base de cálculo y diagramas

2014

J.S.Ramrez-Navas 1

Procesos Industriales

Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD

Universidad Santiago de Cali

Cali Colombia

Base de clculo

Juan Sebastin Ramrez-Navas, IQ, PhD

Universidad Santiago de Cali

Cali Colombia

CONTENIDO

Procesos industriales

Contenido

Base de clculo

Fraccin msica y fraccin molar

Estequiometria y Ecuacin Qumica

Operaciones Unitarias


Diagramas

Resolucin de problemas

Bibliografa

jsr jsrn

BASE DE CLCULO


jsr jsrn

Base de clculo

Este concepto es crucial tanto para entender cmo debe resolverse un problema como para resolverlo de la manera ms expedita.

La base de clculo es la referencia que se elige para los clculos que se planea efectuar para resolver un problema

2014

J.S.Ramrez-Navas 2

jsr jsrn

Base de clculo

La base de clculo puede ser un tiempo -horas, por ejemplo- o cierta masa de material -como 5 kg de CO,- o alguna otra cantidad conveniente.

jsr jsrn

Base de clculo

Al seleccionar una base de clculo se debe hacer las siguientes preguntas:

De qu se va a partir?

Qu respuesta se requiere?

Cul es la base de clculo ms conveniente?

jsr jsrn

Ejemplos

Se ha efectuado la deshidrogenacin de los alcanos inferiores empleando xido crico como catalizador. Cul es la fraccin en masa y la fraccin molar de Ce y O en el catalizador?

Base de clculo: 1 kg mol de CeO

jsr jsrn

Ejemplos

La mayor parte de los procesos para producir gas o gasolina con alto contenido de energa a partir de carbn incluyen algn tipo de paso de gasificacin para obtener hidrgeno o gas de sntesis. Se prefiere la gasificacin a presin por su mayor rendimiento de metano y ms alta tasa de gasificacin. Considerando que una muestra de 50 kg de gas produce 10 % de H2, 40 % de CH4, 30 % de CO y 20% de CO2, cul es el peso molecular medio del gas?

. Base de clculo: 100 kg mol o Ib mol de gas

FRACCIN MSICA FRACCIN MOLAR


jsr jsrn

Fraccin molar y fraccin msica

Fraccin molar

Es la cantidad de moles de una sustancia especfica divididos entre el nmero total de moles presentes.

Esta definicin se cumple para los gases, lquidos y slidos.

Fraccin en masa (peso)

Es la masa (el peso) m de la sustancia dividida entre la masa (el peso) total de todas las sustancias presentes.

Aunque lo que se pretende expresar es la fraccin en masa, suele usarse el trmino fraccin en peso.

i

masa de ix

masa totali

moles de ix

moles totales

2014

J.S.Ramrez-Navas 3

jsr jsrn

Ejemplo

Un limpiador de caeras de grado industrial contiene 5,00 kg de agua y 5,00 kg de NaOH. Cul es la fraccin en masa (peso) y la fraccin molar de cada uno de los componentes dentro del recipiente del limpiador de

caeras?

jsr jsrn

Resolucin

Leer bien y establecer la base de clculo

Organizar la informacin en una tabla

Realizar los clculos pertinentes y completar la informacin faltante en la tabla

Presentar los resultados correctamente

jsr jsrn

Resolucin

Base de clculo: 10 kg de disolucin total

Componente kg Fraccin en peso

Peso molecular

kg mol Fraccin molar

H2O 5

NaOH 5

10

jsr jsrn

Resolucin

Base de clculo: 10 kg de disolucin total

Componente kg Fraccin en peso

Peso molecular

kg mol Fraccin molar

H2O 5 5/10 = 0,5

18 0,278 0,278/0,403

= 0,69

NaOH 5 5/10 = 0,5

40 0,125 0,125/0,403

= 0,31

10 1,0 0,403 1,0

ESTEQUIOMETRIA Y EC. QUMICA


jsr jsrn

La estequiometria

Se ocupa de la combinacin de elementos y compuestos.

Las relaciones que se obtienen de los coeficientes numricos de la ecuacin qumica son los cocientes estequiomtricos que nos permiten calcular los moles de una sustancia en relacin con los moles de otra sustancia que interviene en la ecuacin qumica

2014

J.S.Ramrez-Navas 4

jsr jsrn

La Ecuacin Qumica

Proporciona informacin cuantitativa y cualitativa indispensable para calcular las cantidades de sustancias que se combinan en un proceso qumico

jsr jsrn

La Ecuacin Qumica

Un caso general de Ec. Qca sera: a A + b B c C+ d D donde:

A, B, C, D, representan los smbolos qumicos o la frmula molecular de los tomos o molculas que reaccionan (lado izquierdo) y los que se producen (lado derecho).

a, b, c, d, representan los coeficientes estequiomtricos, que deben ser ajustados de manera que sean reflejo de la ley de conservacin de la masa.

La interpretacin fsica de los coeficientes estequiomtricos, si estos son nmeros enteros y positivos, puede ser en tomos o moles.

jsr jsrn

La Ecuacin Qumica

La Ec Qca indica cules son las relaciones estequiomtricas: 1 mol (no lbm ni kg) de heptano reacciona con 11 moles de oxgeno

para dar 7 moles de dixido de carbono y 8 moles de agua.

Estos moles pueden ser Ib mol, g mol, kg mol o cualquier otro tipo. Se forma un mol de CO2 a partir de cada 1/7 mol de C7H16.

Adems, se forma 1 mol de H2O con cada 7/8 mol de CO2.

As, la ecuacin indica en trminos de moles (no de masa) las proporciones entre los reactivos y los productos.

jsr jsrn

La Ecuacin Qumica

Si la base de clculo que se escoge es una masa (Ibm, kg) en lugar de moles, se recomienda usar el siguiente procedimiento para resolver problemas que impliquen el uso de ecuaciones qumicas: 1. Use el peso molecular para calcular el nmero de moles de

la sustancia que equivalen a la base de clculo; 2. Obtenga de este nmero de moles el nmero

correspondiente de moles del producto o reactivo deseado multiplicndolo por el cociente estequiomtrico correcto, segn la ecuacin qumica, y

3. Convierta el nmero de moles de producto o reactivo en una masa.

jsr jsrn

Ejemplo

Si 10 kg de C7H16 reaccionan por completo con la cantidad estequiomtrica de O2, cuntos kg de CO2 se obtendrn como producto?

jsr jsrn

Resolucin

Base de clculo: 10 kg de C7H16

R/. 30,8 kg CO2

7 16 2 27 16 2

7 16 7 16 2

1kgmol C H 7 kgmol CO 44 kg CO10kg C H * * * 30,8 kg CO

100,1kg C H 1kgmol C H 1kgmol CO

2014

J.S.Ramrez-Navas 5

OPERACIONES UNITARIAS



jsr jsrn

Muchos procesos de la industria qumica consisten en procesos fsicos, los cuales se pueden agrupar en una serie no muy grande de operaciones llamadas unitarias, entre las que se encuentran: el secado, la evaporacin, la filtracin y la humidificacin.

Todas ellas tienen como caracterstica el que los materiales no sufren cambios qumicos, aunque s fsicos, tales como cambio de estado, concentracin, presin y temperatura.


Flujo de fluidos

Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro.

jsr jsrn


Transferencia de calor.

Esta operacin unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulacin y transferencia de calor y de energa de un lugar a otro.

jsr jsrn

Conduccin Radiacin

Conveccin


Evaporacin.

ste es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporacin de un disolvente voltil (como el agua), de un soluto no voltil como la sal o cualquier otro tipo de material en solucin.

jsr jsrn


Secado

Separacin de lquidos voltiles casi siempre agua de los materiales slidos.

jsr jsrn

2014

J.S.Ramrez-Navas 6


Destilacin

Separacin de los componentes de una mezcla lquida por medio de la ebullicin basada en las diferencias de presin de vapor.

jsr jsrn


Absorcin.

En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un lquido.

jsr jsrn

Absorcin de amoniaco


Separacin de membrana.

Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediante la difusin de este soluto de un lquido o gas, a travs de la barrera de una membrana semipermeable, a otro fluido.

jsr jsrn


Extraccin lquido-lquido.

En este caso, el soluto de una solucin lquida se separa ponindolo en contacto con otro disolvente lquido que es relativamente inmiscible en la solucin.

jsr jsrn


Adsorcin.

En este proceso, un componente de una corriente lquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente slido.

jsr jsrn

2014

J.S.Ramrez-Navas 7


Lixiviacin lquido-slido.

Consiste en el tratamiento de un slido finamente molido con un lquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el slido.

jsr jsrn


Cristalizacin.

Se refiere a la extraccin de un soluto, como la sal, de una solucin por precipitacin de dicho soluto.

jsr jsrn


Separaciones fsico-mecnicas. Implica la separacin de

slidos, lquidos o gases por medios mecnicos, tales como filtracin, sedimentacin o reduccin de tamao, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.

jsr jsrn

PROCESOS UNITARIAS


Fenmenos de Transporte

jsr jsrn

Transferencia de momento lineal. Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en

operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentacin y mezclado.

Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera como tal a la transferencia de

calor que pasa de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporacin, destilacin y otras.

Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente; el

mecanismo bsico es el mismo, ya sea que las fases sean gaseosas, slidas o lquidas. Este proceso incluye destilacin, absorcin, extraccin lquido-lquido, separacin por membranas, adsorcin y lixiviacin.

2014

J.S.Ramrez-Navas 8

Procesos Unitarios

Aquellos procesos que requieren de una o ms operaciones con reacciones qumicas se llaman procesos unitarios, por ejemplo, nitracin, combustin, polimerizacin, etc.

jsr jsrn

DIAGRAMAS


Diagramas

jsr jsrn

En estos procesos se manejan sustancias de una alta reactividad qumica, elevada toxicidad y que son corrosivas en condiciones de alta presin y temperatura.

Estos procesos para visualizarse mejor se representan mediante diagramas.

La informacin visual es la forma ms clara de presentar todos los datos y la que tiene menos probabilidades de ser mal interpretada.

2014

J.S.Ramrez-Navas 9

Diagramas de Bloques

jsr jsrn

Para resolver balances de materia y energa, el primer paso en la mayora de las ocasiones consiste en convertir el texto del problema en un diagrama de bloques sencillo.

En ellos se presenta el proceso o las diferentes partes de un proceso por medio de cajas o rectngulos que tienen entradas y salidas.

Sobre el rectngulo se suele poner la indicacin de lo que representa el rectngulo, mientras que sobre las lneas que representan corrientes de entrada o salida se indica la naturaleza de estas corrientes (sustancia, flujo, temperatura, presin, concentracin, etc.)


jsr jsrn

Este diagrama est formado por una serie de bloques conectados por corrientes (flujos) de entrada y salida.

No proporciona detalles sobre cmo funcionan los elementos individuales que forman parte de cada bloque, sino que se centra en las corrientes principales que definen el proceso.


jsr jsrn

El formato general y los criterios a seguir para preparar este tipo de diagramas son:

Las operaciones bsicas se muestran en forma de bloques. No es necesario recurrir a la forma fsica real del equipo(s) involucrados.

Las lneas de flujo o corrientes principales deben aparecer con flechas para indicar el sentido del flujo.

El sentido del flujo debe ir de izquierda a derecha siempre que sea posible.


jsr jsrn

Las corrientes ligeras (gases) deben salir por la parte superior de los bloques, mientras que las corrientes pesadas (lquidos y slidos) deben salir por la parte inferior de los bloques.

Debe incluirse slo la nica informacin que sea crtica para definir el proceso (rendimientos, conversiones,).

Si las lneas de flujo se cruzan, se mantendr la lnea horizontal continua y la vertical aparecer dividida.

Se indicarn balances de materia simplificados siempre que se pueda.

Ejemplo

jsr jsrn

Diagramas de Flujo de Proceso

jsr jsrn

Tambin llamados diagramas con equipos.

En stos se muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por medio de lneas de unin.

Para representar los equipos se usan smbolos que recuerdan el equipo o los equipos usados.

2014

J.S.Ramrez-Navas 10


jsr jsrn

Estos dibujos se usan por las siguientes razones fundamentales:

Ayudar en el diseo y en el acomodamiento de la planta.

Dar una idea clara del proceso o de una planta.

Ayudar en el dimensionamiento del equipo.

Servir como medio de enseanza e instruccin del personal relacionado con el proceso o con el equipo.

Ayudar a la resolucin de los balances de materia y energa.


jsr jsrn

Las propiedades fsicas, las cantidades, temperatura y las presiones de los materiales son parte importante de estos diagramas.

Estos valores se indican en tres formas:

poniendo sobre cada lnea los datos,

identificando cada lnea con un nmero que se refiere a una lista sobre el diagrama o

mostrando todo en una hoja de tabulacin

P&ID

jsr jsrn

Diagramas de Proceso e Instrumentacin (P&ID) - Normas ISA S5.1 - S5.3

Es un diagrama que muestra la interconexin de equipos de proceso e instrumentos utilizados para controlar el proceso.

En la industria de procesos, un conjunto estndar de smbolos se utiliza para preparar los dibujos de los procesos.

P&ID

jsr jsrn

Simbologa

Tubera principal

Codo Brida

Trampa de vapor Te Ye

Compuerta

Globo Retencin Control

Mariposa

Bola

jsr jsrn

Simbologa

jsr jsrn

2014

J.S.Ramrez-Navas 11

RESOLUCIN DE PROBLEMAS



jsr jsrn

En primer trmino se tendr un enunciado, que resume los requerimientos de algn problema real (en general, llegar al planteamiento de un enunciado en el que se indica claramente cul es el problema que debe resolverse, es una tarea nada fcil cuando se trabaja en una planta)


jsr jsrn

Despus del enunciado, la primera fase de la resolucin ser traducir el enunciado al lenguaje usado en ingeniera qumica, es decir, construir el diagrama de flujo, colocar los datos conocidos en las diferentes lneas de flujo y tratar de presentar en forma matemtica la pregunta o preguntas que se espera sean contestadas por medio de la resolucin


jsr jsrn

Inmediatamente se proceder a la resolucin usando los conocimientos matemticos, fsicos o qumicos a nuestro alcance y planteando ecuaciones matemticas que nos lleven a una solucin.

En esta fase se evitar el uso de nmeros y se trabajar nicamente con ecuaciones algebraicas y diferenciales.


jsr jsrn

Cuando ha sido posible plantear el resultado de esta manera, es fcil sustituir las variables algebraicas por los datos numricos y as obtener el resultado, el cual por ltimo deber traducirse al mundo real, o sea, presentarse en forma escrita indicando los resultados y requerimientos con palabras y nmeros


Secuencia en la resolucin de problemas:

Enunciado del problema

Resolucin

1. Traduccin

2. Planteamiento

3. Sustitucin y clculos

4. Resultados

jsr jsrn

2014

J.S.Ramrez-Navas 12

Ejemplo

jsr jsrn

Haga una descripcin del siguiente proceso:

Resolucin

jsr jsrn

Descripcin: En el diagrama anterior se muestra una operacin de evaporacin

de una solucin de NaOH con objeto de concentrar el soluto.

La evaporacin se lleva a cabo en tres evaporadores conectados en serie.

Al primer evaporador se introducen 125000 kg/ h de solucin, con una densidad de 1,1 y una concentracin de NaOH del 8% en peso.

La concentracin final de la solucin ser del 17% con una densidad de 1,3.

Para efectuar esto se debe evaporar agua que sale de los equipos con las corrientes E, F y G.

Ejemplo

jsr jsrn

Para producir alcohol absoluto a partir de una mezcla de alcohol y agua se debe usar la destilacin azeotrpica con benceno usando tres columnas. En el proceso, la primera columna sirve para eliminar el agua presente en la alimentacin y alcanzar la composicin azeotrpica de 89% en mol de alcohol o 95,38% en peso. En la segunda columna se lleva a cabo la destilacin azeotrpica del etanol en presencia de benceno y en la tercera se recupera el benceno de la mezcla azeotrpica. El grado de recuperacin y la pureza del etanol producido dependern del valor especificado para las variables seleccionadas para el control.

Las variables que se seleccionan para controlar la operacin del proceso a rgimen permanente son: los gastos de alimentacin de la mezcla etanol-agua y de benceno; el gasto de alimentacin a la columna de destilacin azeotrpica; la presin en las tres columnas; la temperatura en cada columna y la de los recipientes de reflujo.

Tambin es necesario controlar los niveles de lquido en los fondos de las columnas y en los tanques de reflujo, pero los valores seleccionados no afectan el sistema en las condiciones previstas.

jsr jsrn

A. Etanol con agua B. Purga de incondensables C. Etanol 100% D. Agua

Resolucin

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA


Bibliografa

Libros FELDER, R.M. Y ROUSSEAU, R.W. Elementary Principles of

Chemical Processes. 3 ed.: John Wiley & Sons, 2004. 702 p.

HENLEY, E.J.A., ROSEN, E.M. Y VZQUEZ, F.M. Clculo de balances de materia y energa: (mtodos manuales y empleo de mquinas calculadoras). Revert, 1973. 596 p.

HICKS, T.G., HICKS, S.D. Y LETO, J. Manual de clculos de ingeniera qumica. 3 ed.: McGraw-Hill, 1998. 1632 p.

HIMMELBLAU, D.M.A. Y GARCA, R.L.E. Principios bsicos y clculos en ingeniera qumica. 6 ed.: Prentice Hall : Pearson Educacin, 1997. 728 p.

jsr jsrn

2014

J.S.Ramrez-Navas 13

Bibliografa

Libros MCCABE, W.L. Y SMITH, J.C. Operaciones bsicas de

ingeniera qumica. Revert, 1981. 498 p. OCN GARCA, J. Y TOJO BARREIRO, G. Problemas de

ingeniera qumica: operaciones bsicas. Aguilar, 1986. PERRY, R. Manual del Ingeniero Qumico. 7 ed. USA: McGraw-

Hill, 1997. REKLAITIS, G.V. Y SCHNEIDER, D.R. Balances de materia y

energa. Interamericana, 1986. 649 p. WATSON, H., HOUGEN, O.A., WATSON, K.M. Y RAGATZ, R.A.

Principios de Los Procesos Qumicos. Reverte, Editorial S.A., 1982. 560 p.

jsr jsrn

base de cálculo y diagramas

Documents