Unidad 1: Fase 2: Resolver problemas de Balance de Materia
Actividad Grupal
Por: Ángela Yaneth Ortiz Calderón_ 1095826214 Kevin Yesid Palenque Duque_1098674680 Mabel Liseth Martinez Rincón _1030566769 Yacsira Stacey Barrios_1098774120
Nombre y Grupo del curso: Balance de materia y energía grupo_301103_2
Presentado a: Ruth Isabel Rodriguez Acero
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD CEAD Bucaramanga Escuela de Ciencias básicas Tecnología e Ingeniería Julio 2017
Introducción
El balance de materia y energía son operaciones que sirven como herramientas con las que se puede contabilizar los flujos de la materia y energía en un proceso industrial, nos permiten conocer la cantidad de masa de cada uno de las materias primas y energía necesarias para su proceso. Con la ayuda de esta herramienta se puede estimar el requerimiento de materias primas y energía para obtener un producto con unas características específicas. (Lasallista, 2011) A continuación se realizaran cinco ejercicios con el fin de poder simular un sistema en el cual se pueda calcular la cantidad de materia y energía necesaria para su realización, asimismo se realizan los respectivos diagramas de bloques para representar el problema propuesto.
Problema 1: Durante el procesamiento del maíz se obtiene almidón y proteína mediante las siguientes operaciones: primero, se remoja el maíz en agua a una temperatura de 70 ° C, durante 1 o 2 días, enseguida se le añade 0,15 % de SO2 que junto con bacterias del género Lactobacillus ayuda a la solubilización de proteínas del germen, se impide la germinación y se hidrolizan enlaces disulfuro, posteriormente el grano húmedo se tritura para obtener una suspensión que contiene gérmenes, salvado, almidón y gluten, El germen se separa de la pasta liquida mediante separadores neumáticos (ciclones) para líquidos. Los gérmenes lavados y secos pasan al proceso de extracción de aceite de maíz. Mediante una molienda y un tamizado que se repite varias veces, el salvado se separa de las demás fibras. El resto de la pasta líquida contiene de 5 a 8% en peso de proteína, la cual se concentra separándose el almidón más denso del gluten y el primero se filtra, se lava se seca. El gluten se seca y se utiliza en la elaboración de alimentos para ganado.
Con base en el enunciado:
Identifique las operaciones y procesos unitarios. (diligencie un cuadro con la información)
ETAPA DEL
DESCRIPCIÓN
PROCESO
OPERACIÓNES UNITARIAS
PROCESOS
Cambios físicos
UNITARIOS Cambios químicos
Remojo
se remoja el maíz en agua a una temperatura de 70 ° C, durante 1 o 2 días, enseguida se le añade 0,15 % de SO2 que junto con bacterias del género Lactobacillus ayuda a la solubilización de proteínas del germen, se impide la germinación y se hidrolizan enlaces disulfuro
Reducción de tamaño (molienda).
Triturado
se tritura para obtener una suspensión que contiene gérmenes, salvado, almidón y gluten
La molienda, pulverización y el corte son ejemplos de esta operación de reducción de sólidos gruesos, empleando medios mecánicos.
Separación Neumática
Lavado y Secado
El germen se separa de la pasta liquida mediante separadores neumáticos (ciclones) para líquidos Los gérmenes lavados y secos pasan al proceso de extracción de aceite de maíz.
Filtración: Separación de sólidos suspendidos en líquidos, por medios filtrantes.
Secado. Disminución de humedad en sólidos y gases, por evaporación del agua, en el
primer caso y por adsorción del vapor de agua, en el segundo.
Tamizado Separación de
Tamizado
Mediante una molienda y un fracciones de sólidos por tamizado que se repite tamaños, empleando mallas varias veces, el salvado se separa de las demás fibras. metálicas trenzadas.
Extracción
Los gérmenes lavados y secos pasan al proceso de extracción de aceite de maíz.
Molienda y
Concentración
El resto de la pasta líquida contiene de 5 a 8% en peso de proteína, la cual se concentra separándose el almidón más denso del gluten
Extracción liquido-solido. Separación de sólidos por acción de un líquido solvente
Sedimentación. Separación de sólidos en líquidos de menor densidad.
Filtración Separación de sólidos suspendidos en líquidos, por medios filtrantes. Filtración, Lavado y Secado
Se filtra el almidón más denso del gluten, se lava y se seca.
Secado. Disminución de humedad en sólidos y gases, por evaporación del agua, en el primer caso y por adsorción del vapor de agua, en el segundo.
Elabore el diagrama de bloque en donde se distinga la secuencia del proceso de producción.
DIAGRAMA DE BLOQUES 0,15%
70 ° C
Maíz
1 a 2 días
Suspensión de salvado, almidón y Gluten.
Remojo
Triturado
Grano húmedo
Separación neumática
Germen Pasta liquida
Germen molido y tamizado
Gluten
Extracción
Concentración Almidon
Gluten Húmedo
Lavado y Secado
Salvado
Aceite de Maíz
Filtración, lavado y secado
Molienda y Tamizado
Germen lavado y seco
Lavado y secado
Gluten
Alimentos de Ganado
Almidón
Problema 2: Un vino con sólidos suspendidos entra a una operación de centrifugación para clarificación. A la centrifuga entran 5000 L/h de vino a clarificar con densidad de 1,08 kg/L y sólidos suspendidos del 4 % en peso. El vino sale de la centrifuga con 0,2 % en peso de sólidos suspendidos, mientras que la fase pesada tiene 80% en peso de sólidos suspendidos y 20 % en vino. Realizar el balance de materia. a. Dibuje el diagrama de bloques del proceso mencionado en el ejercicio, las etapas pueden representarse por bloques. Es importante definir las entradas y salidas de cada etapa.
Problema 2: Un vino con sólidos suspendidos entra a una operación de centrifugación para clarificación. A la centrifuga entran 5000 L/h de vino a clarificar con densidad de 1,08 kg/L y sólidos suspendidos del 4 % en peso. El vino sale de la centrifuga con 0,2 % en peso de sólidos suspendidos, mientras que la fase pesada tiene 80% en peso de sólidos suspendidos y 20 % en vino. Realizar el balance de materia. a. Dibuje el diagrama de bloques del proceso mencionado en el ejercicio, las etapas pueden representarse por bloques. Es importante definir las entradas y salidas de cada etapa. b. Asigne a cada corriente un símbolo para los flujos de entrada y salida, incluya también símbolos para las corrientes de cada componente
ENTRADA: VINO (V) (C)Cantidad: 5000 L/h (D)Densidad (Ƿ)= 1.08 Kg/L (C1)Cantidad* Ƿ = 5400 Kg/h (SS1) % Solidos suspendidos: 4% % vino sin solidos: 96% (K1)Kg Solidos suspendidos: 216 Kg Kg de vino: 5184 Kg
SALIDA: VINO CENTRIFIGADO (VC)
CENTRIFUGA
(C2)Cantidad Total: 5143.5 Kg (SS2) % Solidos suspendidos : 0.2% % vino sin solidos: 99.8% (K2)Kg Solidos suspendidos: 10.80 Kg Kg de vino: 5133.2 Kg
SALIDA: FASE PESADA (FP) (C3)Cantidad Total: 256.5 Kg/h (SS3) % Solidos suspendidos : 80% % vino sin solidos: 20% (K3)Kg Solidos suspendidos : 205.2 Kg Kg de vino: 51.3 Kg
1. ENTRADAS: Cantidad total de vino:
∗ =
5000 ∗ 1.08 = 5400 /ℎ ℎ
Solidos suspendidos 4%:
∗ =
5400
∗ 0.04 = 216 ℎ
Kg Vino sin solidos 96%:
− ( ∗ ) = 5400
− 216 = 5184 ℎ
2. SALIDAS: 2.1 FASE PESADA: Cantidad total:
205.2 = 80% ∗
100% = 80%
205.2 ∗
Solidos suspendidos 3.8%:
216 = 4%
100 = 256.5 = 100% 80
∗
3.8% = 4%
216 ∗
3.8 = 205.2 4
Kg de solidos 80%
205.2 = 80% Kg Vino sin solidos 20%:
∗
20% 20 = 205.2 ∗ = 51.3 = 20% 80% 80
2.2 VINO CENTRIFUGADO: Cantidad total de vino:
− =
5400
− 256.5 = 5143.5 ℎ
Solidos suspendidos 0.2%:
216 =4% ∗
0.2% = 4%
216 ∗
Kg Vino sin solidos 99.8%:
∗
99.8 99.8 = 5143.5 ∗ = 5133.2 100 100
0.2 = 10.8 4
Problema 3: A un evaporador entran 10000 kg/h de un jugo de caña de azúcar que tiene una concentración de sacarosa del 15%. Cuánto se debe agregar de agua pura para que la concentración final de la mezcla sea del 10 % en peso y cuanto se obtiene de producto final.
Diagrama de bloques Agua A
Jugo de Caña de Azúcar
Evaporador
Xf
Ci Sacarosa 15%
MEZCLA 10% de Peso
Xi
Producto Final
Cf
10000Kg /h
Balance de masa
Masa del jugo de azúcar = 10000Kg/h x 0.15 = 1500Kg/k= Ci de sacarosa en el producto inicial.
1500Kg/k = 0.1 = 10% =
+ =
1500Kg/k 15.000Kg = 0.1 k
15.000Kg
k
Despejamos la cantidad de agua:
= − =
15.000Kg 10.000Kg 5.000Kg − = .
k
k
k
Problema 4: Una fábrica de alimentos para ganado produce sorgo seco. Para ello introduce el sorgo en un secador que utiliza aire. Si el aire entra al secador con una humedad de 0.008 kg de agua/kg aire seco y sale con una humedad 0.069 kg agua/kg aire seco y el sorgo entra con 23% de agua y debe salir con 12%. Calcular la cantidad de aire necesaria en m3/mi a 1 atm. Y 25 °C, para procesar 68 kg/mi de sorgo al 12%.
68 Kg/mi Sorgo 12%
Sorgo con agua 12 %
Sorgo con agua 23 % Sorgo Seco 77%
SECADOR
Sorgo Seco 88% 0.069 kg de agua/kg aire seco
0.008 kg de agua/kg aire seco
Sorgo: Ae= Agua eliminada
= + 1 = 2 ∗ = ∗ =
∗
=
68∗88 77
= 77.71
1 = − = 77.71 − 68 = 9.71
Aire:
= − = 0.069 − 0.008 = 0.061
..
= = ∗ 0.061
=
..
9.71 = = 159.18 . . 0.061 0.061
= = ∗ = 159.48 ∗ 0.008 = 1.273 = + = 159.18 + 1.273 = 160.45
Problema 5: Para conseguir jugo de naranja concentrada, se parte de un extracto con 7% en peso de sólidos el cual se mete en un evaporador al vacio. En el evaporador se elimina el agua necesaria para que el jugo salga con una concentración del 58% de peso en sólidos, Si se introduce a proceso 1000 Kg/h de jugo diluido, calcule la cantidad de agua evaporada y de jugo concentrado saliente. W= ¿Agua evaporada? WC= Concentración de agua Evaporada = 0, ya que solo se está evaporando agua pura, no se menciona eva oración de sólidos.
EJ=1000kg/h de jugo de naranja que entra al sistema
SJ= ¿Cantidad de Jugo que sale?
Evaporador SJC= 58%= 0,58 peso en solidos del jugo que sale del sistema
EJC= 7%= 0,07 peso en solidos del jugo que entra al sistema
Se plantean las ecuaciones con las letras que hemos asignado para cada uno de los ítems que entran y salen del sistema. La ecuación del balance total seria, la corriente que entra EJ es igual a Las dos corrientes que salen W y SJ
=+
Para la ecuación del balance parcial para los sólidos del jugo, se debe escribir que cantidad de jugo entra(EJ) por la concentración de solidos que entra(EJC), todo ese jugo concentrado tiene que salir, atravez de las otras dos corrientes del sistema, por la corriente
W no sale nada ya que por allí solo sale agua evaporada, entonces se multiplica por cero (WC) ya que no sale nada de jugo concentrado, entonces todo ese jugo concentrado saldrá por la corriente SJ y se multiplica por la concentración 58%(SJC) que es la concentración final que nos da el problema. La ecuación quedaría así:
∗ = ∗ + ∗ Ya tenemos las dos ecuaciones
.
1. = +
2. ∗ = ∗ + ∗
Ahora se debe despejar una de las dos incógnitas en la ecuación # 2 y luego reemplazamos en la ecuación # 1.
∗ = ∗ + ∗ 1000 ∗ 0,07 = ∗ 0 + ∗ 0,58 70 = ∗ 0 + ∗ 0,58
70 = ∗ 0,58 70 = 0,58 70 = = 120,689 0.58
Ahora ya se puede reemplazar en la ecuación # 1.
=+ 1000 = + 120,689 1000 − 120,689 = 879,311 =
La cantidad de jugo concentrado es SJ=120,689 kg/h
La cantidad de agua evaporada es W=879,311 kg/h
Bibliografía
Lasallista, C. U. (2011). Balances de materia y energia . Obtenido de www.lasallista.edu.co: http://www.lasallista.edu.co/Prog_Academicos/ProgramasAcademicos.aspx?Mat=268&Pr g=3
Monsalvo, V. R., & Romero, S. M. D. R. (2014). Balance de materia y energía: procesos industriales. Recuperado de
http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2051/login.aspx?direct=true&db=edselb&AN=e dselb.11013664&lang=es&site=eds-live
Fonseca, V.(2009 ). Balance de Materiales y Energía. Bogotá, Colombia: UNAD. Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/9614
Méndez, D. F. (2014). Los procesos industriales y el medio ambiente: un nuevo paradigma. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2051/login.aspx?direct=true&db=edselb&AN=e dselb.10915216&lang=es&site=eds-live UNAD (2016).Diferencia entre operaciones y procesos unitarios [OVI]. Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/9827
Munoz, A. V., & Maroto, V. A. (2013). Operaciones unitarias y reactores químicos. Recuperado de
http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2051/login.aspx?direct=true&db=edsebk&AN= 870503&lang=es&site=eds-live