Zona Centro Bogotá Cundinamarca ZCBC. Escuela de Ciencias C iencias Básicas Tecnología Tecnología e Ingeniería ECBTI. Programa Progr ama Ingeniería de Alimentos
Web-Conferencia UNIDAD 1 BALANCE DE MATERIA –
DIRECTORA IBETH RODRÍGUEZ GONZÁLEZ Ingeniera de alimentos
José Acevedo y Gómez
TEMAS A TRATAR
DESCRIPCIÓN DEL CURSO
REFUERZO EN CONCEPTOS BASICOS
OPERACIONES UNITARIAS UNIT ARIAS Y BALANCE DE MATERIA
EJEMPLOS DE PROBLEMAS
TEMAS A TRATAR
DESCRIPCIÓN DEL CURSO
REFUERZO EN CONCEPTOS BASICOS
OPERACIONES UNITARIAS UNIT ARIAS Y BALANCE DE MATERIA
EJEMPLOS DE PROBLEMAS
DESCRIPCIÓN DEL CURSO
ACTIVIDADES
DESCRIPCIÓN DEL CURSO
CONCEPTOS BASICOS
CONCEPTOS BASICOS Unidades SI
Magnitudes derivadas SI
CONCEPTOS BASICOS
CONCEPTOS BASICOS
CONCEPTOS BASICOS Propiedades de la materia
Volumen específico
Densidad ρ=
Ve=
Unidades??
Concentración
Mol
Unidades??
Mol=
Concentración =
Fracción y porcentaje
Porcentaje 100 %=
Fracción en peso ( simplificar) x =
CONCEPTOS BASICOS ú
= ú
= ó
1. 120 kg a lb
120
2,205 1
3. 10.8 BTU a Kcal
= 264,6
10,8
° =
1 000 1
1
1 1000
= 2,7216
4. 100 °C a R
2. 0,8 g/mL a g/gal
0,8
252
3,84 = 3072 1
9 5
° 32
°F = 100 32 = 212° R = 460 − ° = 460 − 212° = 248
OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS
OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS
OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS
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Procesos de cochada: Masa en un tiempo específico Ej: Añejamente de un barril de vino Proceso continuo: Material o producto pasa por un equipo y sufre un proceso Ej: molienda de malta a un flujo de 2500 kg /h
VARIABLES DE PROCESO
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Mediciones durante el proceso que requieren diferentes equipos:
Osmodeshidratación de frutas- Preparación del jarabe Operaciones unitarias - Medición de agua (volumen, tiempo) - Pesaje del azúcar ( peso, tiempo) - Pesaje de ácido cítrico (peso, tiempo) - Calentamiento de agua (temperatura, tiempo) - Mezcla (tiempo) - Ebullición (flujo de calor, tiempo) - pH (variable que puede ser medida, pero es establecida de acuerdo a la formulación de ácido cítrico)
DIAGRAMAS DE FLUJO
MEMORIAS Y HOJAS DE CALCULO
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Descripción minuciosa de las operaciones de cálculos Se utilizan en aplicaciones de ingeniería, registro de variables, funciones o ecuaciones, gráficas .
Fuente: Fonseca, Victor (2009)
SIMULACIÓN
Las hojas de calculo se pueden utilizar para realizar simulaciones: Modificación de variables para comparar resultados (costos, cantidades, entre otros) •
Fuente: Fonseca, Victor (2009)
COMPOSICIÓN, FRACCIONES Y PORCENTAJE
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Alimentos: Compuestos principales y compuestos menores Fracción: se refiere al componente en fracciones de 1, es decir el total es 1. Porcentaje: fracción x 100 Como porcentaje de A (%) =(masa de A/masa total) x 100 Como Fracción másica de a (Xa)= masa de a/masa total Como fracción molar de b= moles de b (nb)/moles totales (nT)
BALANCE DE MATERIA-Definiciones Ley de conservación de la masa masa de entrada = masa de salida + masa acumulada En sistemas estables, la masa acumulada es 0 1 2
3
Cada número representa una corriente Si m = masa de cada corriente: Balance total m1 + m2 = m3
BALANCE DE MATERIA-Definciones
1 X1 2 X2
•
•
•
3 X3
X= fracción de un compuesto Balance parcial sería: m1X1 + m2X2 = m3X3
Base de cálculo (tiempo): proceso continuo En las aplicaciones de ingeniería, no se parte de valores numéricos definidos, se presentan problemas con parámetros, para cuantificar se utilizan bases de cálculos, en donde se da un valor a uno de los parámetros. Ejemplo: flujo de kg/h, la base de cálculo es la hora •
BALANCE DE MATERIA-Definiciones Base húmeda y base seca: el agua es una base de cálculo cuando está implicada en todos los procesos. Base húmeda: cuando se incluye el agua Base seca: no se incluye el agua
Fracción en ℎ = + Fracción en =
80 % agua 1 kg Leche 6% grasa
Agua = 0,8 kg, fracción 0,8 Masa total en bs=1-0,8= 0,2 kg Grasa= 0,06 * 1= 0,06 kg, fracción 0,06 Grasa base seca= 0,06/0,2 = 0,3=30%
TRABAJO COLABORATIVO 1
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1. Problema unitarias
de
identificación
de
operaciones •
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Describir las etapas y la operación unitaria (no es copiar el texto) Identificar diferente las operaciones y los productos Identificar las líneas de entrada y salida Profundizar en el proceso
EJEMPLO
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Los granos de café contienen componentes solubles en agua y otros que no lo son. El café soluble instantáneo se produce al diluir la porción soluble en agua hirviendo en grandes silos, ésta se pasa a los tamices y luego se alimenta a un evaporador de triple efecto en el cuál se evapora gran parte del agua, se bombea a un secador por aspersión donde se termina de eliminar el agua y el café queda como un polvo seco. A partir de la descripción de este proceso, realice un diagrama de flujo con símbolos rotulando todas las alimentaciones, productos y corrientes que conecten entre sí a las unidades.
DIAGRAMA DE FLUJO •
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Dilución Tamices: filtración Evaporación Secado
Agua 100°C Porción soluble de café
Dilución
Filtración
Agua
Agua
Evaporación
Secado
Café instantáneo
TRABAJO COLABORATIVO 1
2. Problemas de balance en : - Mezcla - Evaporación - Filtración - Centrifugación
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• •
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Dibujar el diagrama de balance de masa Identificar entradas y salidas Elaborar las ecuaciones de acuerdo a los balances parciales de cada componente Análisis dimensional Despejar incógnitas
EJEMPLO
Se desea preparar una solución 0.25 molal de KOH en agua. Se dispone de 325 cm3 de solución 0.1 molal cuya densidad es 1.0048 g/cm3. ¿ Cuántos gramos de KOH deben añadirse a la solución 0.1 molal? 325 cm3 KOH 0.1 m ρ = 1.0048 g/cm3
1
Mezcla 2 KOH puro
3
KOH 0.25 m
EJEMPLO El volumen debe convertirse a masa y la molalidad a fracción
m1 = V1 x ρ1 = 325
Concentración de entrada:
0.1
Molalidad =
cm3 (1.0048 g/cm3)= 326.56 g
x
= 0.0056
2
.
Xm1KOH . = 0.00556 Xm1 H2O = 1-0.00556=0.9944
=
Concentración de salida:
0.25
x
.
Xm3KOH. = 0.0138 Xm3 H2O = 1-0.0138=0.98622
= 0.014
Balance total ec.1: m1 + m2 = m3 326.56 m2 = m3 (ec. 1) •
Balance de KOH ec.2: m1XKOH + m2XKOH = m3XKOH •
326.56 0.0056 m2XKOH = m 3(0.0138)
1.8287 g + m2(1) = 0.0138m3 (ec. 2) De la ec. 1 m2 = m3 – 326.56 •
Reemplazamos en la ec. 2 1.8287 g + (m3 – 326.56) = 0.0138m3 m3 - 0.0138m3= -1.8287 g + 326.56 g 0.9862 m3 = 324.7313 g m3 =329.28 g •
Reemplazamos en la ec. 1 m2 = 329.28 g – 326.56 g m2 = 2.72 g •
EJEMPLO Una solución que contiene 38% en peso de sal se alimenta a un evaporador. ¿ Cuál será la composición de la solución concentrada que sale del evaporador si el 46% del agua inicial se evapora? Agua 2 Solución 38% de sal
1
Evaporador
3
Solución concentrada
Base de cálculo: 100 kg de solución inicial Balance total 100 kg = m 2 + m3 Balance de sal 100 kg (0.38) = m 2X2sal + m3X3sal 46% del agua de la solución inicial es evaporada m2 = 0.46 (100 x 0.62) m2 = 28.52 kg Del balance total m3 = 100 kg – m2 m3 = 71.48 kg Del balance de sal m2X2sal = 0 100 kg (0.38) = 71.48 kg X 3sal X3sal = 38/71.48 = 0.531
EJEMPLO
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•
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Una unidad secadora contracorriente usa aire caliente para secar rodajas de manzana. El flujo de entrada de las rodajas es de 200 kg/h con un contenido de humedad H=0.9 en base húmeda. Las rodajas deshidratadas tienen una humedad final de H=0.10 en base seca. El aire de secado entra a 50°C y sale a 25°C y 90% de humedad relativa. Encontrar el flujo de agua removida en kg/h Encontrar el flujo de aire requerido para la operación kg/h
EJEMPLO
Se debe hacer el balance de materia seca, agua y aire. Agua f1 S1
E1 Flujo de aire seco a 50°C E2 Flujo de manzana 200 kg/h, H=0.9 bh
Flujo de aire húmedo 25°C y 90% H Secado
S2
Flujo de manzana, H=0.1 bs
EJEMPLO Base de cálculo= 1 h Balance General E2= F1 + S2 200 kg = F1 + S2 Balance parcial (materia seca) E2XE2= F1Xf1 + S2Xs2 200 kg(0.1)= F1(0) + S2X s2 20 kg = S2X s2 Balance parcial de agua E2XE2= F1Xf1 + S2Xs2 H manzana deshidratada = 0.1 en base seca ℎ =
2 ℎ
ℎ 2 ℎ = ℎ x 20 kg
m H2O manz desh = 0.1 x 20 kg = 2 kg
=
2 ℎ
20
EJEMPLO Balance parcial de agua 200 kg (0.9) = F1(1) + 2kg 180 kg = F1 + 2kg F1 = 180 kg – 2 kg = 178 kg
La cantidad de agua que extrae el flujo de aire a esas temperaturas es 0.0103 kg de agua/kg de aire seco Conociendo la cantidad de agua extraída y la cantidad de agua que extrae ese flujo de aire: 178 2/ℎ Flujo de aire = = 17280 /ℎ 0.0103
Es igual que realizar una regla de 3
Bibliografía
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Monsalvo, V. R., & Romero, S. M. D. R. (2014). Balance de materia y energía: procesos industriales. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/detail.action?doc ID=11013664&p00=balance+materia+energ%C3%ADa Fonseca, V.(2009 ). Balance de Materiales y Energía. Bogotá, Colombia: UNAD. Recuperado dehttp://hdl.handle.net/10596/9614
