Operaciones unitarias

Balances de

Materia sin

reacción química

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Profa. Isaura García Maldonado.

Operaciones Unitarias

• Evaporación

13/04/2023 11:24 p. m. 2


• Secado

•Destilación

• Absorción

• Filtración

EVAPORACIÓN

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Es una operación unitaria mediante la cual una sustancia pasa del estado líquido al estado vapor, por el suministro de energía calorífica.

• Cristalización.

En los procesos de ingeniería química la evaporación se utiliza generalmente para separar líquido de una solución.

Aplicaciones Típicas de Evaporación:

• Concentración de producto.

• Pre-concentración de la alimentación al secador.

• Reducción de volumen.

• Recuperación de agua o solvente

ESQUEMA DE UN PROCESO DE EVAPORACIÓN PARA

CONCENTRAR UNA SOLUCIÓN DILUÍDA.

13/04/2023 11:24 p. m. 4Profa. Isaura García Maldonado.

Solución

diluida

Solución concentr

ada

Solvente

evaporado

2

1 3

EVAPORADOR

PROBLEMA DE EVAPORACIÓN


A un evaporador se alimentan 100 000 kg/día de una solución que contiene 38 %w de azúcar, obteniéndose una solución concentrada con 74 %w. Calcúlese el peso de solución obtenida y la cantidad de agua evaporada.

2

1 3M1=100 000 kg/día

74 %w azúcar38 %w azúcar

H2O


SECADO

El secado se describe como el proceso mediante el cual se elimina líquido de un sólido. Generalmente la cantidad del líquido en el sólido es pequeña, por lo que se dice que el sólido está húmedo.

Esquema del proceso de secado

SECADORSólido Húme

do

Sólidoseco

Líquido removido

2

1 3


PROBLEMA DE SECADO

Por un túnel secador se pasa continuamente papel húmedo

que contiene 0.1 lb agua/lb de papel seco y sale con 0.02 lb de

agua/lb de papel seco. ¿cuántas lb de agua se evaporan por hora si

al secador se introducen 1000 lb de papel húmedo por hora?

SECADOR

Papel

2

1 3H2O

0.1 lb H2O/lb papel

H2O

Papel

H2O

0.02 lb H2O/lb papel

PROBLEMA DE SECADO

Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de

agua y después de secarla se determina que se ha eliminado el 55%

del agua original de la pulpa. Calcúlese la composición de la pulpa

seca y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa

húmeda.


SECADOR

pulpa

2

1 368%w H2O

H2O

Pulpa

H2O

M1=1000kg/min


DESTILACIÓN

La destilación consiste en separar de una mezcla líquida

uno o más componentes, basándose en la temperatura de

ebullición de cada componente presente en la mezcla.

Los componentes de menor

temperatura de ebullición se conocen

como componentes más volátiles y

se separan por el domo (parte

superior) de la torre de destilación. Al

producto obtenido en el domo se

llama DESTILADO.

Los componentes menos

volátiles (los de mayor temperatura

de ebullición) se separan por el

fondo de la torre. A los productos

obtenidos en el fondo se les conoce

como RESIDUOS.


TORRE DE DESTILACIÓN

2

1

3

Mezcla líquida

AB

C

Componente(s) má(s) volátil(es)

Componente(s) menos volátil(es)

AC

AB

DOMO

FONDOS

DESTILADO

RESIDUO


PROBLEMAS DE DESTILACIÓN

En una columna de destilación se separa una mezcla

equimolar de Etanol (E), Propanol (P) y Butanol (B) en una

corriente de destilado que contiene 66.2/3% de Etanol y nada

de Butanol y una corriente de fondos que no contiene Etanol.

Calcular las cantidades y composiciones de las corrientes de

destilado y fondos para una alimentación de 1000 mol/h


ESQUEMA DEL PROBLEMA

2

1

3

Mezcla líquida

Etanol, E

Propanol, P

Butanol, B

66.2/3 % Etanol

Propanol

Butanol

DOMO

FONDOS

DESTILADO

RESIDUO

N1 = 1000 mol/h

33.1/3 % Propanol


PROBLEMAS DE DESTILACIÓN

A una columna de destilación se alimenta una mezcla cuya composición es 2% mol de etileno, 3% mol de etano, 5% de propileno, 15% mol de propano, 25% mol de isobutano, 35% mol de n-butano y 15% mol de n-pentano.

En el destilado se recupera todo el etileno, etano y propileno, parte del propano y parte del isobutano, el cual representa el 5% del total de moles de destilado.

En el residuo sale todo el n-butano, todo el pentano y el resto de isobutano y propano. La concentración de propano en esta corriente residual es de 0.8% en mol. Calcular las composiciones de producto destilado y de residuo por 100 moles de alimentación.


ABSORCIÓN

La absorción es una operación unitaria que consiste en separar

de una mezcla gaseosa uno o más componentes con la ayuda de una

solvente líquido, con el cual el o los componentes separados forman una

solución.

el equipo en el que se lleva a cabo el proceso de

absorción se conoce como Torre de absorción y tanto la mezcla

gaseosa y el solvente líquido se alimentan a la misma a

contracorriente.


TORRE DE ABSORCIÓN

Mezcla gaseosa

A3B

C

2 Líquido

Solución

C

Componente(s) separado(s)

1

4Componentes de la mezcla gaseosa no

separados

A

B


PROBLEMA DE ABSORCIÓN

En una unidad llamada absorbedor se alimentan 200 lb/h de

una mezcla gaseosa que contiene 20%w de acetona y el resto de un gas

portador. La mezcla gaseosa se trata con una corriente de agua pura en

una relación másica de 1 a 5 , lo que produce un gas de descarga libre de

acetona y una solución de acetona en agua. Suponiendo que el gas

portador no se disuelve en agua, calcule todos los flujos totales

desconocidos y la composición en todas las corrientes.


DIAGRAMA DEL PROBLEMA

Mezcla gaseosa

20%w acetona3

80%w Gas portador

2 Agua pura

Solución

Agua

Acetona

1

4Componentes de la mezcla gaseosa no

separados

Gas portador

M1 = 200 lb/h


PROBLEMA DE ABSORCIÓN

El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas que contiene

15% en mol de CS2, 17.8% de O2 y 67.2% de N2. el gas se alimenta a una

torre de absorción continua donde se pone en contacto con benceno que

absorbe el CS2, pero no el O2 y el N2. el benceno líquido se alimenta a la

columna en una relación molar de 2:1 con respecto al gas de

alimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2% de

CS2 y 2% de benceno.

Calcule el porcentaje de CS2 absorbido y la fracción mol de CS2 en la

corriente de benceno a la salida.

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3

2

Solución

1

4


BALANCES DE MATERIA

SIN REACCIÓN QUÍMICA

EN DOS O MÁS

EQUIPOS


Balances de materia sin reacción química en dos o más equipos

Los procesos químicos industriales se efectúan en una serie

de equipos que están interconectados entre sí, tales como unidades de

mezclado, intercambiadores de calor, torres de destilación, de absorción,

evaporadores, secadores, etc. y cuando hay reacción química también

están presentes los reactores.

Para realizar el balance de materia en estos procesos se puede

considerar como sistema:

•Todo el proceso

•Un solo equipo del proceso global.

•Dos o más equipos del proceso global.

•Un punto de unión de dos o más corrientes.


Sistema: Proceso global


Mezclador1

2

3

4

5

6

7


Sistema: Un equipo del proceso global


Mezclador1

2

3

4

5

6

7


Sistema: Dos equipos del proceso global


Mezclador1

2

3

4

5

6

7


Problemas en dos o más equipos

Los evaporadores son dispositivos en los cuales se calienta una

solución hasta su temperatura de ebullición y se elimina una porción del

disolvente evaporado, dejando a la solución más concentrada. Un evaporador de

múltiple efecto consiste en una serie de evaporadores conectados entre sí

(llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más

concentrada en cada unidad. Para producir agua potable a partir de agua de mar,

se emplea un sistema de evaporación de triple efecto. El agua de mar contiene

3.5% en peso de sal (la sal puede considerarse como formada exclusivamente

por NaCl en este problema). Treinta mil libras por hora de agua de mar se

alimentan al primer efecto del evaporador.



La composición de la solución que abandona el tercer efecto

se mide con un medidor de conductividad eléctrica, calibrado a fin de

proveer una lectura de la fracción molar de NaCl de la solución,

obteniéndose una lectura de 0.01593. Se elimina por ebullición la misma

cantidad de agua en cada uno de los efectos. Calcular la cantidad de

agua eliminada en cada efecto y el porcentaje en peso de NaCl en la

solución que abandona el segundo efecto.

0.01593nNaCl


Diagrama del problema

M1 = 30000 lb/h

3.5%w NaCl

2 4

1

6

753

M2 = M4 = M6

Incógnitas:

M2 = M4 = M6 = ?

%xwNaCl,5 = ?



El flujo de alimentación a una unidad que consiste de dos columnas de

destilación contiene 30% de benceno (B), 55% de Tolueno (T) y 15% de Xileno (X).

Se analiza el destilado de la primera columna y se encuentra que contiene 94.4%

de B, 4.54% de T y 1.06% de X. Los fondos de la primera columna se alimentan a

la segunda columna. En esta segunda columna se planea que 92% del T original

cargado a la unidad se recupere en la corriente de destilado y que el T constituya

el 94.6% la corriente. Se planea, además, que 92.6% del X cargado a la unidad se

recupere en los fondos de esta columna y que el xileno constituya el 77.6% de

dicha corriente. Si se cumplen estas condiciones, calcule:

a) El análisis de todas las corrientes que salen de la unidad.

b) La recuperación porcentual de benceno en la corriente de destilado

de la primera columna.


Diagrama del problema

30% B

55% T

15% X

94.4 % B

4.54% T

1.06% X

fT,4 = 92% fT,1

94.6% T

fX,5 = 92.6 % fX,1

77.6% X

4

1

2

3 5


RECIRCULACIÓN

Una recirculación es una corriente de flujo que se toma de la descarga

de una UNIDAD y se regresa como alimentación a la misma o a otra UNIDAD

colocada anteriormente.

Una recirculación es un

proceso que consiste de tres

unidades:

1. Nodo de Mezclado.

2. Unidad interna.

3. Nodo de División.

Unidad 1 Unidad 2

Recirculación


PROCESO DE RECIRCULACIÓN

Unidad

Nodo de mezclado Nodo de división

Unidad internaAlimentación

fresca

Alimentación Combinada


NODO DE MEZCLADO

Un nodo de mezclado se considera como un equipo donde se

lleva a cabo el proceso de mezclado; por lo que el balance se realiza como

en un mezclador.

Balance global: F1 + F3 = F2

1 2

3

Balance del componente A: fA1 + fA3 = fA2

AB

C

AB

C

AB

C


NODO DE DIVISIÓN

Un DIVISOR es un dispositivo mediante el cual se divide el flujo

de entrada de una corriente en dos o más corrientes menores. Como la

división se hace únicamente con base al flujo, la COMPOSICIÓN en todas

las corrientes en las que se divide la corriente de alimentación es la misma,

por lo que en un nodo de división sólo se puede realizar el balance global.

1 2

3

AB

C

AB

C

AB

C

xwA,1 = xwA,2 = xwA,3

xwB,1 = xwB,2 = xwB,3

xwC,1 = xwC,2 = xwC,3

xnA,1 = xnA,2 = xnA,3

xnB,1 = xnB,2 = xnB,3

xnC,1 = xnC,2 = xnC,3

O bien:


CORRIENTE DE DERIVACIÓN

La derivación consiste en pasar el flujo de una corriente a una

unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso

se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad

interna.

Unidad

Nodo de división Nodo de mezclado

Unidad interna


CORRIENTE DE DERIVACIÓN

La derivación consiste en pasar el flujo de una corriente a una

unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso

se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad

interna.

Unidad

Nodo de división Nodo de mezclado

Unidad interna


PROBLEMAS

Se utiliza un sistema de purificación con recirculación para

recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de

DMF. Calcule la fracción de recirculación suponiendo que la unidad de

purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la

alimentación combinada a la unidad.

UnidadDe

purificación

DMF 55%

Aire

DMF

Aire 90%

PROBLEMAS

Un flujo de 0.126 kg/s de arena que contiene 20% en peso de

agua se va a secar hasta un contenido de 5% de agua. La presión parcial

del vapor de agua en el aire ambiente es de 10 mmHg y la presión parcial

del vapor de agua en el aire que sale del secador es de 200 mmHg. A fin de

lograr esto, se recircula y se mezcla una porción de aire de salida con el

aire de entrada, de manera que la presiónbparcial del vapor de agua en el

aire alimentado al secador es de 50.26 mmHg. Si la presión atmosférica es

de 760 mmHg, calcular:

a) La masa de aire fresco alimentado al secador.

b) La masa de aire recirculado.


SECADOR

Pagua = 50.26 mmHg


PROBLEMAS

PT = 760 mmHg

Pagua = 200 mmHg

0.126 kg/s de arena húmeda

20% agua80% Sólidos

Producto

5 % agua

95 % sólidos

Pagua = 10 mmHg

PROBLEMAS

Una mezcla líquida que está constituida por 40% mol de benceno

(B) y 60% mol de tolueno (T), se separa en una columna de destilación. El

vapor que sale por la parte superior de la columna (contiene 95% mol de

benceno), se condensa completamente y se divide en dos fracciones

iguales, una se toma como producto destilado y la otra se retorna a la parte

superior de la columna (reflujo). El destilado contiene 90% del benceno que

se alimentó a la columna. El líquido que sale por la parte superior de la

columna alimenta a un hervidor parcial donde se evapora el 45% del

líquido. El vapor generado en este hervidor regresa a la parte inferior de la

columna y el líquido residual constituye la cola de la destilación.


PROBLEMAS

Las composiciones de los flujos que salen del hervidor están

determinadas por la relación:


𝒙𝒏𝑩,𝟕 ቀ𝟏 −𝒙𝒏𝑩,𝟕ቁΤ𝒙𝒏𝑩,𝟖 ቀ𝟏 −𝒙𝒏𝑩,𝟖ቁΤ = 𝟐.𝟐𝟓

Donde y son las fracciones molares del benceno

en los flujos de vapor y líquido respectivamente. Para una base de 100

mol/h alimentadas a la columna, calcular el flujo molar de destilado

(corriente 6), residuo (corriente 8) y corriente 3, así como, sus respectivas

fracciones molares.


13/04/2023 11:24 p. m. 41Profa. Isaura García Maldonado.Profa. Isaura García Maldonado.

40% B

3

60% T

2

1

8

7

3

66

0.95 B0.05 T

Condensador

Hervidor

𝒙𝒏𝑩,𝟕 ቀ𝟏 −𝒙𝒏𝑩,𝟕ቁΤ𝒙𝒏𝑩,𝟖 ቀ𝟏 −𝒙𝒏𝑩,𝟖ቁΤ = 𝟐.𝟐𝟓


13/04/2023 11:24 p. m. 42Profa. Isaura García Maldonado.Profa. Isaura García Maldonado.

40% B

3

60% T

2

1

8

7

3

66

0.95 B0.05 T

Condensador

Hervidor

PROBLEMAS

Se requiere producir 19.802 kmol/h de cloruro de metilo (CH3Cl)

separándolo de una mezcla líquida que contiene metano (CH4), cloruro de

metilo (CH3Cl), ácido clorhídrico (HCl) y cloruro de metileno (CH2Cl2). Para

tal efecto se utiliza un sistema que consiste de 3 unidades de separación:

Una columna de destilación (C-D), una columna de adsorción (C-A) y una

columna de rectificación (C-R), como se muestra en el siguiente diagrama:


Si por cada kmol de CH2Cl2 se producen 8.4 kmol de CH3Cl,

calcule los flujos molares y las composiciones en porciento mol de todas

las corrientes de flujo, utilizando los datos adicionales mostrados en el

diagrama.

PROBLEMAS


4.3139%n CH3Cl

6

1

0.95 B0.05 T

CH2Cl2

CH4

5.228%n HCl

2

Un flujo de 4251 kg/h de solución de NaNO3 al 30% en peso se alimenta a un

evaporador, donde la solución es concentrada hasta la saturación a 100 °C.

Posteriormente la solución saturada se enfría hasta 20 °C y los cristales de NaNO3

formados se separan por filtración, quedando humedecidos con una solución que tiene

una masa equivalente al 10% de la masa de cristales. Suponiendo que la solubilidad del

nitrato a 100 °C es de 1.76 lb/lb de agua y a 20 °C es de 0.88 lb/lb de agua, calcular:

PROBLEMAS


a) La cantidad de agua que se requiere evaporar para que la solución alcance la

saturación a 100 °C.

b) La masa total de la solución fresca alimentada al sistema.

DIAGRAMA DEL PROCESO

13/04/2023 11:24 p. m.Profa. Isaura García Maldonado. 46

Evaporador Enfriador FiltroSolucióna 100 °C

Solucióna 20°C

30 %w NaNO3

Solución

Alimentación fresca

Cristales

Solución

H2O evapora

da

M2 = 4251 kg/h

12

3

45

6

7

msolución,6 = 0.10 mCristales,6

Solubilidad a 100 °C =1.76 lb nitrato/lb de agua.Solubilidad a 20 °C = 0.88 lb nitrato/lb de agua.

Cristales

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