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Eliana Jara Morante

Abril, 09 de 2018 1

Contenido • Aplicación de balance de materia en estado estacionario • Aplicación de la ecuación de conservación de especies químicas en estado no estacionario.

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Proceso de Manufactura E n e r g í a

Materia Prima

Energía y trabajo

Proceso

Otros

Emisiones

Productos Productos secundarios

Energía y trabajo

Residuos

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Sistema • Cualquier región del espacio finita o infinita de materia encerrado en un límite que puede ser real o imaginario – Sistema abierto • Intercambia masa y energía – Sistema cerrado

• Intercambia solo energía

e n e r gi a

– Sistema aislado

• No existe intercambio

m a s a 4

Molienda • Objetivo es reducir el tamaño de partícula de los materiales • Lograr un tamaño de partícula uniforme • Dependiendo del material se llevan a cabo en chancadores y los molinos • Factores que le afectan: – Propiedades del material – Composición física – Uso posterior del material 5

Tamizado • Objetivo es clasificar las mezcla por tamaño de partícula • Se recomienda para partículas de diámetro en el rango: 50 mm > d > 40 μm • Obtener una curva de distribución de tamaño de partícula • Factores que afectan: – Propiedades del material – Composición física – Humedad del material 6

Filtración • Objetivo es separar las partículas sólidas de las líquidas • Se usa un solvente específico para un componente mientras que los otros permanecen en la muestra • Las partículas que no son del tamaño adecuado son retenidas en los canales del filtro • Factores que afectan: – Propiedades del material

F1

F3 F2

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Problema 3 • Suero de queso contiene 4% en masa de lactosa y 2% de proteina y el resto es agua, se alimenta a una unidad de ultrafiltración a un flujo de 100 kg/h. La membrana se elige de manera que la concentración de la proteina en la masa que pasa a través de la membrane (permeate) disminuye hasta 0.02%, mientras que la concentración de la lactosa aumenta a 4.5%. • Si la alimentación es concentrada en un 50%, determine la composición de la corriente retenida.

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Secado • Objetivo es eliminar el contenido de humedad de una matriz determinada • Se usa aire a velocidad que es alimentado a una cámara de secado donde se encuentra el sólido • Factores que afectan: – Propiedades del material – Velocidad del aire – Condición ambiental del aire

F1

F3 F2

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Secado • Una cantidad de papa se somete a secado para aumentar el contenido total de sólidos de 14% hasta 93%. • Hallar el rendimiento del producto por cada 1000 kg de materia inicial asumiendo que el 8% en peso de las papas originales se ha perdido en el pelado

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Problema 6 • Hojuelas de papa con un contenido de 75% de humedad se van a secar en un secador a contracorriente. El contenido de humedad del aire que ingresa al secador es de 0.08 kg de agua por kg de aire seco. El contenido de humedad en el aire que sale del secador es 0.18 kg de agua por kg de aire seco. • El flujo de aire en el secador es 100 kg de aire seco por hora. 50 kg por hora de hojuelas de papa humedas entran al secador, en estado estacionario. • Calcule el flujo másico de hojuelas de papa humeda • Calcule el contenido de humedad en base seca del producto

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Separación y Mezclado • Una solución compuesta por 50% de etanol, 10% de metanol y 40% de agua, se alimenta a un flujo de 100 kg/h en un separador que produce una corriente a un flujo de 60 kg/h con una composición de 80% de etanol, 15% de metanol y 5% de agua y una segunda corriente de una composición desconocida. • Calcule la composición en porcentaje de los tres componentes en la corriente desconocida y el flujo másico correspondiente

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Separación y Mezclado • Un líquido adhesivo que se usa para laminar pizarras consiste de un polímero disuelto en un solvente. La cantidad de polímero en la solución tiene que ser controlada cuidadosamente para esta aplicación. • Cuando el proveedor recibe una orden para preparar 3000 kg de una solución del adhesivo conteniendo 13% en peso del polímero, lo que tiene en stock es (1) 500 kg de una solución de 10% en peso • (2) Gran cantidad de una solución al 20% en peso • (3) Solvente puro • Calcular el peso de cada uno de los tres stocks que deben combinarse para cumplir con la orden. Use toda la solución de 10% en peso

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Problema 9 • 1000 kg de semillas de soya de composición 18% de aceite, 35% de proteína, 27.1% de carbohidrato, 9.4% de fibra y 10.5% de humedad, se somete a las siguientes operaciones: – Prensadas para reducir el contenido de aceite en las semillas hasta un 6% – Se extrae con hexano para producir una sustancia con un contenido de 0.5% de aceite. – Finalmente, se seca hasta obtener un 8% de humedad • Asumiendo que no hay perdida de proteína ni agua con el aceite, realice el balance de materia del proceso. 14

Problema 10 • En la manufactura del azúcar, la caña de azúcar se alimenta a un molino donde el syrup se exprime y el bagazo contiene 80% de pulpa. El syrup contiene partículas finas de pulpa y se alimenta a un tamíz donde se separa toda la pulpa y se produce un syrup claro que contiene 15% de azúcar y 85% de agua. El evaporador produce un syrup denso y el cristalizador produce 1000 lb/h de cristales de azúcar. Calcule: • El agua removida en el evaporador • Las fracciones de masa en la corriente de residuos • El flujo de la alimentación de la caña a la unidad • Determine si esta es una operación eficiente

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Problema 11 • Consider a process in which raw oranges are processed into orange juice. A possible description follows: – The oranges enter a crusher, in which all of the water contained within the oranges is released. – The now-crushed oranges enter a strainer. The strainer is able to capture 90% of the solids, the remainder exit with the orange juice as pulp. • The velocity of the orange juice stream was measured to be 30 m/s and the radius of the piping was 8 inches. Calcule: – The mass flow rate of the orange juice product – The number of oranges per year that can be processed with this process if it is run 8 hours a day and 360 days a year. Ignore changes due to unsteady state startup. 16

…Problema 11 • Use the following data: – mass of an orange 0.4 kg – Water content of an orange: 80% – Density of the solids: 1.543 g/cm3 (since it is mostly sugars, its about the density of glucose)

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Evaporación • Objetivo es eliminar parcialmente por ebullición agua de las soluciones líquidas i.e., alimentos líquidos • Se logra por la diferencia de volatilidad entre el agua (disolvente) y el soluto • Es una operación requerida antes del secado, también para que un producto adquiera sabor y color • Factores que afectan: – Propiedades del material – Temperatura de la mezcla

1. Entrada de vapor, 2. chaqueta de calentamiento, 3. salida de condensado, 4. producto, 5. vapores, 6. salida de vapores, 7. entrada agua fria, 8. condensador, 9. entrada bomba de condensador, 10. entrada bomba de vacío, 11. manómetro, 12. válvula de alivio, 13. válvula de muestreo.

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Problema 12 • Un jugo de tomate contiene 7% en masa de sólidos se alimenta a un evaporador y se remueve agua a una velocidad de 500 kg/h. • Si el concentrado contendrá 35% de sólidos, determine el flujo de alimentación necesario.

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Reciclo

• Reciclar es tomar una corriente de proceso y reusarla en una parte anterior del proceso y evitar descartar la corriente • Se logran beneficios ambientales y económicos

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Reciclo • the extra splitting (2) and recombination points (1) must be taken into account, and the properties of the streams change from before to after these points.

Aliimentación 1

Proceso

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Salida

Corriente de reciclo

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Reciclo • Asunciones en el punto de recombinación: – La composición de la corriente que sale depende de la composición de la alimentación y la composición de la corriente de reciclo – Se puede usar las propiedades de la corriente proveniente del punto de separación para la corriente que entra al punto de recombinación • Asunciones en el punto de separación: – Cuando la corriente es separada, generalmente se separan en dos corrientes con igual composición (salvo especificación). – Se require conocer la relación de separación de las corrientes

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Reciclo • Beneficios: – Se lograr alcanzar amplio rango de separaciones, hay un inconveniente cuanto más concentrado o diluido es un producto, el flujo debe ser bajo en la corriente concentrada o diluida – Usando el reciclo en combinación con procesos de separación se puede aumentar la conversion global de una reacción en equilibrio – Usando el reciclo es posible recuperar las reactivos y catalizadores que son caros. – Reduce la cantidad de equipos que se requieren en un proceso – Reduce la cantidad de desechos que genera el proceso

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Problema 12 • Una mezcla de 50% A y 50% B entra a un proceso de separación que es capaz de separar los dos componentes en dos corrientes, una conteniendo 60% de la corriente de A y mitad de la de B y otra con 40% de A y mitad de B. • Si 100 kg/h de la alimentación contiene 50% de A por masa que entra al separador, ¿cuáles son las concentraciones de A en las corrientes de salida? • Suponga que se quiere instalar un proceso de reciclo en la cual se recicla la mitad de la corriente y se recombina con la alimentación. Recalcule las concentraciones de A. • ¿La separación es más efectiva con o sin el reciclo? 24

Problema 13 • Considere un proceso en el que oro extraído de una mina se lavará de modo que las unidades de proceso no se contaminen. Oro sucio a 3000 kg/h se descargan en una unidad de lavado con agua, luego es descargado por el fondo de la unidad. La cantidad de suciedad que queda en el oro después de este proceso es despreciable, pero cierta cantidad de agua es absorbida en la superficie de oro de modo que el flujo másico neto del oro lavado es de 3100 kg/h. • El agua sucia es limpiado en el sedimentador que es capaz de remover el 90% de suciedad en la corriente sin remover una cantidad significativa de agua.

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…Problema 13 • La corriente limpia se usa para recombinar con una corriente de agua limpia antes de reingresar a la unidad de lavado. • El oro limpio y humedo entra al secador en el cual toda el agua del oro se remueve. Oro seco se remueve del secador a un flujo de 2900 kg/h. • Calcule el flujo másico de agua fresca que se require para alcanzar este grado de remoción • Suponga que la solubilidad de la suciedad en el agua es de 0.4 g de suciedad por cm3 de agua. Asumiendo que el agua que sale de la unidad de lavado se satura con la suciedad, calcule la fracción másica de la suciedad en la corriente que entra a la unidad de lavado (después que se mezcla con la corriente de agua fresca) 26

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