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• Mezclado • Evaporación • Secado

Separación

• Destilación • Absorción • Filtración

El mezclado es una operación unitaria que consiste en integrar, combinar dos o más sustancias con el fin de obtener un producto o subproducto uniforme.

Las operaciones de mezclado se usan con una gran variedad de propósitos. Entre ellos se encuentran la homogeneización de materiales, la transferencia de

calor, la dispersión de gases en líquidos, etc.

El mezclado es esencial en la industria para la transformación de materias primas en productos. Esta operación unitaria se puede llevar a cabo en uniones de tuberías o en equipos de mezclado.

Un gas que contiene 79.1% de N2, 1.7% de O2 y 19.2% de SO2, se mezcla con otro gas que contiene 50% de SO2, 6.53% de O2 y 43.47% de N2, para producir un gas que contiene 21.45% de SO2, 2.05% de O2 y 76.50% de N2. Todas las composiciones

corresponden a porcentaje en mol. Determine en qué proporción deberán mezclarse las corrientes de entrada al proceso. 50 % de SO2 2

6.53 % de O2 43.47 % de N2

79.1% de N2 1.7% de O2 19.2% de SO2

21.45 % de SO2 1

MEZCLADOR

3

2.05 % de O2 76.50 % de N2

El ácido agotado de un proceso de nitración contiene 43% de H2SO4 y 36% de HNO3. La concentración de este ácido diluido se incrementa mediante la adición de ácido sulfúrico concentrado, que contiene 91% de H2SO4 y ácido nítrico concentrado, que contiene 88% de HNO3. El producto deberá contener 41.8% de H2SO4 y 40% de HNO3. Calcular las cantidades de ácido agotado y de ácidos concentrados que deberán

mezclarse para obtener 100 lb/h del ácido mezclado reforzado. 43 % de H2SO4

36 % de HNO3

88 % de HNO3

1

3 12 % de H2O

21 % de H2O M4 = 100 lb/h

MEZCLADOR

91 % de H2SO4

4

41.8 % de H2SO4 40 % de HNO3

2 9 % de H2O

18.2 % de H2O

Es una operación unitaria mediante la cual una sustancia pasa del estado líquido al estado vapor, por el suministro de energía calorífica.

Aplicaciones Típicas de Evaporación: En

los

ingeniería evaporación

procesos

química se

de

la utiliza

generalmente para separar líquido de una solución.

• Concentración de producto.

• Pre-concentración de la alimentación al secador. • Reducción de volumen. • Recuperación de agua o solvente • Cristalización.

2

Solvente evaporado

EVAPORADOR

Solución diluida

1

3

Solución concentrada

A un evaporador se alimentan 100 000 kg/día de una solución que contiene 38 %w de azúcar, obteniéndose una solución concentrada con 74 %w. Calcúlese el peso de solución obtenida y la cantidad de agua evaporada. 2

M1=100 000 kg/día

38 %w azúcar

1

H2O

3

74 %w azúcar

El secado se describe como el proceso mediante el cual se elimina líquido de un sólido. Generalmente la cantidad del líquido en el sólido es pequeña, por lo que se dice que el sólido está húmedo.

Esquema del proceso de secado 2

Sólido Húmedo

1

SECADOR

Líquido removido

3

Sólido seco

Por un túnel secador se pasa continuamente papel húmedo que contiene 0.1 lb

agua/lb de papel seco y sale con 0.02 lb de agua/lb de papel seco. ¿cuántas lb de agua se evaporan por hora si al secador se introducen 1000 lb de papel húmedo por hora?

2

H2O Papel

Papel H2O 0.1 lb H2O/lb papel

1

SECADOR

3

H2O

0.02 lb H2O/lb papel

Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de agua y después de secarla se determina que se ha eliminado el 55% del agua original de la pulpa. Calcúlese la composición de la pulpa seca y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa húmeda.

2

H2O

M1=1000kg/min pulpa 1 68%w H2O

SECADOR

3

Pulpa H2O

La destilación consiste en separar de una mezcla líquida uno o más componentes, basándose en la temperatura de ebullición de cada componente presente en la mezcla.

Los

componentes

de

menor

temperatura de ebullición se conocen

como componentes más volátiles y se separan por el domo (parte superior) de la torre de destilación. Al producto obtenido

en

DESTILADO.

el

domo

se

llama

Los componentes menos volátiles (los de mayor temperatura de ebullición) se separan por el fondo de la torre. A los productos obtenidos en el fondo se les conoce como RESIDUOS.

DOMO

A

Mezcla líquida

B

1

Componente(s) más volátil(es) DESTILADO A 2 C

C

Componente(s) menos volátil(es) FONDOS

RESIDUO

3

A B

En una columna de destilación se separa una mezcla equimolar de Etanol (E), Propanol (P) y Butanol (B) en una corriente de destilado que contiene 66.2/3% de Etanol y nada de Butanol y una corriente de fondos que no contiene Etanol. Calcular las cantidades y composiciones de las corrientes de destilado y fondos para una alimentación de 1000 mol/h

2 3

66. Etanol 2 Mezcla líquida

1 3

33. Propanol

Etanol, E Propanol, P

1

Butanol, B

3

Propanol Butanol

A una columna de destilación se alimenta una mezcla cuya composición es 2% mol de etileno, 3% mol de etano, 5% de propileno, 15% mol de propano, 25% mol de isobutano, 35% mol de n-butano y 15% mol de n-pentano.

En el destilado se recupera todo el etileno, etano y propileno, parte del propano y parte del isobutano, el cual representa el 5% del total de moles de destilado. En el residuo sale todo el n-butano, todo el pentano y el resto de isobutano y propano. La concentración de propano en esta corriente residual es de 0.8% en mol. Calcular las composiciones de producto destilado y de residuo por 100 moles de alimentación.

La absorción es una operación unitaria que consiste en separar de una mezcla gaseosa uno o más componentes, con la ayuda de un solvente líquido, con el cual el o los componentes separados forman una solución.

El equipo en el que se lleva a cabo el proceso de absorción se conoce como Torre de absorción y tanto la mezcla gaseosa y el solvente líquido se alimentan a la misma a contracorriente.

Componentes de la mezcla gaseosa no separados

Mezcla gaseosa A

4

B

A B C

Líquido

2

Mezcla gaseosa 1

Solución 3

Componente(s) separado(s) C Líquido

En una unidad llamada absorbedor se alimentan 200 lb/h de una mezcla gaseosa que contiene 20%w de acetona y el resto de un gas portador. La mezcla gaseosa se trata con una corriente de agua pura en una relación másica de 1 a 5 , lo que produce un gas

de descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua. Suponiendo que el gas portador no se disuelve en agua, calcule todos los flujos totales desconocidos y la composición en todas las corrientes. Gas portador

2

4

Mezcla gaseosa 20% w Acetona 80%w gas portador

1

Solución 3

H2O pura

Acetona H2O

El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas que contiene 15% en mol de CS2, 17.8% de O2 y 67.2% de N2. El gas se alimenta a una torre de absorción continua donde se pone en contacto con benceno que absorbe el CS2, pero no el O2 y el N2. El benceno líquido se alimenta a la columna en una relación molar de 2:1 con respecto al gas de alimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2% de CS2 y 2% de benceno. Calcule el porcentaje de CS2 absorbido y la fracción mol de CS2 en la corriente de benceno a la salida.

Los procesos químicos industriales se efectúan en una serie de equipos que están interconectados entre sí, tales como unidades de mezclado, intercambiadores de calor, torres de destilación, de absorción, evaporadores, secadores, etc. y cuando hay reacción química también están presentes los reactores. Para realizar el balance de materia en estos procesos se puede considerar como sistema: • Todo el proceso • Un solo equipo del proceso global.

• Dos o más equipos del proceso global. • Un punto de unión de dos o más corrientes.

Sistema: Proceso global 4

2

1

6

U. de Separación

3

5

7

Sistema: Un equipo del proceso global 4

2

1

6

U. de Separación

3

5

7

Sistema: Dos equipos del proceso global 4

2

1

6

U. de Separación

3

5

7

Los evaporadores son dispositivos en los cuales se calienta una solución hasta su temperatura de ebullición y se elimina una porción del disolvente evaporado, dejando a la solución más concentrada. Un evaporador de múltiple efecto consiste en una serie de evaporadores conectados entre sí (llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más concentrada en cada unidad. Para producir agua potable a partir de agua de mar, se emplea un sistema de evaporación de triple efecto. El agua de mar contiene 3.5% en peso de sal (la sal puede considerarse como formada

exclusivamente por NaCl en este problema). Treinta mil libras por hora de agua de mar se alimentan al primer efecto del evaporador.

La composición de la solución que abandona el tercer efecto se mide con un medidor de

conductividad eléctrica, calibrado a fin de proveer una lectura de la fracción molar de NaCl de la solución, obteniéndose una lectura de 0.01593. Se elimina por ebullición la misma cantidad de agua en cada uno de los efectos. Calcular la cantidad de agua eliminada en cada efecto y el porcentaje en peso de NaCl en la solución que abandona el segundo efecto. Incógnitas: M2 = M4 = M6 = ? %xwNaCl,5 = ?

M1 = 30000 lb/h 1 3.5%w NaCl

Condición: M 2 = M4 = M 6

6

4

2

3

5

7

0.01593n NaCl

El flujo de alimentación a una unidad que consiste de dos columnas de destilación contiene 30% de benceno (B), 55% de Tolueno (T) y 15% de Xileno (X). Se analiza el destilado de la primera columna y se encuentra que contiene 94.4% de B, 4.54% de T y 1.06% de X. Los fondos de la primera columna se alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna se planea que 92% del T original cargado a la unidad se recupere en la corriente de destilado y que el T constituya el 94.6% la

corriente. Se planea, además, que 92.6% del X cargado a la unidad se recupere en los fondos de esta columna y que el xileno constituya el 77.6% de dicha corriente. Si se cumplen estas condiciones, calcule: a) El análisis de todas las corrientes que salen de la unidad.

b) La recuperación porcentual de benceno en la corriente de destilado de la primera columna.

94.4 % B

2

4.54% T

fT,4 = 92% fT,1

4 94.6% T

1.06% X

30% B 55% T

1

15% X

3

5

fX,5 = 92.6 % fX,1 77.6% X

Se requiere destilar 1000 mol/h de una mezcla con la siguiente composición: 25%n de benceno (B), 30% n de Tolueno (T) y 45% n de Xileno (X). Para ello se utiliza un tren de separación constituido por 2 columnas de destilación. Se analiza el producto de fondos de la primera columna y se determina que contiene 3%n de B, 34.5%n de

T y el resto de X. Los fondos de la primera columna alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna, se obtiene un producto destilado con 10%n de B, 80%n de T y en la corriente de fondos sólo hay T y X. Si se cumplen estas condiciones, determine los flujos molares y las composiciones de todas las corrientes del tren de destilación.

4

2

CI 25%n B 30%n T 45%n X

CII

1 3.0%n B 34.5%n T X

3

5

B 10%n T 80%n X

Una recirculación es una corriente de flujo que se toma de la descarga de una

UNIDAD y se regresa como alimentación a la misma o a otra UNIDAD colocada anteriormente.

Recirculación

Una recirculación es un proceso que consiste de tres unidades: 1. Nodo de Mezclado.

Unidad 1

Unidad 2

2. Unidad interna. 3. Nodo de División.

Corriente de recirculación

Alimentación fresca

Unidad interna

Unidad

Nodo de mezclado

Alimentación Combinada

Corriente de purga Nodo de división

3 A B

1

A B C 2

A B C

C

Un nodo de mezclado se considera como un equipo donde se lleva a

cabo el proceso de mezclado; por lo que el balance se realiza como en un mezclador. Balance global:

F1 + F3 = F2

Balance del componente A: fA1 + fA3 = fA2

Un DIVISOR es un dispositivo mediante el cual se divide el flujo de entrada de una

corriente en dos o más corrientes menores. Como la división se hace únicamente con base al flujo, la COMPOSICIÓN en todas las corrientes en las que se divide la corriente de alimentación es la misma, por lo que en un nodo de división sólo se puede realizar el balance global. xwA,1 = xwA,2 = xwA,3

A B

xwB,1 = xwB,2 = xwB,3

C

xwC,1 = xwC,2 = xwC,3

3 A B C

O bien: 1

2

A B C

xnA,1 = xnA,2 = xnA,3

xnB,1 = xnB,2 = xnB,3 xnC,1 = xnC,2 = xnC,3

Una corriente de PURGA se utiliza para retirar de un proceso a las sustancias inertes, secundarias o indeseables, con el fin de evitar que éstas se acumulen en el flujo de recirculación. Corriente de recirculación

A B C

A B C

Unidad de separación B

A B C

A B C Nodo de división

Corriente de purga

A B C

La derivación consiste en pasar parte del flujo de una corriente a una unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad interna.

Unidad interna Unidad

Nodo de división

Nodo de mezclado

Se utiliza un sistema de purificación con recirculación para recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF. Calcule la fracción de recirculación suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad.

DMF 55% Aire

Unidad De purificación DMF

DMF Aire 90%

Un flujo de 0.126 kg/s de arena que contiene 20% en peso de agua se va a secar

hasta un contenido de 5% de agua. La presión parcial del vapor de agua en el aire ambiente es de 10 mmHg y la presión parcial del vapor de agua en el aire que sale del secador es de 200 mmHg. A fin de lograr esto, se recircula y se mezcla una porción de aire de salida con el aire de entrada, de manera que la presión parcial del vapor de agua en el aire alimentado al secador es de 50.26 mmHg. Si la presión atmosférica es de 760 mmHg, calcular:

a) La masa de aire fresco alimentado al secador. b) La masa de aire recirculado.

PT = 760 mmHg Pagua = 200 mmHg

Pagua = 50.26 mmHg

Pagua = 10 mmHg

SECADOR

Producto 0.126 kg/s de arena húmeda 20% agua 80% Sólidos

5 % agua 95 % sólidos

Una mezcla líquida que está constituida por 40% mol de benceno (B) y 60% mol de tolueno (T), se separa en una columna de destilación. El vapor que sale por la parte superior de la columna (contiene 95% mol de benceno), se condensa completamente y se divide en dos fracciones iguales, una se toma como producto destilado y la otra se retorna a la parte superior de la columna (reflujo). El destilado contiene 90% del benceno que se alimentó a la columna. El líquido que sale por la parte superior de la columna alimenta a un hervidor parcial donde se evapora el 45% del líquido. El vapor generado en este hervidor regresa a la parte inferior de la columna y el líquido residual constituye la cola de la destilación.

Las composiciones de los flujos que salen del hervidor están determinadas por la relación:

𝑥𝑛 𝐵,7

1 − 𝑥𝑛 𝐵,7

𝑥𝑛 𝐵,8

1 − 𝑥𝑛 𝐵,8

= 2.25

Donde xnB,8 y xnB,8 son las fracciones molares del benceno en los flujos de vapor y líquido respectivamente. Para una base de 100 mol/h alimentadas a la columna, calcular el flujo molar de destilado (corriente

6), residuo (corriente 8) y corriente 3, así como, sus respectivas fracciones molares.

2

Condensador

0.95 B 0.05 T 3 6

40% B

6

1

60% T 7

8

3 Hervidor

Un flujo de 4251 kg/h de solución de NaNO3 al 30% en peso se alimenta a un evaporador, donde la solución es concentrada hasta la saturación a 100 °C. Posteriormente la solución saturada se enfría hasta 20 °C y los cristales de NaNO3 formados se separan por filtración, quedando humedecidos con una solución que tiene una masa equivalente al 10% de la masa de cristales. Suponiendo que la solubilidad del nitrato a 100 °C es de 1.76 lb/lb de agua y a 20 °C es de 0.88 lb/lb de agua, calcular:

a) La cantidad de agua que se requiere evaporar para que la solución alcance la saturación a 100 °C. b) La masa total de la solución fresca alimentada al sistema.

H2 O evaporada M2 = 4251 kg/h

1 Alimentación fresca

30 %w NaNO3

2

msolución,6 = 0.10 mCristales,6

3

4 Enfriador

Evaporador Solución a 100 °C

7

5 Cristales Solución a 20°C

Solución

Solubilidad a 100 °C =1.76 lb nitrato/lb de agua. Solubilidad a 20 °C = 0.88 lb nitrato/lb de agua.

Filtro

6 Solución Cristales