UNIDAD II: BALANCE DE MATERIALES SIN REACCION

QUIMICA.

  OBJETIVOS

 

• Abordar las operaciones unitarias de Secado y Mezclado en cuanto a:

Equipos, Aplicaciones, Ecuación de Balance de Masa.

• Establecer relaciones de compañerismo, a fin de fomentar el respeto y la comunicación en el grupo.

• Mantener el orden y la limpieza en el aula.

Contenidos– Secado.– Mezclado.

Operación de secado

• Esta operación tiene como fin eliminar la humedad residual que contiene un solido, para hacerlo mas atractivo desde el punto de vista comercial, mejorar sus condiciones de almacenamiento y emplearlo en operaciones posteriores.

Clasificación

• Lotes: Es un proceso en semilotes, en donde una cierta cantidad de sustancia que va a secar se expone a una corriente de aire que fluye continuamente, en la cual se evapora la humedad.

• Continuas: tanto la sustancia que se va a secar, como el gas pasan continuamente a través del equipo.

En todas las operaciones ocurre un contacto continuo entre el gas y la sustancia que se seca.

EQUIPOS

Método de operación, o sea, por lotes o continuo:

El equipo por lote o semilote, se opera intermitente o cíclicamente en condiciones de estado no estacionario: el secador se carga de la sustancia, que permanece en el equipo hasta que se seca; entonces, el secador se descarga y se vuelve a cargar con un nuevo lote. Los secadores continuos generalmente se operan en estado estacionario.

• Método de obtención del calor necesario para la evaporación de la humedad:

En los secadores directos, el calor se obtiene completamente por contacto directo de la sustancia con el gas caliente en el cual tiene lugar la evaporación.

En los secadores indirectos, el calor se obtiene independientemente del gas que se utiliza para acarrear la humedad evaporada.

• Por ejemplo, el calor puede obtenerse por conducción a través de una pared metálica en contacto con la sustancia o, con menos frecuencia, por exposición de la sustancia a radiación infrarroja o calentamiento dieléctrico. En este ultimo caso, el calor se genera dentro del solido mediante un campo eléctrico de alta frecuencia.

• Naturaleza de la sustancia que se va a secar:La sustancia puede ser un solido rígido como

madera, un material flexible como tela o papel, un solido granular, como una masa de cristales, una pasta ligera o un lodo ligero, o una solución.

Si es un solido, puede ser frágil o fuerte. La forma física de la sustancia y los diferentes métodos de manejo tienen tal vez la mayor influencia sobre el secador que se va a utilizar.

Secado por lotes

• Es una operación relativamente cara; en consecuencia se limita a operaciones a pequeña escala, a plantas pilotos y a trabajos de investigación y para secar materiales valiosos cuyo costo total será poco alterado por el costo agregado de la operación.

• Secadores directos:Secadores de platos, llamados también

secadores de gabinete, de compartimiento o de anaqueles, se utilizan para secar sólidos que deben sujetarse sobre los platos.

Pueden incluir materiales pastosos, como la torta de filtro húmeda de los filtros de prensa, sólidos en terrones que deben esparcirse sobre platos y materiales similares. Un aparato típico, mostrado esquemática es el siguiente.

Secadores indirectos

• Los secadores de anaqueles al vacio son secadores de platos cuyos gabinetes hechos de hierro colado o de acero, se ajustan con puertas que cierran perfectamente, de forma que pueden operarse a presiones inferiores a la atmosférica.

No se pasa ni se re circula aire a través de estos.

• Los platos que contienen al solido por secar, descansan sobre anaqueles huecos a través de los cuales se pasa agua tibia o vapor, a fin de proporcionar el calor necesario para la evaporación de la humedad.

El calor se conduce hasta el solido a través del metal de los anaqueles y platos

• Los secadores de esta categoría son caros de construir y de operar, por lo se utilizan solo para materiales valiosos que deben secarse a bajas temperaturas o en ausencia de aire para evitar la descomposición, como ciertos productos farmacéuticos, o en donde la humedad por eliminar en un disolvente orgánico caro o venenoso que debe recuperarse mas o menos completamente.

• Secado por congelamiento (secado por sublimación)

Este se utiliza para aquellas sustancias que no pueden calentarse ni siquiera a temperaturas moderadas, como es el caso de alimentos y ciertos fármacos.

Las sustancias que se van a secar generalmente se congela mediante exposiciones a aire muy frio y se coloca en una cámara de vacio, donde la humedad se sublima y se bombea mediante eyectores al vapor o bombas mecánicas de vacio.

• Un método alternativo de congelamiento es la evaporación instantánea al vacio de parte de la humedad; no obstante los alimentos que no son rígidos en el estado no congelado pueden dañarse por este procedimiento.

Ventajas del secado continuo

• El equipo es pequeño en comparación con la cantidad de producto.

• La operación se integra fácilmente con la fabricación química continua.

• No hay necesidad de almacenamiento intermedio.• El producto tiene un contenido màs uniforme de

humedad.• El costo de secado por unidad de producto es

relativamente pequeño.• Pueden utilizarse el secado directo o indirecto y en

algunos casos los dos.

tipos• Secadores de tipo túnel.• secadores de tipo turbo.• Secadores de circulación transversal.• Secadores rotatorios.• Secadores de tambor.• Secadores por aspersión.• Secadores de lechos fluidizados.• Secadores neumáticos.

Balance de materia

El sòlido entra con un flujo Ss masa solido seco/ tiempo (área); se seca de X1 a X2 masa de humedad/ masa de solido seco y sufre un cambio de temperatura de ts1 a ts2.

El gas fluye con una rapidez Gs masa de gas(aire) seco/ tiempo (área) y sufre un cambio de humedad de y2 a y1 masa de humedad/ masa gas seco y un cambio de temperatura tG2 a tG1.

Balance de humedad es

Ss X1 + Gs Y2 = Ss X2 + GsY1

Ss(X1 - X2) = Gs (Y1 - Y2)

• Una de las partes mas importantes del proceso es el secado del sorgo.

Se procesan 333 ton/día de dicho material con una cantidad de agua del 45 % y sale con un contenido de agua del 5 %.

El aire que se empleo para secar el sorgo tiene una temperatura a la entrada de 60 oc y una humedad del 10%. La presión de trabajo es de 760 mmHg.

Si el proceso de secado es adiabático. Calcular:

a) El agua evaporada.

b) El aire seco necesario.

c) El volumen del aire

d) Las condiciones de salida del aire

-Represente el proceso en un diagrama de equipos.

Para determinar el agua evaporada y el aire seco necesario se hace un balance total de materia y uno parcial de agua:

En base seca:

Gs; Y1 Gs Y4

Ss X2 Ss X3

Balance parcial de agua:

Base seca:

Ss X2 + Gs Y1 = Ss X3 + GsY4

• Agua evaporada y aire seco: Ss1 X2 + Gs Y1 = Ss X3 + GsY4

Gs (Y4 –Y1 ) = Ss(X2 – X3)

• El volumen de aire:

Gs = Gs VH

El proceso puede seguir en una carta Psicrométrica.• humedades conocidas:

X2 = 0.45/ 1- 0.45 = 0.818 y X3 = 0.05/0.95 = 0.05226

De la carta Y1 = 0.012 kg agua/ kg de a.s

• Solido seco:Ss = 333 *(0.55) = 183.15 T/d• Agua evaporada:

183.15 (0.818 – 0.0526) = 140, 183 t/d• Aire utilizado:

Gs (Y4 –Y1 ) = Gs (Y4 – 0.012 )= Ss(X2 – X3) = 140, 183 t/d

Se tiene una ecuación con dos incógnitas, la cantidad de aire y la humedad de salida.

de la carta:

Y4 = 0.025, recuerde que es un proceso adiabático: y que entra a 60oC

Gs = 10783. 3 t/d

• Volumen de aire a las condiciones de entrada:

VH = (0.012/18 + 1/29)(0.082)(273 + 60) = 0.9597 m3/ kg

Las condiciones del aire a la salida serán de 28,5 oC y una humedad de 0.025 kg/ kg o sea saturado.

Resuelva:

1. La harina de yuca se usa en lugar de harina de trigo en muchos países. La harina se obtiene secando la raíz de la casava con 66% de humedad hasta que contenga solo 5% y luego se muele para obtener la harina.

¿ Cuantos kilogramo se deben secar para producir 5000 kg /h de harina?

2.

Mezclado

Se utiliza para preparar una combinación uniforme de dos o más sustancias, que pueden ser solidas, liquidas o gases o combinaciones de estas.

Por medio de esta operación se pueden preparar pastas, bebidas, embutidos y se aprovecha para aumentar la superficie de contacto entre las fases en otras operaciones cono absorción, extracción y secado.

EQUIPOS

• Se emplean equipos que van desde las simples uniones de tuberías para mezclar gases, a los tanques con agitación para los líquidos o a los mezcladores de bandas para pastas.

• MEZCLADORES DE POLVOS TIPO PNATALÓN Y CONOS OPUESTOS

- para las industrias farmacéutica de cosméticos y alimentaria  

mezcladores de polvo tipo pantalón y tipo conos opuestos ambos operan bajo el principio de caída de material a través de un recipiente que gira, en el cual se agregan los ingredientes a mezclar, ahorrando tiempo y ganando eficiencia ya que gracias a su diseño geométricamente adecuado provoca la acción de mezclado.  

• Para mezclar polvos secos

MEZCLADORES DE HELICE:Preparados para el mezclado de áridos con

diferentes granulometrías, y con bajo nivel de humedad y volúmenes grandes.

• MEZCLADORES DE TURBO:Preparados para el mezclado de áridos con

diferentes granulometrías, y con bajo nivel de humedad y volúmenes pequeños.

• MEZCLADORES SINFIN Preparados para el mezclado de áridos con diferentes granulometrías, y con bajo nivel de humedad y volúmenes grandes. Indicado para sistemas con gran almacenamiento (silos móviles o fijos).

• MEZCLADORES ENFRIADORES: Preparados para el mezclado de áridos con diferentes granulometrías, y con bajo nivel de humedad y volúmenes grandes, donde se necesita enfriar la mezcla por las temperaturas que produce el rozamiento y poder estabilizar el producto.

• MEZCLADORES PALETAS Preparados para realizar mezclas homogéneas

de productos con humedad.

• MEZCLADORES FLUIDOS Preparados para realizar mezclas homogéneas de líquidos con diferentes densidades. Con agitadores de diferentes formas dependiendo del producto. Pueden ser equipos móviles, con calentamiento y trasiego.

Balance en mezclado

Entrada = salidas + acumulación

equipoEQUIPO

L1, x1

L2, x2

L3, x3

RESUELVA

• ¿Cuántos Kg de crema que contienen 12% de mantequilla deben ser agregados a 1800kg de leche que contienen 2% de mantequilla para obtener leche con 3% de mantequilla?.

• A una corriente se le añade una sustancia de manera que la concentración sea del 4,76 % en masa de esa sustancia. La corriente se une a otra y corriente abajo se toma una muestra de las corrientes combinadas, que dan una concentración del 0,62% en peso de la sustancia. Si el flujo de la primera corriente es de 2 litros/min, ¿Cuál será el caudal de la otra corriente?

Considera la densidad relativa = 1

Bibliografía• Himmelblau, D. M. (2002). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería

Química. México: Pearson.• Rousseau, F. (2007). Principios elementales de los procesos químicos.

México: Limusa Wiley.• sa. (sf). RAFEINGENIERI, S.A. Recuperado el 20 de MARZO de 2009, de

RAFEINGENIERI, S.A: http://www.raferingenieri.com/productos/mezclador.htm

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• valiente, A. (2006). Problemas de balance de materia y energía en la industria alimentaria. México: Limusa.

• Viera, L. C. (1987). Introducción a la Ingeniería Química. La Habana: Pueblo y Educación.