Módulo: 2
Unidad: 3
Semana: 4
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Ing. Erwin Pastor Watanabe
CONTENIDO • Ecuaciones generales de balance de materia y energía
aplicadas a sistemas y procesos ambientales. • Balance de materia y energía en sistemas abióticos. • Operaciones básicas de ingeniería. • Operaciones mineras
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CONTENIDO • Ecuaciones generales de balance de materia y energía
aplicadas a sistemas y procesos ambientales. • Balance de materia y energía en sistemas abióticos. • Operaciones básicas de ingeniería. • Operaciones mineras
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Ecuación general de balance
mentra
msale
Sistema material sometido a transformaciones físicas y químicas que transcurren en régimen r égimen no estacionario Entrada Producción (0) Consumo (0)
Salida Acumulación
En ergí er gía que qu e entra
En ergí er gía que qu e sale
En ergí er gía acumulada
del exterior
al exterior
en el sistema
en régimen estacionario En ergí er gí a que entra
En ergí er gía que qu e sale
del exterior
al exterior
El Sistema ambiental, espacio ambiental, componentes del sistema ambiental. • SISTEMA • Cualquier parte del universo que se
desea estudiar. • La posición exacta de las fronteras del sistema se fija de acuerdo al problema que se desea estudiar. • Un sistema puede ser por ejemplo un grupo de átomos, de minerales o de rocas. • Los cambios que ocurren en el sistema pueden o no involucrar interacción con el entorno. 4
• Sistema aislado • Tienen energía y masa constante debido a
que sus fronteras son rígidas, por lo que no permiten el intercambio de energía mecánica; perfectamente aisladas, impidiendo el flujo de calor; impermeables al intercambio de materia. • Estos sistemas no ocurren en la naturaleza, sin embargo son importantes porque las reacciones que ocurren en sistemas aislados son aquellas que no pueden liberar o absorber calor o cualquier otra forma de energía. 5
• Sistema cerrado • Transferencia
de energía hacia dentro o hacia afuera del sistema; no hay intercambio de materia. • Tienen masa y composición constante, pero niveles de energía variables. • Como el intercambio de materia es un proceso lento, aquéllos procesos que ocurren en corto tiempo (p. ej. el enfriamiento de un dique) se pueden considerar como sistemas cerrados. 6
• Sistema abierto • Transferencia tanto de energía
como de materia hacia dentro o hacia afuera del sistema. • El sistema puede estar abierto a una especie o varias especies químicas. • La mayoría de los sistemas geológicos son abiertos, al menos en el contexto de la larga duración que pueden tener.
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• Sistema adiabático
Q=0
• Categoría
especial de los sistemas aislados en el cual no hay intercambio de calor con el entorno, pero se puede transferir energía a través de las fronteras del sistema en forma de trabajo (W).
• Una pluma del manto o un cuerpo de
magma que asciende y se descomprime, se enfría mientras que se expande hacia el entorno y realiza un trabajo expansivo (PDV ). Muy poco calor es conducido al entorno debido a que la tasa de conducción de calor es baja. 8
Balance de Energía • Una vez realizado un minucioso balance de materiales, las
cantidades de masas se utilizarán para calcular un balance de energía. • Los valores de presión y temperatura en varios puntos importantes del proceso, en particular en cada pieza principal del equipo, servirán como guías al efectuar el balance de calor. • Los resultados de estos balances, generalmente expresados en calorías o kilocalorías por unidad de tiempo se deben presentar en alguna de las dos formas de Diagrama y Planilla vistas en el balance de materiales. 9
Balance de Energía Contabilidad del flujo de energía en un sistema Determinación de los requerimientos energéticos de un proceso Junto con los balances de materia son una herramienta fundamental para el análisis de procesos.
Todas las corrientes de un proceso están relacionadas de forma que dados los valores de algunas variables de las corrientes de entrada y salida se pueden derivar y resolver ecuaciones para obtener los valores de otras sin necesidad de medirlas.
Balance de energía Cualquier proceso de transformación en la naturaleza conlleva un intercambio de energía. Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido. Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Cálculo de Perdidas y Aislamientos. Optimación de los Procesos de Obtención de Energía Eléctrica (Cogeneración). Cálculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay que comunicar a un fluido para mantenerlo en movimiento
Balance de energía Sistemas donde se pueden aplicar: - Una planta química completa: -P. Ej. Una refinería. Complejo síntesis de amoniaco
Sistemas donde se pueden aplicar: - Un proceso de una planta Síntesis del H2SO4 (Método de contacto)
– S(l) + O2(g) SO2(g) – SO2(g) +O2(g) SO 3(g) reacción catalizada por V2O5 T=400ºC, P=2atm Reacción reversible: η = 88% – SO 3(g) + H2O (l) H2SO4 (ac)
Balances de energía Sistemas donde se pueden aplicar: - Parte de una unidad: p.ej. Un cambiador de calor
Cambiador de calor de tubos concéntricos en una planta de esterilización
Expresión general del balance de energía para un sistema abierto, En régimen no estacionario S, S 1 y S 2 : superficies límites del sistema ; V : volumen del sistema ; P 1 y P 2 : presión en los extremos del sistema ; V 1 y V 2 : velocidad en los extremos del sistema ; z 1 y z 2 : posición en los extremos del sistema ; Q : calor intercambiado con el medio ; W : Trabajo externo
P2 z2
W
P1
aportado al sistema (ej. por una bomba).
z1
d ( Ec
Ep U ) dt
( Ec 1
Ep 1
U 1 )
( Ec 2
Ep 2
U 2 )
(( PV )e ( PV ) s )
(Qe Qs ) (We Ws )
Expresión general del balance de energía para un sistema abierto, En estado estacionario P2
m1= m2
z2
W
P1 z1
d ( Ec Ep U ) dt
( Ec 1
Ep 1
U 1 ) ( Ec 2
Ep 2
U 2 )
(( PV )e ( PV ) s )
Q W
Balance de energía en términos de la entalpía
Considerando que H = U+ PV h = H / m = u + P/ :
1
m g ( z2 z1 ) m (V 22 V 12 ) ( H 2 H 1 ) 2
g ( z2 z1 )
1 2
( V 22 V 12 )
Cambios de energía: “macroscópica”
( h2 h1 ) “ microscópica”
Q W
q w
PROCESOS Son aquellos que afectan a un sistema termodinámico al cambiar de un estado a otro (p. ej. una reacción química). La trayectoria seguida en el cambio entre estados no es materia de la termodinámica, sino de la cinética. Se reconocen dos tipos extremos e ideales de proceso termodinámico:
Proceso termodinámico irreversible Cambio de un estado metaestable a un estado más estable de menor energía. Ejemplo: Conversión de vidrio metaestable a cristales bajo condiciones atmosféricas (devitrificación). La devitrificación ocurre espontáneamente en la dirección de menor energía.
Proceso termodinámico reversible Cambio de un estado inicial estable a un estado final también estable, pasando por una secuencia continua de estados de equilibrio. En la naturaleza no existen procesos perfectamente reversibles, se emplean sólo como modelos termodinámicos.
ENERGÍA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL
Energía cinética (Ec): asociada al movimiento de los cuerpos respecto a un sistema de referencia.
Energía potencial (Ep): asociada a su posición con respecto a un sistema de referencia. Energía interna ( U ): Asociada a la composición química de la materia, a su estado energético (temperatura, volumen y presión) y a su estado de agregación (estado físico).
Energía cinética de un sistema material en movimiento, en función de su velocidad: Ec
m = masa del cuerpo v = velocidad del cuerpo
1 2
2
m v
Energía potencial de un sistema material en función de su posición en el campo gravitatorio: Ep m g h
m = masa del cuerpo g = aceleración de la gravedad h = posición del cuerpo
Energía interna de especies químicas ( U ): Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la composición química, temperatura y el estado de agregación de la materia. Energía debida al movimiento de las moléculas con respecto al centro de masas del sistema, al movimiento de rotación y vibración, a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos de las moléculas. H
U
PV
U
H
PV
dU dH
PdV Vdp
Relacionable con otras propiedades termodinámicas, ENTALPIA
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Sin transferencia de materia Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras): SISTEMA Energía interna
Intercambio de energía:
ALREDEDORES calor y trabajo
T y P : Parámetros de estado del sistema
Con transferencia de materia Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere.
Calor y trabajo Son formas de energía en tránsito, entre el sistema y sus alrededores.
Trabajo (W), (W), energía en tránsito debido a la acción de una fuerza mecánica. W = P(V2 – V1 V1)) cu and o la P=cte.
Calor(Q): tránsito resultado de la diferencia temperaturas entre el sistema y sus alrededores. Q = ΔU - W
de
En un sistema cerrado su balance neto es 0 , en un sistema abierto, su balance neto afecta a la energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo.
• Factores abióticos. • Son los factores del medio ambiente físico, se clasifican en
tres grupos: • Factores energéticos: son la fuente de energía que utilizan
los seres vivos para llevar a cabo funciones, puede iniciarse con la captación de luz solar para los organismos fotosintéticos o con la degradación de materia para algunas bacterias. • Factores climáticos : se refiere a los factores que regulan las condiciones climáticas en general. Entre estos factores tenemos la luz solar, la temperatura, el viento y la lluvia, que interactúa con la temperatura en la regulación de las condiciones climáticas. 24
• Factores del sustrato: tal y como se indica, son aquellos
relacionados directamente con el medio donde se desarrollan los organismos, el agua y el suelo y son: los nutrientes y el pH. • Los nutrientes son las sustancias inorgánicas utilizadas por las plantas y los organismos inferiores. Las sales minerales como los nitratos, fosfatos y carbonatos son ejemplos de esas sustancias. El pH proporciona la información sobre la acidez y alcalinidad de los suelos así como del agua. • La ley de tolerancia indica que tanto si son muy escasos como si son muy abundantes ciertos factores pueden ser perjudiciales o limitantes para los organismos. 25
• El intervalo de tolerancia de una especie respecto a un
factor del medio se denomina valencia ecológica y es la aptitud de un organismo para poblar medios diferentes. Flujo de materia y energía. • Aparte del clima y el suelo, hay otro vínculo entre lo viviente
y lo no viviente de un ecosistema. Se trata de la necesidad que los organismos tienen de obtener sustancias químicas como el oxígeno, el carbono, el hidrógeno, fósforo y el agua. Estas y otras 30 sustancias químicas son esenciales para la vida. Por ejemplo, encontramos nitrógeno en la clorofila y en las proteínas. Todos los organismos necesitan agua para llevar a cabo los procesos vitales básicos. 26
• La cantidad de cualquier elemento que hay en la tierra es
limitada. Sin embargo, los elementos se pueden encontrar en distintas formas y compuestos. Por ejemplo, hay nitrógeno en el aire, en el amoniaco, en los distintos compuestos llamados nitratos y en las proteínas que forman los tejidos de los seres vivientes. • A veces, el nitrógeno está en los seres vivientes; a veces, fuera de éstos. El nitrógeno pasa continuamente de los seres vivientes al ambiente. Este ir y venir del nitrógeno constituye un ciclo. Todas las sustancias químicas que son necesarias para la vida se mueven en ciclos biogeoquímicos. • Los ciclos biogeoquímicos se pueden desarrollar en la litosfera y en la atmósfera. 27
• El término biogeoquímico hace referencia a la intervención
de: • Componentes geológicos: la atmósfera formada por gases,
incluyendo al vapor de agua; la litósfera, que es la corteza terrestre; la hidrósfera que incluye océanos, lagos y ríos. • Componentes biológicos: son los seres vivos. • Procesos químicos: que transforman la materia y la energía. Representación esquemática de los ciclos biogeoquímicos más representativos, incluyendo el del agua. 28
• Balance de Materia: • Para resolver un problema de balance de materia se debe
tener en cuenta ciertos procedimientos , tal como se indica a continuación: • 1. Trazar un diagrama del proceso • 2. Escribir las ecuaciones químicas. • 3. Seleccionar una base para el calculo. • 4. Proceder al balance de materia.
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• 1. en un proceso de concentración de jugo de naranja, el
• • • • • • •
zumo recién extraído y tamizado que contiene 7.08% en peso de sólidos, se alimenta a un evaporador al vacio. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta 58% en peso. Para una entrada de 1000 Kg/Hr, calcúlense las cantidades de salida de las corrientes de jugo concentrado y agua. W kg/hr agua 1000 kg/hr jugo evaporador 7.08% solidos C kg/hr jugo concentrado 58% solidos 30 Diagrama de flujo del proceso
OPERACIONES MINERAS. • Es la ejecución y control de obras mineras, tal como: tiros, frentes, cruceros, rampas, pozos y contrapozos. Así como la ejecución de operaciones de producción tanto en sistemas de: Sub-Level Caving, corte y relleno, salones y pilares, tumbe sobre carga, post-Pillar, Open-pit, etc. Su operación rezagado, acarreo, manteo y todas las actividades normales para la obtención de mineral para abastecer la planta de beneficio. • Al hablar de Yacimientos Minerales, se debe considerar algunos conceptos que son de mucha importancia e inciden en los aspectos geológicos-geoquímicos, en los económicos, de seguridad y ambientales. Los más importantes son los siguientes: 31
• Mena: Es el mineral cuya explotación presenta interés.
En general, es un término que se refiere a minerales metálicos y que designa al mineral del que se extrae el elemento químico de interés (Cu de la calcopirita, Hg del cinabrio, Sn de la casiterita, Au, Ag, que se encuentra en asociación con pirita, arsenopirita entre muchos ejemplos posibles). En el caso de los minerales metálicos, se requiere un tratamiento de la mena, que en general comprende dos etapas: el tratamiento mineralúrgico y el metalúrgico.
• Ganga: Comprende a los minerales que acompañan a la
mena, pero que no presentan interés minero-económico en el momento de la explotación. Ejemplos frecuentes en minería metálica son el cuarzo y la calcita. 32
• Estéril : Corresponde a las rocas que no contienen
mineral o lo contienen en cantidades muy por debajo de la ley de corte. No suele corresponder con la ganga, son los minerales acompañantes de la mena. • Subproductos (o by-products): Suelen ser minerales de interés económico, pero que no son el objeto principal de la explotación, si bien aumentan el valor económico de la producción: por ejemplo, el Cd o el Hg contenido en yacimientos de sulfuros con altos contenidos en esfalerita, o el manganeso contenido en los pórfidos cupríferos. • Explotación minera: Es el proceso o conjunto de procesos por el cual o cuales extraemos un material del que podemos obtener un beneficio económico, en minas: subterráneas, a cielo abierto o en canteras. 33
• DAR : Drenaje ácido de roca; producción de un lixiviado
ácido en iones metálicos a partir de rocas y minerales • Cola o relave: Las colas o relaves son residuos sólidos que se generan en una planta de beneficio. Son pulpas que quedan luego de que el metal de valor ha sido extraído. Son los residuos (relaves) más visibles por su cantidad y los que pueden causar mayores problemas de contaminación al ingresar a los causes de agua.
34
Relaves de concentración gravimétrica
Relaves de procesos de cianuración 35
El Manejo de Relaves
La disposición de los relaves o colas es una parte integrante de las operaciones mineras, la extracción de los minerales genera grandes volúmenes de residuos (relaves) de grano de fino, que pueden tener propiedades físicas, químicas que no sean compatibles con el medio ambiente, pero que deben ser almacenadas en instalaciones de manera permanente. La secuencia de las fases de tiempo para el manejo de los relaves están claramente definidas : diseño y construcción, operación y cierre, etapas en las que siempre se requerirá un esfuerzo coordinado a fin de minimizar los impactos salud y seguridad, ambientales y sociales. 36
Diagrama de flujo de un embalse de relaves o colas Relaves de la planta de beneficio
Agua de mina, excedente
Precipitación pluvial, aguas superficiales
Infiltración es en el suelo
Embalse o laguna de las colas o relaves
Humedad residual de las colas Evaporación
Efluente, agua de recirculación
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Para alcanzar los objetivos señalados durante el tiempo de vida de un deposito de colas o relaves, se debe seguir la siguiente secuencia, que de manera simplificada se presenta: PLANIFICACIÓN: Diseño, procedimientos, de construcción, operación, mantenimiento, seguridad, monitoreo, planes de contingencia
IMPLEMENTACIÓN: Ejecución de las actividades planificadas, posibles cambios en el diseño, capacitación al personal
INTERPRETACIÓN: Análisis de los resultados de la etapa anterior con respecto a los cumplimiento de la normativa legal, preocupaciones de la comunidad (retroalimentación)
INSPECCIÓN : Realización de auditorías regulares, monitoreo, muestreo, actividades para establecer la conformidad con los requerimientos legales mineros, ambientales de seguridad, etc.
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En el país existe un numero desconocido de depósitos de relaves, cuyo diseño en su mayoría a sido empírica, es decir en las construcciones no se siguieron las mejores practicas de la ingeniería actual, el mayor riesgo es su estabilidad insuficiente y la posibilidad de infiltraciones. 39
• 1. Trituración. • 2. Molienda. • 3. Filtración. • 4. Clarificación. • 5. Columnas de Flotación. • 6. Sistemas de Bombeo. • 7. Presas de Jales. • 8. Neutralización y/o Regeneración de Cianuro en solución. • 9. Espesamiento. • 10. Precipitación de valores en solución. • 11. Automatización y Control de procesos. • 12. Ingeniería Industrial en operaciones Mineras 40
41
• Los procesos implicados habitualmente (hay otras
variantes) en la concentración son los siguientes
Diagrama de flujo de un proceso de separación y concentración de un mineral de mena metálica. 42
Trituración • La trituración es la primera etapa mecánica en el proceso de
conminución en la cual el principal objetivo es la liberación de los minerales valiosos de la ganga. • Generalmente la trituración es una operación en seco y normalmente se realiza en dos o tres etapas. Los trozos de mena (Una mena es un mineral del que se puede extraer un elemento, un metal generalmente, por contenerlo en cantidad suficiente para ser aprovechado ) extraídos de la
mina pueden ser tan grandes como 1.5 m y estos son reducidos en la etapa de trituración primaria hasta un diámetro de entre 10-20 cm en máquinas trituradoras de trabajo pesado. 43
• La trituración secundaria incluye todas las operaciones
para aprovechar el producto de la trituración primaria desde el almacenamiento de la mena hasta la disposición del producto final de la trituradora el cual usualmente tiene un diámetro entre 0.5-2 cm.
trituradora primaria de mandíbula o quijada.
trituradora de rodillos dentados 44
• Chancado: El mineral clasificado es llevado a la chancadora
primaria en donde se produce el primer proceso de chancado reduciendo el tamaño del mineral a dimensiones determinadas, de allí pasa a la chancadora secundaria en donde el mineral se reduce a diámetros menores, pasando inmediatamente a la chancadora terciaria, en donde el mineral chancado, queda reducido y listo para pasar al proceso de molienda.
45
• Molienda: En este proceso el mineral chancado mezclado
con agua es procesado en recipientes cilíndricos denominados molinos de bolas y/o barras; convertido en polvo, pasa a la clasificadora, en donde la mezcla que tiene consistencia muy fina también denominada finos, ingresan a las celdas de flotación, a su vez los gruesos retornan al molino para ser nuevamente molidos.
interior de un molino de bolas molinos de bolas
46
Circuito de Molienda
47
• Problemas Propuesto:
Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: Fe 40% S 43.6% Material inerte 16.4% • Esta pirita se quema con 100% de aire ( exceso) sobre la
cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe2O3 y todo el azufre a SO2. Supóngase que no se forma nada de SO3 en el horno. Los gases formados pasan al convertidor, donde se oxidad el 95% de SO2 a SO3. • Calcular la composición de los gases que entraron y que abandonaron el convertidor. 48
BIBLIOGRAFÍA
Costa López, J.; Cervera March, S.; Cunill García, F.; Esplugas Vidal, S.; Mans Texeidó, C. y Mata Álvarez, J. (1994). "Curso de Ingeniería Química. Introducción a los Procesos, las Operaciones Unitarias y los Fenómenos de Transporte". Reverté. Barcelona. Capítulo 4. Felder, R.M. y Rousseau R.W. (1991). "Principios Elementales de los Procesos Químicos". Addison Wesley Iber. Wilmington. Capítulos 7,8 y 9. Calleja Pardo, G.; García Herruzo, F.; de Lucas Martínez, A.; Prats Rico, D. y Rodríguez Maroto, J.M. (1999). "Introducción a la Ingeniería Química”. Síntesis. Madrid. Capítulo 7. Robert Treybal “Operaciones de transferencia de masa” McGraw‐Hill 49
• J.R.Backhurst/J.H.Harker/J.E.Porter
•
• • • •
(1979).Problemas Sobre Transferencia De Calor Y Masa. Editorial El Manual Moderno S.A. Antonio Valiente Banderas, Rudi Primo,hakatzin Stivalet (1991). Problemas De Balance De Materia Y Energía. Editorial Alhambra Mexicana. Primera Edición. J. R. Welty, C.E. Wieks, R.E. Wilson “Fundamentos De Transferencia De Momento, Calor Y Masa” Limusa J.P. Holman “Transferencia De Calor” CECSA Mccabe & Smith “Operaciones Unitarias De Ingeniería Química” Mcgraw‐hill Bird, Stewart & Lightfoot “Fenómenos De Transporte” Reverté 50
• http://geologia.110mb.com • http://www.practiciencia.com.ar/ctierrayesp/tierra/estructur • • • • • • •
a/rocasymin/index.html http://www.sonami.cl/exposiciones/expomin2006/Sergio_a lmazan.pdf http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM1.html http://www.knelson.com/ http://www.concentrators.net/ http://www.freivokhtech.com/knelson/machine-s.asp http://rochemt.com.au/ http://www.natcogroup.com/
51
GRACIAS
52
• Conceptos de diagrama de flujo, derivación, • •
• •
recirculación y purga El diagrama de flujo de un proceso quimico (sistema) es una representacion grafica de las operaciones unitarias (subsistemas) implicadas en la que se indican con flechas los flujos de materia entre ellas. Es un documento importante y su presentacion debe ser clara, comprensible, precisa y completa. Existen diversos tipos de diagramas de flujo: diagrama de bloques, diagrama pictorico y diagrama simbolico, dibujado de acuerdo con alguna normativa estandar de dibujo industrial. En este libro de problemas se utilizaran, por motivos didacticos y de sencillez, unicamente los diagramas de bloques. 53
• Una corriente de derivacion, b y p a s s o c ir c u nv a la c i on es aquella pequena parte de la corriente fresca de entrada a un sistema (compuesto
de subsistemas) que se anade o deriva directamente a la corriente producto de salida del sistema para proporcionarle una serie de componentes o de cualidades que se han perdido en el tratamiento fisicoquimico realizado en el proceso. Eso significa que la corriente de derivacion y la fresca tienen la misma composicion, pero sus caudales difieren sustancialmente de forma que la corriente de derivacion suele ser una pequena parte de la corriente fresca del sistema. En los problemas resueltos 1.4 y 1.5 se pueden encontrar ejemplos reales de corrientes de derivacion. 54
• Cálcu los en p ro ceso s co n recirc ulación • Los procesos que implican “alimentación a contracorriente” o recirculación del producto se
encuentran con frecuencia en la industria química y del petróleo. • En las reacciones químicas, el material sin reaccionar puede separarse del producto y recircularse, tal como en la síntesis del amoníaco. Otro ejemplo del uso de las operaciones con recirculación es el de las olumnas de destilación fraccionada, en donde una parte del destilado sirve como reflujo de la columna para aumentar la concentración del producto. En la figura se muestra un proceso típico de recirculación . 55
Se debe entender que el proceso mostrado en la figura se encuentra en condiciones uniformes, es decir, no se verifica la formación o el agotamiento de ningún material dentro del reactor o en la corriente de recirculación. La alimentación al proceso está constituida por dos corrientes: la alimentación fresca y el material de recirculación. En algunos casos la corriente de recirculación puede tener la misma composición que la corriente del producto principal, mientras que en otras circunstancias la composición puede ser completamente diferente, dependiendo de la forma como se efectúa 56 la separación.
• 1. Cuando se utiliza un exceso estequiométrico de uno de • •
•
•
los componentes. Esto se hace cuando interesa que reaccione completamente un reactivo limitante. 2. Cuando la reacción se lleva a cabo en un diluyente inerte, generalmente se recircula el diluyente una vez que se han separado los productos. 3. Cuando la transformación de los reaccionantes en los productos está limitada, bien por consideraciones de equilibrio, o bien porque la velocidad de reacción se hace extraordinariamente lenta a medida que aumenta la concentración de los productos. 57
• 4. Cuando hay reacciones laterales con intervención de
los productos de reacción. • Por ejemplo en la cloración de un hidrocarburo alifático, en presencia de cloro, el compuesto monoclorado reacciona para formar el diclorado, que a su vez se transforma en triclorado y así sucesivamente. Para evitar esto se usa un exceso de sustancia orgánica y se detiene la cloración antes de que en el sistema haya excesiva proporción de compuesto monoclorado. El exceso de compuesto alifático y cloro se recircula. • La recirculación de corrientes fluidas en los procesos
químicos es práctica para incrementar rendimientos, enriquecer un producto, conservar calor, etc. 58
• En muchos procesos quimicos en los que se pretende
reaprovechar los componentes que no han reaccionado y tambien en sistemas quimicos que llegan al equilibrio termodinamico, se emplean corrientes denominadas de recirculacion que se introducen nuevamente al sistema de reaccion para mejorar la conversion en dicho reactor. En muchos casos es necesario habilitar, a la vez que la corriente de recirculacion, una corriente de purga que permita evitar la acumulacion de inertes o subproductos a la salida del sistema. La composicion de las corrientes
59
• de recirculacion y de purga son identicas, pero el
caudal de recirculacion es mucho mayor que el de purga. En los problemas resueltos 1.8, 1.9, 1.10 y 1.11 se muestran ejemplos reales en los que se deben emplear corrientes de recirculacion y purga.
60
• Consideraciones metodológicas sobre la
resolución de balances de materia • Desde el punto de vista conceptual, la resolucion de balances de materia en sistemas quimicos implica, en primer lugar, un analisis de grados de libertad que se realiza tras evaluar el numero de variables y el numero de ecuaciones con que se cuenta. Si ambas magnitudes coinciden, el sistema es compatible determinado, y si el numero de variables es mayor que el numero de ecuaciones, el sistema sera compatible indeterminado y mediante la diferencia correspondiente entre el numero de variables y el de ecuaciones se dispondra de los correspondientes grados de libertad. 61
• El zumo de naranja natural (1) tiene un 12% en peso de
sólidos y el resto es agua. En cambio, el zumo de naranja concentrado tiene un 42% en peso de sólidos (5). Para fabricar zumo de naranja concentrado (5) se utiliza el zumo de naranja natural (1) a 25 ºC, el cual se somete a un proceso de evaporación en el que lamentablemente algunos componentes volátiles que dan sabor al zumo se pierden con el agua evaporada (6). Para resolver este problema se propone utilizar una derivación (2) de parte del zumo fresco y, a la vez, concentrar el zumo hasta un 58% en el evaporador (4).
62
• Esta corriente, que sale a la misma temperatura que
el agua evaporada, se reúne con la de derivación y da lugar al zumo concentrado final (5), con un 42% en sólidos, que se destina al consumo y que sale a la temperatura de 60 ºC. Partiendo de 100 kg/h de zumo de naranja natural (1), determinar los caudales y composiciones de todas las corrientes del sistema.
63
• Los componentes del sistema son solidos y agua. El
sistema es estacionario y no hay reacciones quimicas. Los balances se van a realizar en unidades masicas (kg/h) dado que los datos de las corrientes estan en peso. Las ecuacionesde los balances de materia de componente y global para este dispositivo experimental son:
64
• Es importante senalar en este problema la presencia de la corriente 2, denominada corriente de derivacion, bypass o circunvalacion. Esta corriente es una pequena parte de la corriente fresca que entra al sistema que permite
incorporar al producto final del proceso, elementos esenciales que se han perdido en el tratamiento realizado en el proceso. En este caso, la corriente de derivacion permite incorporar al producto final (corriente 5) componentes que dan sabor al zumo de fruta pero que se han perdido en el proceso de concentracion de dicho zumo por evaporacion. • Realizando un balance de sólidos en todo el dispositivo experimental (kg/h): 65
• Los balances en todo el dispositivo experimental han
permitido determinar los caudales de agua del evaporador (w6) y de zumo concentrado final (w5). • Si ahora el balance de solidos, en kg/h, se realiza en el nudo de derivacion 2 + 4 → 5:
66
• Observando
atentamente las dos ultimas ecuaciones obtenidas tras los balances en el nudo de derivacion 2 + 4 → 5, estas forman un sistema de dos ecuaciones con dos incognitas. Resolviendo este sistema se deduce que w2 = 9,9 kg/h y w4 = 18,6 kg/h.
• Recapitulando sobre los calculos realizados se observa que
ya se dispone de las composiciones y caudales de las corrientes 1, 2, 4, 5 y 6. El calculo de la corriente 3 se puede hacer planteando un balance global en el nudo de reparticion de la corriente 1 → 2 + 3 fresca al sistema: 67
Es preciso senalar que, en general, las corrientes de derivacion suelen ser una pequena parte de la corriente fresca de entrada. En este caso representaba alrededor del 10%. Eso es razonable porque esa corriente fresca debe ser tratada mayoritariamente en el proceso quimico correspondiente y la corriente de derivacion se utiliza para dar el “toque de calidad final” a la corriente producto. En la tabla adjunta se muestran los caudales masicos totales y de componentes de cada una de las corrientes del sistema: 68
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71