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Balance de materia y energía
EIP1124
Alejandra Sánchez B.
2012
Secuencia de actividades que se
lleva a cabo para obtener un
resultado determinado a través de
la transformación de materias
primas, insumos y del uso de los
recursos disponibles
PROCESO
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Balances de Materia y Energía en los
Procesos MACROPROCESO
PROCESO
MICROPROCESO
Ingeniería de procesos: Conversión de
materias primas en productos.
Ingeniería de Procesos
Pinturas
Plásticos Celulosa
Química
Fina
Petroquímica
Biotecnología Minería Industria
pesquera
Alimentos
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PROCESO QUIMICO
Sistema formado por
equipos, interconectados
en forma organizada, que
permiten cambios físicos
y químicos dando lugar a
un producto de interés.
PROCESOS QUIMICOS
•Industrias extractivas
El sector de las industrias extractivas (gas, petróleo,
gas y minería) representa una parte importante de las
exportaciones y una fuente de ingresos para el país.
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PROCESOS QUIMICOS
•Industrias química y petroquímica.
PROCESOS QUIMICOS
•Industria textil
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PROCESOS QUIMICOS
•Industria alimenticia
PROCESOS QUIMICOS
•Industria manufacturera con armado en línea
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PROCESO QUIMICO
PROCESO INSUMOS
Conocimiento
Ingeniería
Trabajo
Energía
Capital
MATERIAS PRIMAS PRODUCTOS PROCESO
SISTEMA GLOBAL DE UN PROCESO QUÍMICO
PLANTA
DE PROCESOS
QUIMICOS
RED DE
INTERCAMBIADORES
DE CALOR
PLANTAS DE SERVICIOS
Calderas, Turbinas
Aire comprimido
Oxigeno, vacío
Materias
Primas
Insumos
Productos
Electricidad Suministros
y Servicios
Agua
Combustibles
Aire
Corrientes
frías
Corrientes
calientes
Servicio de
calentamiento
Servicio de
enfriamiento
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TIPOS DE PROCESOS:
- CONTINUO / DISCONTINUO (Batch)
- ESTACIONARIO / DINÁMICO
PROCESOS CONTINUO
PROCESOS DISCONTINUO
HEAT SEPARATOR REACTOR
Fedd
Catalyst Product
Heat
HEAT
REACTOR
SEPARATOR
(1) Fedd
(2) Catalyst
Heat
Sti
ll
Product
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PRODUCCION DISCONTINUA O PROCESO BATCH
ETAPAS DE UN PROCESO QUÍMICO
MATERIAS
PRIMAS
REACCIONES
QUIMICAS PRODUCTOS
Operaciones
físicas de
acondicionamiento
Operaciones
físicas de
separación
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ESTRUCTURA GENERAL DE
UN PROCESO PRODUCTIVO
PREPARACION
PURIFICACION
SEPARACION
PURIFICACION REACCION
M P Insumos Insumos
PRODUCTO
Subproductos
Subproductos
TRATAMIENTO
EFLUENTES EFLUENTE
LIMPIO
PRODUCTOS
SECUNDARIOS
ESTRUCTURA DE ENTRADA Y DE SALIDA DEL
DIAGRAMA DE FLUJOS
Alimentación
Producto PROCESO
PRODUCTIVO
Reciclo Purga
Subproductos
Insumos
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DIAGRAMA GENERAL ENTRADA- SALIDA
PROCESO HIDROMETALÚRGICO DEL
COBRE
ripios
PROCESO
mineral
ácido sulfúrico
agua
Industrial
soluciones
subproductos
descartes
cátodos de
Cu
insumos energía
Esquemas de Procesos Industriales: Flow-Sheets
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Tipos de Representaciones:
• Diagrama de bloques ( BFD )
• Diagrama de Flujo de Procesos ( PFD )
• Diagrama de Cañerías e Instrumentación ( P&ID )
• Diagrama Isométricos ( cañerías y equipos )
• Cursograma analítico (Ing Civil Industrial)
Secuencia diseño de un proceso
Diagrama de Bloques
(BFD)
Diagrama de flujos
de procesos (PFD)
Diagrama de cañerías
e instrumentación
(P&ID)
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Diagrama de bloques
Es un esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas
Diagrama de flujos (flowsheet)
Es una representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales: i) la secuencia en que ocurren las operaciones unitarias. ii) los equipos utilizados para realizar cada operación. iii) los distintos flujos de materia y energía
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Diagrama de bloques
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Convenciones para los Diagramas de Bloques
• Cada operación se representa por un bloque
• Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo
• Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama
• Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos o sólidos hacia la parte inferior separados por densidad.
• Se incluye la información crítica para entender e proceso
• Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan
• Se incluye un balance de masas y energía simplificado en forma de una tabla.
BFD: Block Flow Diagram
Hydrogen
( 820 Kg / H )
Toluene
( 10000 Kg / H ) Benzene
( 8610 Kg / H )
Still
Mixes gas
( 8610 Kg / H )
Toluene
Gas
Separator Reactor
Mixes Liquids
Conversion
75% Toluene
Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4
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Convenciones para los Diagramas de
Flujos de Procesos
• Se representan TODOS los equipos junto con su descripción. Cada
equipo tiene un número y un nombre
• Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir una
descripción de las condiciones (temperatura, presión),flujos y
composición química ya sea en el diagrama o en un a TABLA
adjunta.
• Se deben representar TODAS las corrientes de servicios( vapor, aire,
calefacción, etc.) que se alimentan a cada producto de alimentación.
• Se deben representar los loops de control básicos que aseguran la
estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación
normal.
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Las corrientes de un proceso
• Son los flujos de materia que ingresan (alimentación) o
salen (producto) de una operación unitaria (o equipo)
• Suelen estar formadas por varias sustancias o
compuestos químicos
• Pueden estar formadas por más de una fase (por
ejemplo sólido en suspensión en un líquido)
• Una corriente se caracteriza por su composición, su
presión y su temperatura
Composición de una corriente
• Se puede describir de distintas maneras:
• Fracción másica o fracción molar:
– Fracción másica de A = Masa de A/Masa total
– Fracción molar de A = Moles de A/Moles totales
– Las fracciones siempre suman 1
– Fracción másica Fracción molar
– ppm (parte por millon) = fracción x 106
• Razón de composición:
– Razón másica = Masa de A/Masa de B
– Razón molar = Moles de A/Moles de B
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Proceso y operación unitaria
• Proceso: conjunto o secuencia de operaciones
unitarias que modifican una materia prima para
transformarla en un producto comercial o insumo.
• Operación unitaria: etapa de un proceso, donde
se realiza una modificación específica de una
corriente.
Las operaciones unitarias más comunes se producen en
Reactores, intercambiadores de Calor, bombas,
mezcladores y separadores, y en cada proceso / operación
unitaria se cambian las condiciones de una determinada
cantidad de materia de una o más de las siguientes
formas:
· Modificando su masa o composición
· Modificando el nivel o calidad de la energía que posee
· Modificando sus condiciones de movimiento
Tipos de Operaciones Unitarias
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Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un
gradiente en alguna propiedad, que da cuenta del
mecanismo principal de transferencia:
Tipos de operaciones unitarias
1.- Reacción química
2.- Separación o purificación
3.- Cambio de temperatura
4.- Cambio de presión
5.- Cambio de fase
6.- Operaciones mecánicas
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– Filtración
– Evaporación
– Tamizado
– Molienda
– Sedimentación
Operaciones de separaciones mecánicas
Operaciones transferencia de masa
– Absorción en columnas
– Reactores químicos: Continuamente agitados, Tubulares ,por
lotes, serie de tanques agitados y catalíticos
– Destilación en columnas
– Extracción sólido-líquido
– Extracción líquido-líquido
– Enfriamiento en torres
– Secado de bandejas
– Generación de vapor
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Reactores químicos
Reactor continuamente agitado Reactor tubular
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Es una separación de una suspensión por la acción de la gravedad con la
obtención de un fluido transparente y una suspensión con mayor proporción de
sólidos.
Partículas: Pueden ser sólidas o gotas de líquidos.
Fluido: Puede ser un líquido o un gas y puede estar en reposo o en movimiento.
Aplicaciones:
• Eliminación de sólidos de aguas residuales.
• Sedimentación de cristales de un licor madre.
• Sedimentación de partículas alimenticias.
Sedimentación
Sedimentación
LODOS
ALIMENTACION
LIQUIDO
CLARIFICADO
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Molienda
Tamizado
Filtrado
Filtración es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido
haciendo pasar el fluido a través de un medio filtrante sobre el que
se depositan los sólidos.
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Filtrado
• Conceptos relevantes:
– Microfiltración continua
– Análisis del flujo y transmisión de un
marcador proteico
– Obstrucción del filtro. Resistencia de
membrana limpia y sucia
– Caída de presión en la membrana
– Balance de masa
– Presión en membrana vs flujo y transmisión
de proteínas
– Efectos de la velocidad axial Filtros prensa de
placas
para lodos
La destilación es un proceso en el
que una corriente líquida se calienta
hasta que se desarrolla una segunda
fase de vapor. Ambas fases se ponen
en contacto de forma que el vapor
ascendente se enriquece en el
compuesto más volátil mientras que
el líquido se empobrece.
Destilación
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Columna de destilación
• Operación continua
o por lotes
• Con o sin reflujo
(equipo Armfield UOP3)
Benceno + acetona
Agua
Benceno (+ acetona)
Agua + acetona
Extracción
Reposo
Mezcla
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Proceso químico fundamental, en el que se
extrae uno o más componentes de una
mezcla de líquidos
(equipo Armfield UOP5)
Extracción Líquido - Líquido
– Hidrodinámica de sistemas
líquido/líquido
– Proceso continuo y semi-continuo
– Eficiencia de extracción
– Fase continua acuosa u orgánica
– Evaluación de mezclas
– Balance de masa
Extracción Líquido - Líquido
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Ejemplos:
- Extracción de aceite de
semillas oleaginosas
- Extracción de azúcar de
remolacha
Esta operación es similar a la
anterior. Pero esta vez el
disolvente líquido se utiliza para
extraer los solutos de una matriz
sólida.
Extracción Sólido – Líquido (Lixiviación)
– Operación continua multietapa
– Operación por lotes en circuito cerrado por percolación
– Operación en lazo abierto por percolación
– Proceso en una, dos y tres etapas
– Efectos de la temperatura del solvente
– Efectos del caudal del solvente
– Efectos del tiempo de procesamiento
– Optimización económica del proceso
– Balance de masa
Extracción Sólido – Líquido
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Torre de enfriamiento
• El empaquetamiento de la columna divide el agua en pequeñas gotas o delgados films, aumentando la superficie de contacto con el aire
• El enfriamiento se debe fundamentalmente a la evaporación
• El caudal de evaporación es normalmente un 5% del caudal del sistema
(equipo Armfield UOP6)
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• En esta operación un vapor soluble mezclado con un gas inerte se
contacta con un líquido en el que el vapor es más soluble. De esta
manera se separa el compuesto de interés.
• A veces un soluto se recupera de un líquido poniendo éste en contacto
con un gas inerte. Este operación, que es inversa a la absorción se
llama desorción de gases o stripping.
Absorción de gases
Absorción de gases en columnas rellenas
– Principios que gobiernan la absorción de gases en columnas rellenas
– Análisis cuantitativo de gases y líquidos
– Balance y coeficiente de transferencia de masa
– Características hidrodinámicas de una columna rellena
– Punto de carga e inundación
(equipo Armfield UOP7)
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• Ejemplo:
Descontaminación de
aire como el lavado de
amoníaco de una mezcla
amoníaco-aire
El secado consiste en separar agua u otro líquido (remoción de solventes orgánicos de sólidos) de un material frecuentemente sólido aunque a veces también líquido El material se seca generalmente de 2 formas distintas: - por conducción a través de una superficie metálica calentada
o - exponiéndolo directamente a un gas caliente (generalmente
aire).
Secado
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Secado
Para: Lodos de Plantas de Tratamiento
(Capacidad de 200 kg/hr de lodos
húmedos con polímero y humedad inicial
de 80% ).
El secado se produce por la circulación de aire caliente
sobre bandejas que contienen material húmedo
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Evaporación
– Balance de masa y energía
– Comparación económica de los
distintos tipos de evaporador
– Alimentación directa, inversa y en
paralelo
– Evaporación vs temperatura y
presión
– Efecto de la velocidad de
circulación sobre el coeficiente de
transferencia de calor
– Estrategias de control de procesos
Evaporación
Vapor de disolvente
Disolución concentrada
CALOR
Vapor
de agua
Condensado
Disolución
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Evaporación
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Herramientas matemáticas
• Resolución de ecuaciones por procedimientos de tanteo
• Resolución de ecuaciones simultáneas
• Integración gráfica
• Diferenciación gráfica
Estequiometría y relaciones de composición
- Conservación de masa
- Relaciones de masa y volúmenes en las reacciones químicas
- Relaciones entre masa y volumen para sustancias gaseosas
- Empleo de unidades molares en los cálculos
- Exceso de reactivos
- Grado de conversión
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FIN