PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA PRACTICA DE BALANCE BA LANCE DE MATERIA Y ENERGIA RECONOCIMIENTO DE EQUIPOS INDUSTRIALES EN LOS LABORATORIOS DE OPERACIONES
1.OBJETIVO •
•
Reconocer los diferentes tipos de equipos usados en los preocesos químicos industriales. Conocer que operaciones o procesos se pueden realizar con ellos y poder enfocar su alance de materia o ener!ía y que "erramientas usar
#.$%&'()E&TO TE*RICO +ara poder realizar los diferentes procesos químicos industriales se "ace uso de diferentes tipos de equipo que desarrollan una di,ersa funcion en lo que respacta a los diferentes operaciones o procesos. 'entro de estos equipos podemos encontrar-
#.1 os utilizados en transporte de fluidos
En la industria / en !eneral !eneral y especialmente en la industria industria química en particular la e0istencia de oma es muy frecuente/ ya sea para impulsar la materia primas o entre procesos o finalmente el producto acaado. %n equipo de omeo es un transformador de ener!ía. Recie ener!ía mecnica y la con,ierte en ener!ía que un fluido adquiere en forma de presi2n/ de posici2n o de ,elocidad. a selecci2n y aplicaci2n de las omas requiere una comprensi2n de sus características de funcionamiento/ conocimiento de los tipos de oma y usos típicos.
Parámetros implicaos e! la selecci"!#
&aturaleza del liquido liquido a omear Capacidad requerida Condiciones de succion Tipo de ser,icio3 continuo/ discontinuo4 Tipo de fuente de alimentaci2n3 motor4 Condiciones amientales Costo/c2di!os y estndares que ri!en alas omas C(5I$IC(CIO& 6E&ER( 'E (5 BO)B(5
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
de ranaje de #aleta de tornil o de l&'ulo
Rotatoria!
De!#la$amiento #o!iti%o de #i!ton de inmer!ion de diaframa
Reci#roca!
De fujo radial
De fujo a"ial
centriua!
de im#ul!or
Cinetica de acion dinamica De fujo mi"to
BO)B(5 CE&TR7$%6(5 %na oma centrifu!a consiste en un rodete que produce una car!a de presi2n por la rotaci2n del mismo dentro de una cuierta.
(
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA construcci2n secilla/ a8os costes/ ausencia de ,l,ulas/ posiilidad de acoplamiento directo aun motor el9ctrico/ funcionamiento muy estale. 5in emar!o no pueden proporcionar presiones ele,adas indi,idualmente/ solo pueden operar en un inter,alo limitado de caudal y presi2n/ necesitan ,l,ulas de retension en la zona de aspiraci2n y no se pueden mane8ar liquidos muy ,iscosos.
Las pri!cipales $e!ta%as e las &om&as e!tri'()as so!#
#.# os utilizados en transferencia de calora transferencia de calor/ en física/ proceso por el que se intercamia ener!ía en forma de calor entre distintos cuerpos/ o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que estn a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante con,ecci2n/ radiaci2n o conducci2n. Conducci2n- Es la transferencia de calor a tra,9s de un o8eto s2lido. Con,ecci2n- transfiere calor por el intercamio de mol9culas frías y calientes. Radiaci2n- es la transferencia de la calor por radiaci2n electroma!n9tica3 !eneralmente infrarro8a4 Clasi'icaci"! e los e*(ipos e tra!s'ere!cia e calor+
*uncion+ o o o o
o
o
o
E%a#oradore! Calentadote! Enriadore! Intercam'iad ore! Rerieradore ! Conden!ador e! Caldero!, etc
Proce!o! tran!erencia+
de
Contacto directo Contacto indirecto
a. I&TERC()BI('ORE5 +OR CO&T(CTO 'IRECTO En los intercamiadores de contacto directo sin almacenamiento de calor los corrientes contactan una con otra íntimamente/ cediendo la corriente mas caliente directamente su calor ala corriente mas fría. Este tipo de intercamiador se utiliza naturalmente cuando las dos fases en contacto son mutuamente insolules y no reaccionan una con otra. +or
)
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA consi!uiente/ no puede utilizarse con sistemas !as:!as. os intercamiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos
6as: solido- como el contactor de lec"o m2,il/ el lec"o fluidizado/ el transportador de cinta m2,il/ entre otros. $luido:fluido- en los que los dos fluidosen contacto son mutuamente inmisciles. (ire: a!ua- el intercamiador de contactodirecto es de !ran importancia ya que 8usto una de las fases3 a!ua4 se disuel,e/ o e,apora/ en la otra fase3 aire4. a torre de enfriamiento de a!ua es un e8emplo de este tipo/ y de "ec"o representa el tipo mas ampliamente utilizado de intercamiador de calor en la industria.
. I&TERC()BI('ORE5 'E CO&T(CTO I&'IRECTO Re)e!erati$os# Es
un tipo de intercamiador de calor donde el calor de fluido caliente se almacena de forma intermitente en un medio de almacenamiento t9rmico antes de que se transfiera al fluido frio. +ara lo!rar esto el fluido caliente se pone en contacto con el medio de almacenamiento de calor/ a continuaci2n se desplaza el fluido con el fluido frio/que asore el calor. En los intercamiadores de calor re!enerati,os/ el fluidoa amos lados del intercamiador de calor puede ser el mismo fluido. El fluido puede pasar a tra,9s de un paso de procesamiento e0terna/ y entonces se "ace fluir de nue,o a tra,9s del intercamiador de calor en la direcci2n opuesta para su posterior procesamiento. +or lo !eneral/ la aplicaci2n utilizara este proceso cíclico o repetido. Rec(perati$o
di,ersas confi!uraciones !eom9tricas de flu8o posiles en un intercamiador/ las mas importantes son los que se presentan a continuaci2nE,iste!
%an sola corriente 'os corrientes en flu8o paralelo 'os corrientes en contra corriente 'os corrientes en contra de flu8o cruzado. 'os corrientes a pasos multiples
c. E;%I+O5 'E TR(&5$ERE&CI( 'E C(OR )(5 CO)%&E5 E& ( I&'%5TRI(. Serpe!ti!es- los serpintines son unidades de transferencia "ec"as de tuo liso oaleteado por los que circula un fluido en el interior de los tuos y otro se uica dentro de un rea confinado/ estos equipos pueden ,erse com
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA circula por la carcasa. os e,aporadores son equipos normalmente usados en los dispositi,os de enfriamiento de a!uatales como c"iller o para enfriamiento de !aseso aire tal es el caso de los aires acondicionados. 5u confi!uracio puede estar dada en equipos de tuo coraza o flu8o cruzado. Co!e!saores# se conoce como unidad condensadora a todo aquel intercamiador que cumple una funcion de disminuci2n de temperatura/ ya sea para !ases/ ,apores y otros. a confi!uraci2n de un condensador puede ser de un tuo coraza/ placas y superficies e0tendidas. os condensadores son !eneralmente equipos que se encuentra en los procesos de camio de fase de !ases a liquidos/ los equipos de calefacci2n de liquidos con ,apor son asu ,ez condensadores de ,apor. En los siclos de refri!eraci2n los condensadores tienen la funcion de enfriar el !as refri!erante ya sea por flu8o cruzado !as: aire o !as: a!ua. C-iller#las unidades de c"iller estan conformadas por dos elementos de transferencia de calor un e,aporador y un condensador/ adems de los elementos clsicos del ciclo de refri!eraci2n3 comprensor/ ,al,ula de e0pansi2n/ filtros etc4 los c"iller son unidades que se encar!an de enfriar a!ua para aplicaciones ,arias. Este proceso se realiza mediante la compresi2n de un !as refri!erante el cual sale comprimido de la omao compresor a una temperatura apro0imada/ circula a tra,es del compensador manteniendo la presi2n y a8ando la temperatura a => !rados apro0imadamente lue!o pasa por la ,al,ula de e0pansi2n donde se !enera la transferencia con el a!ua enfrindola "asta una temperatura que puede oscilar entre 1 y = !rados o menos de acuerdo al contrario. Torres e e!'iamie!to# as torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar a!ua en !randes ,ol
El a!ua se introduce por el domo de la torre por medio de ,ertederos o por oquillas para distriuir el a!ua en la mayor superficie posile. El enfriamiento ocurre cuando el a!ua/ al caer a tra,9s de la torre/ se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flu8o cruzado/ con una temperatura menor a la temperatura del a!ua/ en estas condiciones/ el a!ua se enfría por transferencia de masa 3e,aporaci2n4/ ori!inando que la temperatura del aire y su "umedad aumenten y que la temperatura del a!ua descienda? la temperatura límite de enfriamiento del a!ua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. +arte del a!ua que se e,apora/ causa la emisi2n de ms calor/ por eso se puede oser,ar ,apor de a!ua encima de las torres de enfriamiento. los torres detipo e,aporati,as tienen un comportamiento similar al de las torres de enfriamiento/ con la diferencia de que el a!ua de proceso se encuentraen un ciclo cerrado a tra,es de un serpentin en el tope de la torre/ produci9ndose el enfriamiento del a!ua de proceso por intermedio del rociado de a!ua sore la superficie del serpentin acomp@ado de aire forzado/ el a!ua cae al fondo de la tinay es nue,amente omeado al tope de la torre para ,ol,er a cumpli el proceso. %na de las ,enta8as de estos equipos es que el a!ua Torres e$aporati$as#
.
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA de proceso se contamina muy poco ya que se encuentra en un ciclo cerrado/ sin emar!o su costo es sustancialmente superior al de las torress de enfriamiento. Cale!taores e $apor# E0isten ,arios equipos de calentadores de ,apor de los cuales el mas importante y mas comun es el C('ERO. as calderas pro,een a!ua para usos comerciales y industriales. os calentadores de ,apor son por lo !eneral intercamiadores de tuo coraza por los que circula ,apor por la coraza y a!ua o !as por el interior de los tuos/ e0isten tami9n calentadores de aceite t9rmico y de resistencia el9ctrica. /+0 os en reducci2n de tama@o
En la industria !eneralmente se traa8a con s2lidos los cuales precisan de una reducci2n pre,ia del tama@o de los trozos/ !rnulos o partículas. a operaci2n de disminuci2n o reducci2n de tama@os consiste en la producci2n de unidades de menor masa a partir de trozos mayores? para ello "ay que pro,ocar la fractura o querantamiento de los mismos mediante la aplicaci2n de presiones. as t9cnicas de reducci2n de tama@o son•
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CO)+RE5I*&- Es utilizada para la reducci2n !ruesa de s2lidos duros/ !enera productos !ruesos/ medios o finos. CORTE- 5e utiliza cuando se requiere un tama@o definido de partículas. $ROT(CI*& O ROA()IE&TO- 6enera productos finos a partir de materiales landos no arasi,os. I)+(CTO- Esta t9cnica consiste en el c"oque de las partículas para la disminuci2n de su tama@o.
/
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Ma*(i!as (tili1aos e! la re(cci"! e tama2o
0
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$or
Co + )o )olin )o )olin
) )o 1- lando/ queradizo/ cristalino.
$or
#- duro/ arasi,o. - elstico/ resistente/ cortale. =- firoso. - termolail/ !raso.
le3e!a
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a- !rumos !ranu8ientos? - particular !roseras? c- semifinos a finos? d- finos a ultrafinos
Entre los equipos de reducci2n de tama@o se tienen los-
Moli!o e Bolas o cili!ros -
consiste en un cilindro de acero lleno "asta la mitad con olas o cilindros de acero y para e8ercer su efecto reductor se le aplica un lento mo,imiento rotacional. ( a8as ,elocidades y con olas peque@as la forma de reducir tama@o que predomina es la de cizalla 3frotamiento4 y al utilizar olas !randes o el cilindro !ira a altas ,elocidades predomina la
de impacto.
Moli!o e Martillos-
es una cmara cilíndrica cuierta con una planc"a perforada de acero que en su interior tiene un rotor con una serie de ,sta!os pe!ados a su e8e 3martillos4 que !iran a !ran ,elocidad. a fuerza principalmente utilizada es la de impacto al ser !olpeado e impulsado contra la planc"a de acero.
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Moli!o e Roillo-
constituido por dos o ms rodillos de acero paralelos entre sí y !irando conc9ntricos impulsando al alimento a pasar por el espacio entre ellos. a principal fuerza e8ercida es la de compresi2n. .
Trit(raor e Ma!4&(la# constituido
por dos placas de acero donde una es m2,il y la otra fi8a. 5e utiliza para la trituraci2n de partículas de !ran tama@o/ a tama@o mediano y fino. Traa8a con la compresi2n y la frotaci2n.
#.= os usados en la mezcla Me1clao e l4*(ios# A)itaci"! M(ral
El equipo de a!itaci2n mural es utilizado con !ran ,ersatilidad en el mezclado de líquidos al poder ser montado con cualquier a!itador de los disponiles en faricaci2n estndar. )uy s2lido al estar fi8ado a la ,ez al suelo y a una pared/ "aciendo que las ,iraciones por esfuerzos se repartan y no se apliquen
Me$clado de l34uido!+ Aitaci&n M&%il El equipo de a!itaci2n mural es utilizado con !ran ,ersatilidad en el mezclado de líquidos al poder ser montado con cualquier a!itador de los disponiles en faricaci2n estndar. (l poder inclinar el caezal/ se "ace especialmente
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
Me$clado de l34uido!+ Aitaci&n Columna El sistema de a!itaci2n por columna "a sido dise@ado para soportar el a!itador adecuado para cada producto. &ormalmente se utiliza en este tipo de ele,ador/ el disco de a!itaci2n CODE5/ dise@ado para poder traa8ar con 90ito en el mezclado de líquidos en todas las dispersiones y "omo!eneizaciones de productos/ como pinturas/ arnices/ ceras/ pIastisoIes/ masillas/ etc. Con tanques m2,iles con capacidades desde 1>> litros a 1>> litros G y arandilla de protecci2n sore:tanque. 5istema de ele,aci2n con columna "idroneumtica.
Me$clado de l34uido!+ Aitaci&n com'inada 5istema de a!itaci2n de líquidos ,ertical destinado a la "omo!eneizaci2n de pastas li!eras o s2lidos !ranulados de ms de # mm. (pro0imadamente. En los equipos de a!itaci2n cominada/ la ,elocidad de a!itaci2n y mezclado de líquidos normalmente se aplicar se!
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA #. os usados en las reacciones di,ersas Es todo aquel proceso mediante el cual una sustancia quimica se transforma en otra diferente. 5aiendo esto definiremos un Reactor ;uímico como el equipo capaz de desarrollar una reaccci2n química en su interior. En su interior ocurre un camio deido a la reacci2n química y estan dise@ados para ma0imizar la con,ersi2n y selecti,idad de la reacci2n con el menor costo/ tiempo/y mayor eficiencia posiles. %n e8emplo es el reactor de una central nuclear para !enerar ener!ía nuclear. os reactores químicos tienen como funciones principales
(se!urar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque/ para conse!uir una mezcla deseada con los materiales reactantes. +roporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador/ para conse!uir la e0tensi2n deseada de la reacci2n. +ermitir condiciones de presi2n/ temperatura y composici2n de modo que la reacci2n ten!a lu!ar en el !rado y a la ,elocidad deseada/ atendiendo a los aspectos termodinmicos y cin9ticos de la reacci2n
TI+O5 'E RE(CTORE5 ;%7)ICO5 1. RE(CTOR 'I5CO&TI&%O. Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacci2n/ sino mas ien/ al inicio del proceso se introducen los materiales/ se lle,a a las condiciones de presi2n y temperatura requeridas/ y se de8a reaccionar por un tiempo preestalecido/ lue!o se descar!an los productos de la reacci2n y los reactantes no con,ertidos. Tami9n es conocido como reactor tipo Batc". #. RE(CTOR CO&TI&%O. )ientras tiene lu!ar la reacci2n química al interior del reactor/ 9ste se alimenta constantemente de material reactante/ y tami9n se retira ininterrumpidamente los productos de la reacci2n. . RE(CTOR 5E)ICO&TI&%O- Es aquel en el cual inicialmente se car!a de material todo el reactor/ y a medida que tiene lu!ar la reacci2n/ se ,a retirando productos y tami9n incorporando ms material de manera casi continua. =. RE(CTOR T%B%(R. En !eneral es cualquier reactor de operaci2n continua/ con mo,imiento constante de uno o todos los reacti,os en una direcci2n espacial seleccionada/ y en el cual no se "ace nin!
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA contenido es esencial/ deido a que el flu8o interior dee estar en constante circulaci2n y así producir una mezcla uniforme. F. RE(CTOR 'E ECHO $%I'IA('O. 5e utiliza para reacciones donde inter,en!an un s2lido y un fluido 3!eneralmente un !as4. En estos reactores la corriente de !as se "ace pasar a tra,9s de las partículas s2lidas/ a una ,elocidad suficiente para suspenderlas/ con el mo,imiento rpido de partículas se otiene un alto !rado de uniformidad en la temperatura e,itando la formaci2n de zonas calientes. . RE(CTOR 'E ECHO $IJO. os reactores de lec"o fi8o consisten en uno o ms tuos empacados con partículas de catalizador/ que operan en posici2n ,ertical. as partículas catalíticas pueden ,ariar de tama@o y forma- !ranulares/ cilíndricas/ esf9ricas/ etc. En al!unos casos/ especialmente con catalizadores metlicos como el platino/ no se emplean partículas de metal/ sino que 9ste se presenta en forma de mallas de alamre. El lec"o est constituido por un con8unto de capas de este material. Estas mallas catalíticas se emplean en procesos comerciales como por e8emplo para la o0idaci2n de amoniaco y para la o0idaci2n del acetalde"ídico a cido ac9tico. . RE(CTOR 'E B%RB%J(5. +ermiten "acer uru8ear un reacti,o !aseoso a tra,9s de un líquido con el que puede reaccionar/ porque el líquido contiene un catalizador disuelto/ no ,oltil u otro reacti,o. El producto se puede sacar del reactor en la corriente !aseosa. . $ER)E&T('ORE5. Este tipo de reactores utilizan "on!os/ los cuales forman un culti,o/ el cual a su ,ez se transforma en una KsopaL espesa que contiene crecimientos filamentosos. %n e8emplo se encuentra en la faricaci2n de antii2ticos como la penicilina. 1>. RE(CTORE5 'E )E)BR(&(. 5on aquellos que cominan la reacci2n y la separaci2n en una sola unidad? la memrana selecti,amente remue,e una 3o ms4 de las especies reactantes o productos. Estos reactores "an sido com
#.F los usados en la separaci2n y e0tracci2n/ etc. En separacion 1)
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5istema de separaci2n solido: liquido
m6todo eecti%o #ara la remoci&n de ra!a!, aceite! 7 materia fotante #re!ente! en la! aua! re!iduale! DA* 8Proce!o de fotaci&n de aire di!uelto9, !e trata de un e4ui#o de !e#araci&n !&lido:l34uido; E! un m6todo eecti%o #ara la remoci&n de ra!a!, aceite! 7 materia fotante #re!ente! en la! aua! re!iduale!; El e4ui#o e!t< com#ue!to #or un 'a!tidor el cual e! el encarado de !u!tentar todo! lo! com#onente!, una cu'a la cual incor#ora un recolector radial e!#ec3=co, un mecani!mo encarado de la e"tracci&n de ra!a! 7 un !i!tema >idrodinidrodinomo6neamente !o're la totalidad de e!ta; La !u'ida e! a%orecida #or la ad>e!i&n de la! ra!a! con la! 'ur'uja! de aire, con!iuiendo una !u'ida r<#ida; De la mi!ma orma !e con!iue la acumulaci&n de lodo! en el ondo del e4ui#o, 4ue racia! a !u #eculiar orma con!tructi%a a%orece la e"tracci&n de e!to! 7 la lim#ie$a del e4ui#o; Para la total e"tracci&n de la! ra!a!, !e utili$a el mecani!mo 'arredor el cual incor#ora cierto n@mero de ra!4ueta! 'arredora! motori$ada!, la! cuale! 'arren la la el mecani!mo la! ra!4ueta! !e introducen lieramente #or de'ajo del ni%el de aua 7 en !u mo%imiento de a%ance %an arra!trando la! ra!a! >acia el e"tremo del e4ui#o donde !e encuentra la ram#a de e"#ul!i&n; Al encontrar!e la! ra!4ueta! con la ram#a, e!ta! !alen de de'ajo del aua 7 em#ie$an !u a!cen!i&n #or dic>a ram#a em#ujando la! ra!a! >a!ta alcan$ar !u #unto ma! alto #roduci6ndo!e a!3 la de!cara !o're el caj&n #ara tal =n; Tamice!
tran!#ortadore! !in3n+ de!tinado! a la !e#araci&n de rande! cantidade! de !&lido! 1-
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA E! un e4ui#o de!tinado a la !e#araci&n de rande! cantidade! de !&lido! #re!ente! en la! aua! re!iduale!, e!to! !&lido! en !u!#en!i&n 4ue tran!#orta el l34uido !e de#o!itan en la cri'a o $ona de tami$ado 7 #or medio de la >6lice !on tran!#ortado! >acia la #arte !u#erior, #or el mo%imiento rotacional del !in3n;
?e#arador de acci&n centriua #ara a#licacione! de 'ajo fujo; n !e#arador de acci&n cenriua en l3nea #ara un a%ariedad de a#licacione! de 'ajo fujo
A#licaci&n #rinci#al+un !e#ardor de 'ajo fujo di!eado #ara remo%er arena, ra%illa, !edimento! 7 !arro!; Modo! di!#oni'le! en acero al car'on7 acero ino"ida'le; En e"tracci&n
Es una operaci2n unitaria de transferencia de materia asada en la disoluci2n de uno o ,arios componentes de una mezcla :líquido o s2lido: en un disol,ente selecti,o. 5e "ace la distinci2n entre la e0tracci2n s2lido:líquido y la e0tracci2n líquido:líquido se!
E0tractor de so0"let
5e aplica para analitos que no se pueden separar por ,olatilizaci2n 3en fase !as4 pero sí son e0traíles empleando un disol,ente or!nico adecuado. 5u aplicaci2n tiene como ,enta8a la eficacia en el proceso de remo8o de la fase s2lida. E*(ipos (tili1aos e! la e,traccio! li*(io5li*(io •
•
E0tracci2n por etapaso
)ezclador : sedimentador
o
Torres platos perforados
o
Columnas de ande8as
E0tracci2n por contacto continuo diferencialo
Torres de pul,erizaci2n 1.
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA o
Torres de relleno
o
Columnas pulsadas
o
E0tractores centrífu!os
Me1claores5Seime!taores.
Este tipo de equipo puede ,ariar desde un solo tanque/ con a!itador/ que pro,oca la mezcla de las fases y despu9s se de8an sedimentar/ "asta una !ran estructura "orizontal o ,ertical compartimentada. En !eneral/ la seime!taci"! se realiza en tanques/ si ien al!unas ,eces se utilizan centrífu!as. 5in emar!o/ la mezcla puede realizarse de formas diferentes/ como por impacto en un mezclador de c"orro/ por acci2n de cizalladuc"a cuando amas fases se alimentan simultneamente en una oma centrífu!a/ mediante inyectores donde el flu8o de un líquido es inducido por el otro/ o ien por medio de orificios o oquillas de mezcla.
Torres e p(l$eri1aci"!.
Como en asorci2n de !ases/ la dispersi2n en la fase continua limita la aplicaci2n de este equipo a los casos en los que solamente se requiere una o dos etapas.
Torres e relle!o+ +ara
e0tracci2n líquido:líquido se utilizan los mismos tipos de relleno que en asorci2n y destilaci2n. Es preferile utilizar un material que sea preferentemente mo8ado por la fase continua. En las columnas de relleno la dispersi2n a0ial es un prolema importante y la HET+ es !eneralmente mayor que en los dispositi,os por etapas.
Torres e platos.
En este caso se prefieren los platos perforados. a separaci2n entre los platos es muc"o menor que en destilaci2n- 1>:1 cm para la mayor parte de las aplicaciones con líquidos de a8a tensi2n interfacial. Cuando se opera con un r9!imen de flu8o adecuado/ las ,elocidades de e0tracci2n en columnas de platos perforados son ele,adas deido a que las !otas de la fase dispersa coalescen y se ,uel,en a formar en cada etapa. Esto fa,orece la destrucci2n de !radientes de concentraci2n que se pueden formar cuando las !otas pasan sin perturaci2n a tra,9s de toda la columna. as columnas de platos perforados para e0tracci2n estn sometidas a las mismas limitaciones que las columnas de destilaci2n- inundaci2n/ arrastre y !oteo. Con frecuencia se presentan prolemas adicionales como la formaci2n de suciedad que sorenada y que se ori!ina por la presencia de peque@as cantidades de impurezas.
E*(ipo e )ra$ea asistio mecá!icame!te.
5i las diferencias de densidad entre las dos fases líquidas son a8as/ las fuerzas de !ra,edad resultan insuficientes para una adecuada dispersi2n de las fases y creaci2n de turulencia. En este caso/ se utilizan a!itadores rotatorios accionados por un e8e que se 1/
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA e0tiende a0ialmente a lo lar!o de la columna con el fin de crear zonas de mezcla que alternan con zonas de sedimentaci2n en la columna. %n e8emplo típico es el R'C 3Krotatin! disc contactorL4 que se "a utilizado en tama@os de "asta 1# m de altura y #.= m de dimetro.
os discos/ con ele,ada ,elocidad de !iro/ proporcionan la ener!ía necesaria para la mezcla de las dos fases. +e!ados a la columna/ se montan unos discos metlicos perforados que sir,en de separaci2n entre cada dos discos !iratorios/ diri!iendo el flu8o y pre,iniendo la dispersi2n a0ial. Otros aparatos de uso comercial son la cascada de mezcladores:sedimentadores en forma de columna desarrollada por Treyal y las columnas pulsadas/ que son columnas de platos perforados pro,istas de una oma de 9molo para promo,er la turulencia y me8orar la eficacia.
E,tractores ce!tr4'()os+ as fuerzas centrífu!as/ que pueden ser miles de
,eces superiores a las de la !ra,edad/ pueden facilitar las separaciones cuando se presentan prolemas de emulsificaci2n/ las diferencias de densidades son muy a8as/ o cuando se requieren tiempos de residencia muy peque@os deido a un rpido deterioro del producto/ como ocurre en la industria de antii2ticos. 6eneralmente/ los e0tractores centrífu!os s2lo tienen una o dos etapas/ aunque se "an construido unidades con cuatro etapas.
.)ETERI(E5 M RE(CTIVO
)ateriales-
a ,ariedad de equipos del laoratorio de operacione. =. +ROCE'I)IE&TO Recorrer el laoratorio y atender las características que e0plica la in!eniera detenidamente de cada equipo operati,o y reconocer su uso/ tomar nota las características principales. 6+7 mo(lo e,perime!tal e 'l(%o e 'l(ios 3 ma!"metro
+ermite e,aluar toda las ,ariales de ,ariaci2n del flu8o de fluidos.
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
6+/ mo(lo co!trol el !i$el
Tienes dos censores de ni,el y este controla la ,ariaci2n. 5e mide los caudales
=. secaor semi i!(strial
5e
utiliza
para secar
6+6 i!tercam&iaor e calor e t(&o co!c8!trico
Es de tama@o industrial y entra dos corrientes en paralelo/ ,apor por la línea ro8a de acuerdo alos estndares y a!ua por la línea ,erde/ pero tami9n puede in!resar en contra corriente. Vapor- ,iene del caldero ya sea del el9ctrico o industrial
1
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Este equipo es muy importante por que permite usar distintos caudales y el fen2meno de transferencia de ,apor depende delos caudales. %so- para estudiar el fen2meno de transferencia del a!ua
6+9 calero
6enerador de calor de quipos
,apor al intecamiador de tuos conc9ntricos y a otrs
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 6+: e,tractor e aceites ese!ciales
E0traccion e aceites por arrastre de ,apor
6+; mo(lo e em(lsio!es
Emulsi2n es la dispersi2n de una fase inmiscile en otra y tami9n para dispersas pol,os finos en líquidos pesados/ pero la emulsi2n dee ser estale y eso se lo!ra mediante la recirculaci2n en las tuerías y tami9n la potencia de la oma es !rande por que cuando se forma la emulsi2n la ,iscosidad camia si!nificati,amente.
6+< mo(lo e a)itaci"! 3 me1clao
a a!itaci2n se refiere a forzarun fluido por medios mecnicos para que adquiera un mo,imiento circulatorio en el interior de un recipiente.los o8eti,os de la a!itaci2n pueden ser
)ezcla de liquidos misciles 3 e8m- alco"ol y a!ua4 'isoluci2n de solidos en liquidos 3 e8m- az
Tami9n se "izo películas iode!radales.
(5
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
6+= Re"!
+ermite estudiar la reolo!ia de las sustancias y la reolo!ia estudia la deformaci2n de los materiales para ,er sus estructuras y factores que ,an!a incluir en su uso por eso se necesita un estudio preciso.
9+ CUESTIONARIO
.1 De'i!ir *(e es (!a operaci"! (!itaria 3 *(e es (! proceso (!itario+ 5e llama operaci"! (!itaria a cualquier proceso fisico de transformaci2n donde puede e0istir un intercamio de ener!ía del tipo físico/ de una materia prima en otro producto de características diferentes. 5e entiende que los procesos de transformaci2n en !eneral y las operaciones unitarias/ en lo particular/ tienen como o8eti,o el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma ms
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Esta transformaci2n puede realizarse de distintas formas- modificando la masa o composici2n del cuerpo primario ya sea mezclndolo/ separndolo o "aci9ndolo reaccionar químicamente? modificando la calidad de la ener!ía que posee el cuerpo en cuesti2n/ ya sea por enfriamiento/ ,aporizaci2n/ aumento de presi2n? modificando las condiciones relati,as a la cin9tica del cuerpo primario/ ya sea aumentando o disminuyendo su ,elocidad o modificando la direcci2n que tiene en el espacio. los procesos unitarios son aquellos en donde ocurren camios químicos y al!uno de ellos son:O0idaci2n. :$ermentaci2n. :Hidro!enaci2n. :&itraci2n. :5ulfuraci2n. .# > e!tro el c(rso e &ala!ce e materia e! los primeros cap4t(los -a&lamos e los &ala!ces si! reacci"! *(4mica 3 co! reacci"! *(4mica? respecto ala primera pre)(!ta como los relacio!ar4amos@ Los camios físicos que se realizan o
que ocurren son llamados operaciones unitarias.
os camios químicos que ocurren en el reactor o reacci2nes químicas como o0idaci2n/ nitraci2n/ esterificaci2n/ etc se conocen con el nomre de proceso unitario. +or lo tanto si "ay reaccio!es *(4micas se realiza un proceso (!itario y si !o -a3 reacci2n química es una operaci2n unitaria. 9+0 e ac(ero ala relaci"! e (sos me!cio!aos e! el '(!ame!to teorico? (&icar los i'ere!tes e*(ipos e!co!traos e! el la&oratorio e i!icar *(e tipo e &ala!ce se p(ee (sar+ E*(ipos Mo(lo e,perime!tal e 'l(%o e 'l(ios Mo(lo co!trol el !i$el Secaor semi i!(strial I!tercam&iaor e calor e t(&o co!c8!trico E,tractor e aceites ese!ciales Mo(lo e em(lsio!es mo(lo e a)itaci"! 3 me1clao Re"!
(so
Transporte de fluidos Transporte de fluidos Transferencia de calor Transferencia de calor 5eparaci2n y e0traccion mezcla mezcla
((
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 9+6 I!$esti)ar &i&lio)rá'icame!te *(e tipos e &om&as poemos e!co!trar para el (so el tra!sporte e 'l(ios l4*(ios+ Bom&as
%na oma es una mquina que utiliza ener!ía 3motoR4/ para incrementar la presi2n de un fluido 3!as o líquido4/ para mo,erlo de un punto a otro. as omas se clasifican en tres !randes !rupos
Centrífu!as Rotatorias Reciprocantes 7+ Bom&as Ce!tr4'()as
+rincipalmente utilizadas para fluidos en estado líquido. Esta denominaci2n se aplica a las mquinas que poseen un rodetecon laes fi8os 3parte m2,il4/ alo8ados dentro deuna carcasa3parte fi8a4 de forma adecuada 3,er fi!4. El rodete est montado sore el e8e de la oma/y a su ,ez 9ste esta acoplado con el motor. as omas centrifu!as se caracterizan físicamente por tener la cone0i2n de aspiraci2n :succi2n muy pr20ima al e8e de rotaci2n? y su salida por la periferia de la carcasa. a acci2n de omeo o transporte se produce por un aumento de impulso al fluido. Este impulso lo !enera el !iro de los laes y la forma que tiene la carcasa. (l mismo tiempo/ el mo,imiento del fluido que resulta a tra,9s de la oma produce una disminuci2n de presi2n en la entrada. as dos características principales de este tipo de omas/ son el caudal y la presi2n? siendo 9stas interdependientes/ ya que estn relacionadas con la forma/ tama@o y ,elocidad de !iro del rodete. 5us principales ,enta8as sonCaudal constante/ +resi2n uniforme/ 5encillez de construcci2n/ Tama@o reducido y $le0iilidad de re!ulaci2n. 5u principal des,enta8a es que necesitan estar KceadasL es decir que dee "aer líquido en la ca@ería de impulsi2n y en la carcasa. Este incon,eniente se puede solucionar utilizando una ,l,ula de retenci2n en la ca@ería de aspiraci2n/ o utilizando omas autoceantes.
Tipos e &om&as ce!tr4'()as 3 s(s aplicacio!es
Bomas Centrífu!as Horizontales- El e8e de la oma se encuentra en el plano "orizontal y son muy utilizadas por su fcil operaci2n y mantenimiento. 5e destacan las de dise@o KBacN +ull OutL 3desarme por atrs4 que permiten el fcil desmonta8e del con8unto rotante sin desmontar la carcasa de las ca@erías. +ueden ser monoetapas para presiones de "asta 1F ar/ o multietapas con presiones de "asta >ar.
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PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Bomas Centrífu!as Verticales- El e8e de la oma se encuentra en el plano ,ertical.+ueden ser monoetapas 3!eneralmente sumer!iles para omeo de líquidos cloacales4/ o multietapas 3sumer!iles o no/ para presiones altas4 /+ Bom&as reciproca!tes alter!ati$as
5on unidades de desplazamiento positi,oque descar!an una cantidad definida de líquido durante el mo,imiento del pist2n o 9molo a tra,9s de la distancia de la carrera. E0isten tres tipos distintos• • •
(spirante Impelente (spirante Impelente
•
Aspira!te
El funcionamiento de esta oma es muy sencillo/ y el mismo consiste en el desplazamiento "acia arria y aa8o del emolo. Cuando el emolo sue/ se are la ,l,ula de retenci2n:1 a causa de la succi2n que se !enera. +osteriormente cuando se lle!a al punto superior y el 9molo comienza a a8ar se cierra la ,l,ula:1 y are la ,l,ula de retenci2n# y el liquido fluye "acia la descar!a. +or consi!uiente/ cuando el emolo sue la presi2n de este "ace que el liquido sal!a por la descar!a. Te2ricamente este tipo de oma podría le,antar "asta 1> metros pero en la practica no supera los metros. Impele!te
El funcionamiento es muy similar a las aspirantes/ con la peque@a diferencia que aquí la descar!a est por dea8o del ni,el del emolo en casi todo su recorrido. (simismo puede oser,arse que el emolo no tiene ,l,ula de retenci2n sino que a"ora est en la uni2n del cuerpo de la oma y conducto de descar!a. Aspira!te Impele!te
Esta oma es una cominaci2n de las ,istas arria. (quí cuando el 9molo sue o a8a/ se est produciendo la succi2n o descar!a se!
(-
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 5i se desprecian los escapes/ las omas rotati,as descar!an un !asto constante independientemente de las presiones ,ariales de descar!a. (sí pues la cur,a usual H:; es prcticamente una línea "orizontal. El desplazamiento de una oma rotati,a ,aría en forma directamente proporcional con la ,elocidad/ solo que la capacidad puede ,erse afectada por ,iscosidades y otros factores. 9+9 Come!tar *(e 'acilia poria co!se)(irse co! (so e so''are e! la resol(cio! e &ala!ce e materia 3 e!er)ia 3 c(ales seria! los so''are mas aec(aos+ ACTON+S+A es
una empresa líder en la optimizaci2n de procesos. Conociendo las necesidades de sus clientes "a desarrollado el soffQare especializado para alance de materia y ener!ía con reconciliaci2n de datos/ el cual permite "acer se!uimientos detallados al proceso para cualquieer tipo de industria/ lo!rando contailizar la producci2n de forma precisa y eficiente. (ltualmente en las plantas de producci2n se encuentra una cantidad considerale de ,ariales/ las cuales se deen conocer/ permanentemente de manera confiale para que los 8efes del proceso tomen decisiones acertadas y asi pueden coordinar la producci2n/ ase!urar la calidad y mantener costos de producci2n. El soffQare mas adecuado serian los de simulaci2n. a simulaci2n es una "erramienta importante para la ayuda de toma de decisiones en el dise@o de operaci2n y optimizaci2n de procesos químicos. Los sim(laores se p(ee! calsi'icar
3 las propiedades de reacti,os/ productos o mezclas no ,arian con el tiempo4 o tami9n llamados simuladores en estado dinamico 3 las propiedades ,arian con el tiempo4 Sim(laores e! estao estacio!ario
Sim(laores e (so especi'ico los
elaorados para operaci2n unitaria especifica y en un determinado ran!o de operaci2n4. Es importante mencionar que la simulaci2n de procesos químicos es una "erramienta que se "a "ec"o indispensale para la solucione adecuada de los prolemas de proceso. +ermite efectuar el anlisis de plantas químicas en operaci2n/ de i!ual forma se emplea para dise@o de nue,as plantas e equipos. :+ CONCLUSIONES
En definiti,a reconocer los diferentes equipos usados en lo procesos químicos industriales/ nos damos cuenta que todo ello conlle,a al alance de materia y enr!ia que se lle,a en cada uno de ellos. (.
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Hemos podido reconocer que operaciones unitarias o procesos unitarios se pueden realizar en cada uno de ellos/ si es con reacci2n química o sin reacci2n química el proceso en cada uno de los equipos. BIBIO6R($7(
"ttp-materias.fi.ua.ar#>#)aterial(lumnos>S(punte#>Tteiquidos.pdf
"ttp-QQQ.interempresas.net(!ua$eriaVirtual+roducto:Equipos:de: separacion:solido:liquido:'($:1>>."tml
"ttp-ocQ.unican.esensenanzas:tecnicasoperaciones:y: procesosmaterialesBO;%E#:Oy+.pdf
"ttps-es.QiNipedia.or!QiNiReactorSquC('mico
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Ricon de ,a!o
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