horizontal verde hacia la derecha () *Hs (enf. Ad) = 0.020 Kg Agua / Kg Aire seco. e) Humedad de Saturación a la temperatura a la que se encuentra: Seguimos la línea vertical celeste que describe la temperatura actual hasta la curva de saturación, luego hacia la derecha () por la horizontal celeste: *Hs (Tem Actual): 0.037 Kg Agua / Kg Aire seco.
f)
De los otros Diagramas, para Calor y volumen: Ubicamos el estado actual y respondemos las interrogantes: Volumen específico: Estado actual a 35°C, ascendemos por la vertical roja, y hacia la derecha:
(), Aire Saturado: 0.93 m3/kg (), Aire Saturado: 0.87 m3/kg
Calor Específico: De ta temperatura actual calculada 0.016 seguimos la Linea vertical roja Hacia abajo y luego la naranja hacia la Izquierda:
(), Calor: 0.247 Kcal / Kg Aire seco
Tarea 4
1. Secado por ambas caras planchas de 20cmx30cmx1cm. Si es peso seco es de 400g. Tenemos: Tiempo en minutos del proceso, y el peso total en gramos (las dos primeras columnas de la tabla adjunta) a) Curva de Velocidad de Secado: Tiempo (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Peso total (gr) 532 514 496 483 470 462 454 449 443 440 436 434
120
431
Contenido Kg Agua / Humedad Kg Solido seco 132 0.330 114 0.285 96 0.240 83 0.208 70 0.175 62 0.155 54 0.135 49 0.123 43 0.108 40 0.100 36 0.090 34 0.085 31
0.078
dx/dt
Valor medio Kg Agua/Sol
Wp (Kg agua/m2.h)
-0.005 -0.005 -0.003 -0.003 -0.002 -0.002 -0.001 -0.002 -0.001 -0.001 0.000
0.308 0.263 0.224 0.191 0.165 0.145 0.129 0.115 0.104 0.095 0.088
0.900 0.900 0.650 0.650 0.400 0.400 0.250 0.300 0.150 0.200 0.100
-0.001
0.081
0.150
Curva de Velocidad de Secado 0.350 0.300 y = -0.0041x + 0.3275 R² = 0.9945
0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 0
10
20
30
40
50
60
70
Kg Agua / Kg Solido seco
80
90
100
110
120
130
b) Para t=0, c) Velocidad Constante de secado: El coeficiente de la ecuación de los 4 puntos lineales de “dx/dt” ⁄
⁄
d) Humedad:
Crítica: El último de los 4 puntos,
Equilibrio: El último punto de la gráfica,
2. Material de A = 15m2, Secado por AMBAS CARAS (AT=2xA=30m2) Peso Total inicial = 12Kg; Pierde 3.5Kg en 2 horas. (Velocidad Constante) Peso mínimo a velocidad cero: 6.4Kg. Con 1.3Kg de Agua. A Final del Proceso (en el quilibrio)
a) Humedad Crítica: (luego de las 2 horas)
b) Velocidad de Secado: Antes del punto crítico, tenemos una velocidad constante (dx/dt) (
)
⁄
⁄
c) Humedad de Equilibrio: (Al final a velocidad CERO)
d) Humedad Libre en el Punto crítico, (como referencia los cálculos de (a))
( (
)
)
3. Investigacion sobre secadores.
a) Secador flash El secado instantáneo o Flash consiste en la eliminación rápida de la humedad de los sólidos pulverizados o micronizados, es decir de agua superficial. Esta velocidad que permite la transferencia de calor desde el gas hacia las partículas de solido suspendido es muy alta y el secado es rápido, de forma que no se requiere más de 3 ó 4 segundos para evaporar toda la humedad del producto deseado. El corto tiempo de retención permite un control máximo del secado sin modificar la calidad del producto terminado. Para lograr esto tenemos que la temperatura del gas es elevada con frecuencia a 650⁰C (1200 ⁰F), pero el tiempo de contacto es tan corto que la temperatura del solido rara vez supera 50 ⁰C (90⁰F) durante el secado. Por lo tanto, el secador
flash se puede utilizar en materiales sensibles, ya que que en otro tipo de secadores tendrían que secarse indirectamente con un medio de calefacción mucho más frio. Como ventajas tenemos:
Secado de productos granulados y pulverulentos Admite humedades de hasta el 80% Secado de productos termo sensibles o combustibles Control preciso del secado aún con alimentación irregular o variación sensible de la humedad Ocupa poco espacio en planta
Funcionamiento: Su funcionamiento de secado se desarrolla en un tubo vertical o tubo Flash. El secado fuerza el gas que permite el secado (usualmente aire) a través del calentador y el tubo flash en sentido ascendente. El producto es alimentado dentro de la corriente de aire, la cual inmediatamente lo suspende y transporta al equipo de colección de polvos que usualmente es un ciclón. Para otros procesos también de acuerdo a lo que se requiera se puede utilizar sistemas adicionales como el wet scrubbers o filtro de talegas.
b) Secadores de película delgada. En algunos casos es necesario usar secadores de película delgada, estos pueden aceptar una alimentación liquida o una suspensión que permita dar lugar a un producto solido que puede ser capaz de fluir libremente. Por lo general se construye de dos formas, la primera de ellas es de forma vertical, es decir un secadero-agitador vertical, donde permite que la un gran porcentaje de liquido se separe de la alimentación y permitiendo que el sólido parcialmente húmedo pase a la segunda sección donde el contenido residual del liquido del producto procedente de la primera sección se reduzca hasta el valor deseado. La eficacia térmica de los secadores de la película delgada es muy alta y solo se produce una escasa perdida de sólidos ya que poco o nada de gas se retira de la unidad. La ventaja de ese secador que son muy útiles para separar y recuperar
disolventes de productos sólidos, en el aspecto negativo son relativamente caros y están limitados en cuanto al rea de transmisión de calor. La velocidad de alimentación aceptable tanto con alimentaciones acuosas como no acuosas esta generalmente comprendida entre 20 y 40/pie2-h (100 y 200kg/m2-h).
c) Secadores de pulverización En el proceso de secado de pulverización tenemos que se dispersa una disolución o suspensión en una corriente de gas caliente mediante la formación de una niebla de gotas finas. Por ese proceso la humedad es rápidamente evaporada de las gotas para formar partículas residuales de solido seco que después optan por separarse de la corriente gaseosa. Los flujos de gas y liquido pueden ser en corrientes paralelas, en contracorrientes o una combinación de estos. Las gotitas formadas en la cámara cilíndrica de secado son creadas por la acción de boquillas de presión, boquillas dedos fluíos o en secaderos de gran tamaño. En todos los casos es esencial conseguir que las gotitas o partículas húmedas de sólido choquen con superficies sólidas antes de que el secado tenga lugar, debido a ello se tiene que tener una cámara de secado con suficiente área para lograr la operación. Los diámetros frecuentes de estas son aproximadamente 8 a 30pies. Entre sus principales ventajas tenemos que estos tipos de secaderos funcionan rápidamente, es decir el tiempo de secado es muy corto a comparación de otros procesos, esto permite el secado de materiales altamente sensibles al calor y la producción de partículas esféricas huecas. Para obtener la consistencia, densidad global, apariencia y propiedades de flujo deseadas para algunos productos, tales como alimentos, detergentes sólidos, se tiene que usar este tipo de secado ya que pueden ser difíciles o imposibles de obtener mediante cualquier otro tipo de secado. Otra ventaja que mencionar sería la de producir, a partir de una disolución, suspensión o pata cremosa, en una sola etapa, un producto que se pueda envasar fácilmente. Además un secadero de pulverización puede combinar las funciones de un evaporador, un cristalizador, un secadero, una unidad de reducción de tamaños y también de un clasificador. .Considerando exclusivamente su acción se secado, los secaderos de pulverización no son muy eficaces. Generalmente se pierde mucho calor con los gases que salen.
Con respecto a su apariencia estos son con frecuencia de 80pies(25m) o más de altura, y no siempre resultan de operación sencilla. La densidad global del sólido seco con frecuencia es difícil de mantener constante, ya que puede ser muy sensible a variaciones del contenido de sólidos, a la temperatura de entrada del gas y a otras variables.
d) Liofilización La Liofilización es un proceso de secado que utiliza la sublimación que se ha desarrollado con el fin de reducir las pérdidas de los compuestos responsables del sabor y el aroma en los medicamentos, los cuales se afectan en gran medida a los procesos convencionales de secado. La liofilización involucra varias etapas: •En primer lugar tenemos la congelación (y acondicionamiento en algunos casos) a bajas temperaturas. Tenemos que cada producto debe congelarse de tal manera que garantice que sufrirá pocas alteraciones en el proceso de sublimación (posterior). •En segundo lugar tenemos el secado por sublimación del hielo del producto congelado, generalmente a muy baja presión y al vacio • Por ultimo, almacenamiento del producto seco en condiciones controladas Generalmente, al utilizar el método de liofilizar adecuadamente existe una reducción muy baja de sus características organolépticas, físicas, químicas y biológicas al almacenar los productos por periodos muy largos. Al momento de liofilización se realiza el secado mediante tres fases o etapas mencionadas anteriormente. Fase 1: Llamada etapa conductiva. Inicialmente, por el calentamiento de la muestra, la velocidad de sublimación crece rápidamente hasta llegar a un máximo. El tiempo para agotar esta fase es relativamente corto; en ella se lleva a cabo la mayor parte de remoción de agua del producto (entre un75-90%), siendo el mecanismo preponderante la transferencia de calor por conducción. Fase 2: Primera etapa difusiva. Muestra un descenso importante de la velocidad de sublimación debido a la formación de una capa porosa de material seco que opone resistencia creciente al flujo de calor y al vapor a medida que procede el secado
.Fase 3: Segunda etapa difusiva. La velocidad de sublimación continúa decreciendo de forma que se aproxima a cero. Esto debido a que el calor necesario para retirar el agua ligada es mas alto que el calor de sublimación. Puesto que la difusividad de los aromas disminuye sensiblemente cuando la humedad es pequeña es posible en esta etapa incrementar la temperatura de calefacción y del producto hasta valores del orden de 50ºC, dependiendo del material que se trate. La variable más importante del proceso es la presión: su incremento aumenta la transferencia de calor a expensas de una mayor resistencia a la transferencia de masa. Otra condición importante es la temperatura de las placas calefactoras que afecta la velocidad de la transferencia de calor de la superficie del material congelado. La principal desventaja de este proceso es el costo de energía requerida para su uso y además el tiempo que se necesita para emplear este procedimiento de secado
