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• Karen Nieto

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BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUIMICA

PROCESO INDUSTRIAL DE LA LACTOSA REFINADA

LAURA PUELLO ORTEGA WENDY LORENA NIETO GUERRA DAVID CAMILO MORELOS NASSI

ING. MIGUEL MUESES

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA UNIVERSIDAD DE CARTAGENA 2018

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. Una vez que se ha cortado la leche se forman dos fases: la sólida, formada por caseína y la mantequilla atrapada y la líquida o suero que contiene lactosa y albúmina. El proceso de la lactosa refinada empieza con el tratado del suero con el Hidróxido de Sodio (𝑁𝑎𝑂𝐻) en el tanque agitador I donde se produce un precipitado de albúmina y la lactosa queda en solución. Luego el precipitado se lleva al filtro prensa I donde se separa la lactosa. La lactosa líquida se circula a una serie de evaporadores en donde se concentra poco a poco. Posteriormente el líquido concentrado se pasa al cristalizador I en donde se obtienen los cristales de lactosa, que después entran a la centrifuga I para separar los cristales de las aguas madres que se envían de nuevo al evaporador. Los cristales que se obtienen son amarillentos e impuros, por ello se disuelven y se tratan con carbón activado. La masa se filtra y el líquido se concentra, cristaliza y centrifuga de nuevo. Los cristales húmedos que salen de la centrifuga II pasan por un secador en donde por contacto con aire caliente se secan y quedan listos para su envase y venta. Para este proceso industrial se tiene en cuenta las siguientes consideraciones para la producción de lactosa refinada:  La composición del suero de leche es 94.26% H2O (A), 4.3% Lactosa (L) y 1.45% Proteínas (Albúmina). Esto sin tener en cuenta las grasas ni las cenizas.  El suero será tratado con Hidróxido de calcio 𝐶𝑎𝑂𝐻 en una relación 5:1 con respecto a la lactosa que contiene el suero.  El vapor que ingresa al proceso en una relación 2:1 con respecto al suero, del cual el 65% circula al evaporador I.  El flujo de entrada al tanque agitado II es 70% H2O  El Agua (H2O) que necesita el tanque agitador II será igual al peso de los cristales que ingresen al tanque.  Ingresará 0.001Kg de Carbón activado por cada 1Kg de suero que ingresa al proceso.  Al secador ingresará aire caliente en relación 2:1 con respecto al agua que ingrese al mismo.  La eficiencia de los evaporadores y centrifugas es del 80%  El 30% del flujo de salida de la centrifuga I se recircula al cristalizador I

BASE DE CALCULO: 1000 Kg en F1

BALANCE DE MATERIA EN TANQUE AGITADOR 1

F1 + F2 = F3  balance total 1000 Kg + F2 = F3 Para el flujo 1 = 1000 Kg M(A)F1 = (0,942)*(1000Kg) =

942,5 Kg

M(L)F1 = (0,043)*(1000Kg) = 43 Kg M(P)F1 = (0,0145)*(1000Kg) =

14,5 Kg

Del problema se conoce que Ca(OH)2 ingresa en una relación 5:1 con respecto a la lactosa (L) F2 = (5)*(F1)*(L) F2 = (5)*(1000)*(0.043) F2 = 2,5 Kg Para el flujo 3 F3 = F1 + F2 F3 = 1000Kg + 215Kg F3=1215 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL FILTRO PRENSA 1

F3 = F4 + F5  balance total Balance por componentes F4 = PF4 + BF4 F4 = 14,5kg + 215kg F4=229.5 Kg Para el flujo 5 F5 = AF5 + LF5 F5 = 942.5Kg + 43kg F5=985.5 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL EVAPORADOR 1

F5 + F7 = F8 + F9  balance total 985.5 Kg + F7 = F8 + F9 Del problema se tiene que el evaporador ingresa al proceso en una relación 2:1 respecto al suero, del cual el 65% circula al evaporador 1, entonces: F7 = (F1)*(2)*(AF7) F7 = (1000 kg)*(2)*(0.65) F7=1300 Kg Balance de la lactosa (L) 43 kg = (W (L)F9)*(F9)

------------------------------------------- ec.[1]

Del problema se sabe que la eficiencia de los evaporadores es de un 80% (942.5Kg + 1300 kg)*(0,2) = (1 – W L9)*(F9) De la ecuación [1] y [2] se obtiene 448.5kg = F9 – 43kg F9 = 491. 5 kg F8 = 985.5 kg + 1300kg – 491.5kg F8=1794 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL EVAPORADOR 2

---------------- ec.[2]

F8 + F9 = F10 + F11  balance total 1794kg + 491.5kg = F10 + F11 2285.5Kg = F10 + F11 Balance de la lactosa 43kg = (W (L)F11)*(F11) ------------------------------------- ec. [3] Teniendo en cuenta la eficiencia de los evaporadores (80%) (1794Kg + 448.5Kg)*(0.2) = (1-W (L)F9)*(F11) --------- ec. [4] De la ecuación [3] y [4] 448.5 kg = F11 – 43Kg F11= 491.5Kg F10 = 2285.5 Kg – 491.5 Kg F10=1794 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL FILTRO PRENSA 2

F11 = AF11 + LF11 F11 = 448.5 + 43 F11=491.5 Kg F12 = A12 + L12 F12 = 448.5 + 43 F12=491.5 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL EVAPORADOR 3

F12 + F19 = F14 + F16  balance total 491.5Kg + F19 = F14 + F16 ---------------------- ec. [5] Balance en el puto de mezcla F12 + F19 = F13 491.5 + F19 = F13 ----------------------------------- ec. [6] Balance de la lactosa en el evaporador 3 43kg = (W (L)F16)*(F16) Teniendo en cuenta la eficiencia de los evaporadores (80%) (0.2)*(F13)*(W (A)F13)) = (1 – W (L)F16))*(F16) (0.2)*(F13) = F16 – 43Kg -------------------------- ec. [7] BALANCE DE MATERIA EN EL CRISTALIZADOR 1

Balance total F16 + F33 = F17 = F18 ---------------------------- ec. [8]

BALANCE DE MATERIA EN LA CENTRIFUGA 1

Balance total F18 = F19 + F20 ---------------------------------- ec. [9] Balance de la lactosa en el centrifuga 1 (W (L)F18)*(F18) = 43Kg Teniendo en cuenta la eficiencia de los evaporadores (80%) (0.2)*(F18)*(W (A)F18) = (1 – W (L)F20)*(F20) (0.2)*(43Kg) = F20 – (W(L)F20)*(F20) ----------- ec. [10] BALANCE DE MATERIA EN EL TANQUE AGITADOR 2

F22 + F23 + F24 = F25  balance total Del problema se sabe que entre 0.001kg de carbón activado por cada 1kg de suero F24=0.001 Kg El peso del carbón activado se desprecia debido a que es insignificante respecto a la base de cálculo, entonces F24 = 0 LF22 = LF1 AF23 = Pde los cristales AF23 = 43kg Balance de la lactosa AF23 = (W (L)F25)*(F25) 43Kg= (W (L)F25)*(F25) ------------------------------- ec. [11] Balance del agua Por el problema se sabe que: F22 = 70% AF22 (0,7)*(F22) + 43Kg = (1 – W (L)F25)*(F25)

--------- ec. [12]

Reemplazando en la ecuación [11] y [12] (0,7)*(F22) + 86Kg = F25  reemplazar en el balance total del taque agitador 2 F22 + 43Kg = (0.7)*(F22) + 86Kg F22 (1 – 0.7) = 43kg

F25=186.33 Kg

F22=1430.33 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL FILTRO PRENSA 3

F25 = AF25 + LF25 F25 = 143.33 AF25 + 43 LF25 F25=186.33 Kg F26 = AF26 + LF26 F26 = 143.33 AF26 + 43L26 F26=186.33 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL EVAPORADOR 4

F26 + F27 = F28 + F30 Del problema se sabe que el vapor entra en una relación de 2:1 respecto al suero del cual el 35% circula al evaporador 4, entonces F27 = (1000Kg)*(2)*(0.35) F27=700 Kg Balance de la lactosa 43 Kg = (W (L)F30)*(30)

------------------------------------------------------- ec. [13]

Teniendo en cuenta la eficiencia de los evaporadores (80%) (AF26 + F27)*(0.2) = (1 – W (L)F30)*(F30) (143.33 Kg + 700Kg)*(0.2) = (1 – W (L)F30)*(F30)

-------------------------- ec. [14]

Reemplazando [13] y [14] 168.67kg = F30 – 48Kg F30=211.67 Kg F28 = 9855Kg + 700KG – 211.67kg F28=1473.83 Kg

BALANCE DE MATERIA EN EL CRISTALIZADOR 2

F25 = AF25 + LF25 F25 = 168.67 + 43 F25=211.67 Kg F26 = A26 + L26 F12 = 168.67 + 43 F12=211.67 Kg

BALANCE DE MATERIA EN LA CENTRIFUGA 2

211,67 Kg = F32 + F34 ------------------------------------------------------ EC [9] Balance de la lactosa en la centrifuga 2 43Kg = (W (L)34)*(F34) Eficiencias centrifugas de 80% (0,2)*(168,67kg) = (1 – W (L)F34)F34 Reemplazando 33,73 = F34 – 43 Kg F34=76.73 Kg F32=134.94 Kg BALANCE DE MATERIA EN EL SECADOR

76,73Kg + F35 = F36 + F37  balance total Del problema se saque que al secador ingresa aire caliente en relación de 2:1 con respecto al agua que ingresa al mismo F35 = (AF34)*(2) F35 = (33073)*(2) F35=67.46 Kg Como se sabe que F37 = 43 Kg F36 = F34 + F35 – F37 F36 = 76,73 Kg + 67,46 Kg – 43 Kg F36=101.19 Kg

BALANCE DE MATERIA EN F20, F21, F22 F20 = F21 + F22 Del problema se sabe que el 30% del flujo de salida de la centrifuga 1 es igual al flujo 20, el cual recircula al cristalizador 1, es decir: (0,3)*(F20) = F21 F22=143.33 Kg F20 = (0,3)*(F20) + 143,33Kg F20=204,76 Kg F21=61,43 Kg Resolviendo las ecuaciones [5], [6], [7], [8], [9], [10] obtenemos que: F18 = F17 = 715,15Kg F19 = 522,98 Kg F13 = 1014,48 Kg F33 = 196,37 Kg F16 = 518,78 Kg F14 = 495,7 Kg F15 = 2289,7 Kg F29 = 3763,53 Kg

TABLA DE DATOS INICIAL Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Ca Total

1 942.5 Kg 43 kg 14.5kg 0 1000Kg

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Ca Total

11

12

13

14

151

6

17

18

19

20

Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Ca Total

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Ca Total

31

32

33

34

35

36

37

TABLA DE DATOS FINAL Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Calcio Aire Carbón Activado Total

1 942.5Kg 43Kg 14,5Kg 0 0 0 1000Kg

Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Calcio Aire Carbón Activado Total

11 448.5Kg 43Kg 0 0 0 0 491.5Kg

Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Calcio Aire Carbón Activado Total

21 0 61.43kg 0 0 0 0 61.43Kg

2 0Kg 0kg 0Kg 215Kg 0 0 215Kg

3 942.5Kg 43Kg 14,5Kg 215Kg 0 0 1215Kg

12 448.5Kg 43Kg 0 0 0 0 491.5Kg

13 971.48kg 43kg 0 0 0 0 1014.48Kg

22 100.33Kg 43Kg 0 0 0 0 143.33Kg

23 43Kg 0 0 0 0 0 43Kg

4 0kg 0kg 14,5Kg 215Kg 0 0 229,5Kg

5 942.5Kg 43Kg 0kg 0kg 0 0 985.5Kg

6 1300kg 0 0 0 0 0 1300kg

7 1300Kg 0 0 0 0 0 1300Kg

8 1794Kg 0 0 0 0 0 1794Kg

9 448.5Kg 43Kg 0 0 0 0 491.5Kg

10 1794Kg 0 0 0 0 0 1794Kg

14 495.7kg 0 0 0 0 0 495.7Kg

15 2289.7kg 0 0 0 0 0 2289.7Kg

16 475,7kg 43kg 0 0 0 0 518.78Kg

17 672,15kg 86kg 0 0 0 0 715.15Kg

18 672.15kg 86kg 0 0 0 0 715.15Kg

19 522.98kg 0 0 0 0 0 522.98Kg

20 143.33kg 61.43kg 0 0 0 0 204.76Kg

25 143.33Kg 43Kg 0 0 0 0,001Kg 186.33Kg

26 143.33Kg 43Kg 0 0 0 0 186.33Kg

27 700Kg 0 0 0 0 0 700Kg

28 1473.83Kg 0 0 0 0 0 1473.83Kg

29 3720.53kg 43kg 0 0 0 0 3763.53Kg

30 168.67Kg 43Kg 0 0 0 0 211.47Kg

24 0 0 0 0 0 0,001Kg 0,001Kg

Flujo/Componente Agua Lactosa Proteínas Hidróxido de Calcio Aire Carbón Activado Total

31 168.67Kg 43Kg 0 0 0 0 211.47Kg

32 134.94Kg 0 0 0 0 0 134.94Kg

33 153.37kg 43kg 0 0 0 0 196.37Kg

34 33.73Kg 43Kg 0 0 0 0 76.73Kg

35 0 0 0 0 67.46kg 0 67.46Kg

36 33.76Kg 0 0 0 67.46kg 0 101.19Kg

37 0 43Kg 0 0 0 0 43Kg