Diagramas de proceso.
Introducción a la ingeniería química/de proceso.
Procesos con una operación unitaria.
Ejemplo 1.
Un jugo de frutas con 3% de sólidos disuestos se introduce a un evaporador para producir un jugo concentrado al 12% en peso. Haga el diagrama de bloques y el diagrama de operaciones de este proceso.
Ejemplo 2.
Una corriente con 25% en peso de metanol en agua se va a diluir con una segunda corriente con 10% de metanol en agua para preparar una solución al 17% de metanol.
Haga el diagrama de flujo de proceso y con base en 100 kg/h de solución al 25%, calcule cuánta solución al 10% se necesita.
Ejemplo 3.
Azúcar húmeda con 20% de humedad se pasa por un secador donde se remueve 75% del agua. Con una base de 200 kg/h de azucar húmeda, trace el diagrama de flujo del proceso y calcule el porcentaje de humedad del azúcar que sale del secador.
Ejemplo 4.
Una solución al 5% en peso de hidróxido de sodio se va a concentrar hasta 25% en peso por medio de un evaporador. Haga el diagrama de bloques y de operaciones y calcule cuánta agua debe removerse por cada 100 kg de alimentación.
Ejemplo 5.
Una mezcla líquida de benceno y tolueno contiene 55% de benceno en masa. Parte de la mezcla se va a evaporar para generar un vapor que contenga 85% de benceno y un líquido reisudal con 10.6% de benceno en masa. Suponga que el proceso se desarrolla en forma continua con una alimentación de 100 kg/h de la mezcla al 55%. Sean \(\dot{m_v}\) y \(\dot{m_l}\) las corrientes de producto vapor y líquido respectivamente.
Ejemplo 6.
Se desea separar los componentes de dos mezclas. La primera contiene 3% de sustancia B y el resto, sustancia C. La segunda contiene una fracción \(x_2\) de sustancia A y \(y_2\) de sustancia B.
Se intenta separar ambas mezclas en una sola columna de destilación de cinco platos, para lo cual se alimenta la primera mezcla a razón de \(\dot{m_1}\) kg/h en el quinto plato contado de abajo hacia arriba. La segunda mezcla se introduce a razón de 5300 kg/h en el segundo plato. La columna tiene tres salidas:
- El producto de cabeza, que se obtiene a razón de \(\dot{m_3}\) kg/h y consiste de sustancia A pura.
- Una salida de 1200 kg/h extraía desde el cuarto plato, consistente de 70% sustancia A, y el resto una mezcla de porcentaje \(y_4\) de sustancia B y \(z_4\) de sustancia C.
- El produco de cola, extraído a razón de \(\dot{m_5}\) kg/h y consistente de 60% sustancia B y el resto sustancia C.
Ejemplo 7.
Se desea separar ácido acético de una mezcla de dicho ácido con agua, utilizando como solvente 1-hexanol, un líquido inmiscible con agua. Se introducirá a un decantador una corriente de 1-hexanol puro, a razón de \(\dot{m_h}\) y una corriente de 400 g/min de mezcla con 11.5% de ácido acético y el resto agua. Como resultado del proceso se obtiene una corriente orgánica a razón de \(\dot{m_O}\) con 9.6% de ácido acético y el resto 1-hexanol y una corriente acuosa a razón de \(\dot{m_A}\) con 99.5% agua y el resto ácido acético.
Ejemplo 8.
Una torre de absorción se monta para remover acetona de una corriente transportadora de nitrógeno. La alimentación tiene 21.3% de acetona y entra a razón de 200 kg/h. El líquido absorbente es agua, que entra a razón de 1000 kg/h. La salida de gas tiene 0.8% en peso de acetona y 2.9% en peso de vapor de agua.
Ejemplos con más de una operación unitaria.
Ejemplo 9.
Una corriente de alimentación de 1000 kg/h contiene 20% en masa de \(KNO_3\) y el resto agua. La corriente entra a un evaporador de donde sale una corriente con 50% en peso de \(KNO_3\). Esta corriente se lleva a un cristalizador. Del fondo del cristalizador se extrae un producto con 4% de agua y el resto \(KNO_3\). La solución restante del cristalizador (con 37.5 % de \(KNO_3\)) se recircula para mezclarla con la corriente de alimentación.
Ejemplo 10.
Las fresas contienen cerca de 15% por peso de sólidos y 85% de agua. Para fabricar jalea de fresas, la fruta es molida y posteriormente se mezcla con azúcar en porporción de 45 y 55 % en masa respectivamente. A continuación, la mezcla se calienta para evaporar el agua hasta que el residuo contenga un tercio de agua en masa. Finalmente, la mezcla concentrada se enfría y se lleva a empacado.
Ejemplo 11.
En la producción de un aceite vegetal, las semillas de la planta utilizada contienen 13% en peso de aceite y 87% de sólidos. La semilla se tritura y se alimenta a un tanque agitado donde se extrae el aceite usando una corriente de hexano que incluye hexano fresco y hexano reciclado de una operación posterior. Se usan 3 kg de hexano por kilogramo de semilla. La semilla triturada queda suspendida en el líquido y prácticamente todo el aceite se extra en el hexano. La salida del extractor se lleva a un filtro de donde se recolecta uina torta que contiene 75% en peso de semilla sólida y el resto mezcla de hexano y aceite, con la misma composición que la salida del extractor. La torta del filtro se descarta y el líquido filtrado se calienta en un evaporador donde el hexano se vaporiza y el aceite permanece líquido. El aceite se lleva al almacenaje y el hexano se enfría y ss condensa para reciclarlo hacia la entrada del extractor.
Ejemplo 12.
Una procesadora de frutas tritura peras para producir jugos enlatados. Cuando la pera se tritura se obtiene un jugo con 5% de sólidos totales y el bagazo restante se lleva a un biodigestor de donde se obtiene una corriente de lodo que se envía a la planta de tratamiento de agua, y biogás, que es llevado a una etapa de purificación para remover compuestos azufrados. El gas limpio se envía a una caldera para usarlo como combustible.
Por su parte el jugo de la primera etapa se concentra hasta un 10% de sólidos por evaporación. El jugo concentrado se lleva a una unidad de mezclado donde se agrega azúcar para obtener un jugo enriquecido con 2% de azúcares añadidos. Este jugo se lleva a la sección de empacado.
