balance de materia y energia - semana 4
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Balance de Materia y Energia - Semana 4TRANSCRIPT
CICLO 2014-I Módulo: IIUnidad: II I Semana: 4
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
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
2
sistemaelen
acumuladaEnergía
exterioral
salequeEnergía
exteriordel
entraqueEnergía
mentramsale
Ecuación general de balance
Sistema material sometido a transformaciones
físicas y químicas que transcurren en régimen no
estacionario
nAcumulacióSalidaEntrada (0) Consumo(0) Producción
exterioral
salequeEnergía
exteriordel
entraqueEnergía
en régimen estacionario
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.
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• 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.
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• 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
• 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.
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Q=0
• 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.
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Balance de Energía
Balance de Energía
Junto con los balances de materia son una herramienta
fundamental para el análisis de procesos.
Contabilidad del flujo de energía en un sistema
Determinación de los requerimientos energéticos
de un proceso
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.
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
Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria
Balance de energía
Sistemas donde se pueden aplicar:
- Una planta química completa:
-P. Ej. Una refinería. Complejo síntesis de amoniaco
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)
Sistemas donde se pueden aplicar:
- Un proceso de una planta
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
P2
P1
W
z1
z2
S, S1 y S2 : superficies límites del
sistema ; V: volumen del sistema ;
P1 y P2 : presión en los extremos
del sistema ; V1 y V2 : velocidad
en los extremos del sistema ; z1 y
z2 : posición en los extremos del
sistema ; Q: calor intercambiado
con el medio ; W: Trabajo externo
aportado al sistema (ej. por una
bomba).
Expresión general del balance de energía para un
sistema abierto,
En régimen no estacionario
)()())()(()()()(
222111WsWeQsQesPVePVUEpEcUEpEc
dt
UEpEcd
P2
P1
W
z1
z2
Expresión general del balance de energía para un sistema
abierto,
En estado estacionario
m1= m2
WQsPVePVUEpEcUEpEcdt
UEpEcd
))()(()()(
)(222111
Balance de energía en términos de la entalpía
Considerando que H = U+ PV
h = H / m = u + P/ :
wq)hh()VV(2
1)zz(g 12
21
2212
Cambios de energía: “macroscópica” “ microscópica”
WQHHVVmzzgm )()(2
1)(
12
2
1
2
212
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:
m = masa del cuerpo
v = velocidad del cuerpo
Energía potencial de un sistema material en función
de su posición en el campo gravitatorio:
m = masa del cuerpo
g = aceleración de la gravedad
h = posición del cuerpo
hgmEp
2
2
1vmEc
Energía interna de especies químicas ( U ):
Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la
composición química, temperatura y el estado de
agregación de la materia.
Relacionable con otras propiedades termodinámicas, ENTALPIA
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.
PVHU
PVUH
VdpPdVdHdU
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):
T y P : Parámetros de estado del sistema
SISTEMA
Energía
interna
ALREDEDORES
Intercambio
de energía:
calor y trabajo
Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores
la asociada a la materia que se transfiere.
Con transferencia de materia
Son formas de energía en tránsito, entre el sistema y sus
alrededores.
Trabajo (W), energía en tránsito debido a la acción de una
fuerza mecánica.
W = P(V2 – V1) cuando la P=cte.
Calor(Q): tránsito resultado de la diferencia de
temperaturas entre el sistema y sus alrededores.
Q = ΔU - W
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.
Calor y trabajo
• 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.
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• 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.
29
• 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
• Diagrama de flujo del proceso 30
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 mineralesmetálicos y que designa al mineral del que se extrae elelemento químico de interés (Cu de la calcopirita, Hg delcinabrio, Sn de la casiterita, Au, Ag, que se encuentra enasociación con pirita, arsenopirita entre muchosejemplos posibles). En el caso de los mineralesmetálicos, se requiere un tratamiento de la mena, queen general comprende dos etapas: el tratamientomineralúrgico y el metalúrgico.
• Ganga: Comprende a los minerales que acompañan a lamena, pero que no presentan interés minero-económicoen el momento de la explotación. Ejemplos frecuentesen 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
Embalse o
laguna de las
colas o relaves
Relaves de la planta de
beneficio
Agua de mina, excedente
Precipitación pluvial, aguas
superficiales
Infiltración es en el suelo
Humedad residual de
las colas
Evaporación
Efluente, agua de
recirculación
Diagrama de flujo de un embalse de
relaves o colas
37
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:
IMPLEMENTACIÓN: Ejecución de las
actividades planificadas, posibles cambios en el diseño, capacitación al
personal
INSPECCIÓN :
Realización de auditorías regulares, monitoreo, muestreo, actividades
para establecer la conformidad con los
requerimientos legales mineros, ambientales de
seguridad, etc.
INTERPRETACIÓN: Análisis de los resultados de la etapa anterior con
respecto a los cumplimiento de la
normativa legal, preocupaciones de la
comunidad (retroalimentación)
PLANIFICACIÓN:
Diseño, procedimientos, de construcción,
operación, mantenimiento,
seguridad, monitoreo, planes de contingencia
38
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 de rodillos dentados trituradora primaria de mandíbula o
quijada.
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‐Hill49
• 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, bypass o
circunvalacion 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 fisico-
quimico 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
• Cálculos en procesos con recirculación
• 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
56
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 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):
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• 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:
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• 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:
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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:
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