REPORTE DE PROCESOS POR MEMBRANAS Y LO QUE INVOLUCRA UNA FASE SOLIDA

REPORTE DE PROCESOS POR MEMBRANAS Y LO QUE INVOLUCRA UNA FASE SOLIDAAlumna: Lpez Barn Elena Berenice

Practica 1 INTRODUCCION

El azcar se consume en todo el mundo, puesto que es una de las principales fuentes de caloras en las dietas de todos los pases. El azcar puede obtenerse principalmente de caa de azcar y la remolacha azucarera. Para su obtencin se requiere de un largo proceso, desde que la semilla de caa germina hasta que el azcar se comercializa.Un proceso en micro escala, desarrollado en el Laboratorio con ideas bsicas y sencillas sobre obtencin de azcar a partir de la caa, es el siguiente:Comparando ste sencillo proceso con lo que ocurre en un ingenio azucarero, encontramos similitudes y diferencias, como las siguientes:Elena LpezLa primer diferencia entre un proceso sencillo que podra desarrollarse incluso en casa, sera la obtencin de la materia prima, que es la caa de azcar. En un caso sencillo, obtenemos caa de mercados, tiendas, etc. Detrs de una simple caa, hay todo un mundo.

Campo y CosechaLa preparacin del terreno requiere por lo menos:-Destruir las malezas y/o residuos de cosechas anteriores.-Romper y descompactar el suelo para facilitar la penetracin de agua y races.-Mejorar la estructura del suelo-Proveer un adecuado lechoAunque la caa de azcar es un cultivo poco exigente en cuanto a suelos pues se ha cultivado econmicamente tanto en suelos muy pesador o arcilloso, como en muy ligeros o arenosos.Tambin, por sus ventajas, se llevan a cabo las labores de labranza, que requieren de las etapas de Aradura, Rastreo, Nivelacin, Subsolado y Surcado.

Durante la etapa de siembra no se deben escatimar en gastos y/o esfuerzos ya que una buena germinacin determina la produccin y rentabilidad de la explotacin durante varios aos en que transcurre una siembra y otra en el mismo terreno.El periodo de crecimiento se extiende aproximadamente los 9 meses de edad del cultivo (5-6 mm por da). Despus de esto, se inicia el periodo de preparacin del cultivo para la cosecha. Aproximadamente, con la planta madura, en 12 y 14 meses despus de la siembra, las personas encargadas del rea de cosecha se disponen a cortarla y recogerla a travs del alce mecnica y llevarla hacia los patios de caa y de los ingenios. El caaveral se quema antes, y los tallos se cortan al ras del suelo, el fuego alcanza altas temperaturas pero es de corta duracin, se quema rpidamente y cuando ha terminado solo permanecen los tallos.La cosecha se realiza de dos formas: Mecnica y Manual. En la primera se utiliza mucha mano de obra, ya que la caa se tumba con machete, por lo que es bueno para la econmica de la regin. Comparando, la cosecha mecnica es ms eficiente y rpida, pero no emplea tantas personas, adems el suelo debe estar nivelado para que trabajen las mquinas. En cualquier caso, la caa se va cargando a los cambiones para transportarlas hacia los ingenios.

Recepcin y Preparacin de la Caa

La caa que llega del campo se muestrea para determinar las caractersticas de calidad necesarias (contenido de sacarosa, fibra, nivel de impurezas, etc.). En un proceso artesanal es diferente, esto no se puede llevar a cabo (por los equipos) o no se considera necesario llevar a cabo.

En el Ingenio se reciben los camiones cargados de caa en el rea de proceso llamada Batey, donde se descarga la caa en mesas donde a su vez ser primero pesada( es importante para calcular la cantidad de materia prima para proceso disponible y suponer los costos, precios e informacin econmica necesaria) y luego transportada hacia un sistema de cuchillas accionadas por turbinas, que cortan los tallos a un tamao ms uniforme y conveniente para tratar en el proceso, la diferencia es que en un proceso artesanal no se utilizan las cuchillas, sino simplemente machetes o cuchillos.

En una operacin sencilla, la caa pasa por unas prensas de donde se extrae el jugo de la caa. En un proceso industrial, sucede lo mismo, pero antes de llegar a los molinos existe un equipo llamado Chute en donde se le quita manualmente basura que pudiera contener y adems se ordena la caa de manera que pase ms rpidamente por los molinos. Para obtener una mayor cantidad de jugo tambin hay una diferencia esencial: hay un tndem de molinos (de 4 a 5) que cuentan con turbinas que les conceden una presin ms elevada que la que se pudiera obtener manualmente, en donde el jugo del primer molino es llamado jugo de maceracin, y los que salen de los dems molinos son los jugos de mezcla. En el recorrido de la caa por los siguientes molinos al primero, se agrega agua, generalmente caliente (Agua de imbibicin), para extraer al mximo la cantidad de sacarosa que contiene el material fibroso. Extraccin/Maceracin

En la operacin anterior, se extrae todo el jugo de caa que es posible hasta que la fibra queda seca. Comparndolo con la curva de secado, el jugo que se encuentra superficialmente en la fibra de caa es el que se obtiene ms rpido, y posteriormente el jugo que se encuentra dentro se obtiene primero a una velocidad considerable y despus se vuelve ms lento el proceso y por eso nos ayudamos de agua caliente (cambio de concentraciones) para que se obtenga todo el jugo que es posible. El resultado, es el llamado bagazo, una fibra celulsica.

Bagazo

En algunos ingenios azucareros, parte de ese bagazo es utilizado dentro del proceso como combustible. Despus de salir de molinos, es transportado hacia calderas en donde funciona como biomasa.Si es que as lo requiere el ingenio, tambin puede ser vendido a distintas empresas, por ejemplo a otros ingenios donde se necesite como biomasa; hasta la industria papelera que tambin lo utiliza como materia prima debido a su composicin celulsica que ayuda a la composicin de la fibra larga y corta para la formacin de las hojas.Este uso del material de desecho es benfico econmicamente pues hace costeable el proceso. Esencialmente en el proceso que trazamos en el laboratorio, no tomamos en cuenta la reutilizacin de los desechos, y quiz el bagazo que se obtiene no tiene las caractersticas requeridas, ya que no est tan seco al solo pasar por un molino a diferencia de pasar por el tndem.

Industrialmente lo que sigue a la extraccin del jugo, es el calentamiento, utilizando vapor, a diferencia de lo planteado en Laboratorio puesto que disponemos del equipo necesario en fbrica (Intercambiadores de calor). El calentamiento se plantea antes de la operacin de clarificacin, a diferencia del esquema visto en Laboratorio, en donde no se toma en cuenta ste primer calentamiento.El principio es el mismo, el jugo entra a una temperatura ambiente para luego salir ligeramente calentado a una temperatura en la que no pierda sus propiedades o se desnaturalice. Debido a este hecho, los operadores en esta parte del proceso se encargan sobre todo de controlar la presin del vapor que entrega calderas, para que no se caliente demasiado o se caliente muy poco.Tambin antes de pasar propiamente a clarificar el jugo, ste se pesa en bsculas con celdas de carga para saber la cantidad de jugo sacaroso que entra en la fbrica. Lo que es escencial en un proceso industrial, porque de sta forma el ingeniero puede hacer los clculos pertinentes de eficiencia y rendimiento del producto deseado (azcar), y tambin un aproximado de los costos y el dinero que se especula obtener. Calentamiento

Clarificacin/Sedimentacin

El carcter del jugo que proviene de la molienda, se trata con cal para alcalinizarlo, con el objetivo de minimizar las posibles prdidas de sacarosa. Tambin tiene otro fin, que es precipitar impurezas que vienen en el jugo desde los procesos anteriores. Tambin puede agregarse adems de la cal como agente floculante algn polmero de alto peso molecular. Lo que se observa a continuacin es la separacin de una parte obscura hacia fondos y una parte clara del jugo hacia arriba del tanque clarificador. sta parte del proceso para alcalinizar y para flocular es una diferencia tambin en comparacin con nuestras ideas en el laboratorio, ya que no se haba tomado en cuenta el mtodo para separar impurezas y los qumicos necesarios para ello.

Filtracin

El proceso para separar el jugo de las impurezas, es filtrarlo. Industrialmente, se utilizan unos rodillos cubiertos de malla con un sistema de vaco, entre otras variedades de equipos. Se separan unas tortas de lodo llamadas cachaza y el jugo de la caa, que puede ser recirculado al tanque clarificador o sigue el siguiente paso en el proceso hacia el azcar.El principio del proceso es el mismo, lo que ayuda es el sistema a vaco y las mallas.Otro punto a comparar, es el uso que se le da a las impurezas o cachaza que se obtiene, puesto que se utiliza para su venta al mercado como abono, dando excelentes resultados para distintas plantaciones en campo. El proceso debe ser cuidadoso, ya que si una cantidad mayor que la debida de azcar se estuviera quedando en la cachaza, sera una prdida econmica para la empresa, puesto que se estara perdiendo producto. Por lo que si es un proceso que no cuenta con los equipos quiz no sera tan fcil la obtencin de una cachaza con un porciento de azcar adecuado, ya que adems industrialmente se cuentan con anlisis de Pol (que indican el % de azcar contenido en Cachazas) lo que da un parmetro ms objetivo del estado de los residuos.

La evaporacin como tal es una operacin unitaria que tiene como fin concentrar una solucin. En el proceso azucarero se observa claramente el cumplimiento de ste proceso, ya que mientras va saliendo de un evaporador a otro, la solucin se concentra ms y ms. La diferencia entre los esquemas, precisamente es la cantidad de veces que se evapora y concentra segn el nmero de evaporadores. El jugo claro se recibe en los evaporadores con aproximadamente entre 10 y 12% de slidos solubles y sale una meladura de concentracin aproximada de slidos solubles del 55 al 60%, cumple su objetivo dentro del proceso.El principio en los dos esquemas analizados es el mismo, pero en el proceso industrial se cuenta con el sistema a vaco, en comparacin con el visto en clase. Otra diferencia es la temperatura a la que se lleva a cabo la operacin, por ejemplo en el sistema industrial el jugo entra primero en el preevaporador y se calienta hasta el punto de ebullicin. Al comenzar a ebullir se generan vapores los cuales sirven para calentar el jugo en el siguiente efecto, logrando as un menor punto de ebullicin en cada evaporador.Analizando, la evaporacin es una operacin parecida y con los mismos principios que el secado, sin embargo se utiliza para retirar cantidades ms grandes de lquido, lo que se observa con claridad tan solo con notar el estado fsico de la solucin que entra al evaporador en comparacin a la que sale; y adems como ya se explic se trabaja a temperaturas de ebullicin de la solucin a diferencia del secadoEvaporacin

La operacin unitaria siguiente es la cristalizacin, se lleva a cabo en unos equipos conocidos como Tachos, que son un tipo de evaporador al vacio de un solo efecto con la capacidad de contener liquidos viscosos. La meladura que est en los contenedores es transportada por ese vacio hacia los tachos.La operacin tiene un funcionamiento parecido a una cristalizacin simple, como la planteada en clase, sin embargo industrialmente se tiene un equipo ms eficaz para obtener el grano y adems al principio el agua que se alimenta a los tachos cumple con la funcin de mezclar la meladura y la miel proveniente de los dems tachos, entrando ligeramente caliente, para que, debido a las condiciones que provoque el vaco, la mezcla no sea muy viscosa e intratable. La segunda funcin del agua, ahora fra, es para lavados de la mezcla dentro del tacho.

Cristalizacin

El proceso dentro de los tachos consiste en hacer crecer el grano de la templa de A en los tachos de A por medio de pies, es decir de soluciones de meladura con agua y la semilla de B y a veces de C, que van creciendo gradualmente para enriquecer al grano, sin dejar que se caramelice o que sea muy pobre, es decir muy pequeo. De los tachos de A sale una templa o masa, que contiene los cristales y adems miel, los cuales son separados en las centrifugas, de donde sale el azcar hmedo como tal, y adems miel de A, que se dirige a unos tanques contenedores en donde vuelve a ser utilizada, esta vez para alimentar a los tachos de B.En los tachos de B y de C sucede un proceso similar, la diferencia es que son alimentados por miel de A, y semilla de C, y a veces meladura cuando se tiene una riqueza muy pobre.Es importante mencionar que ninguna de las mieles se desperdicia, por ejemplo las templas que no son destinadas al proceso de azcar, como la B o la C adems de enriquecer continuamente sirven para hacer piloncillo u otros dulces; incluso la miel considerada ms amarga sirve en el proceso de obtencin de alcohol. Lo que hace tan rentable al proceso es precisamente que sus residuos no se desperdician y que se les gana cierto valor econmico.Como se observa, una diferencia importante es el uso continuo de las templas para enriquecer al grano hasta un tamao adecuado, que en el caso de la sencilla idea plasmada de cristalizacin en clase, dara un menor rendimiento

Centrifugacin

Al obtenerse distintos templas provenientes de los tachos, se encuentran equipos cuya funcin es separar el grano de la solucin madre que pueda contener, los cuales podran ser simples filtros como el caso planteado en clase, o tambin algo mucho ms especializado, por ejemplo las centrifugas que son equipos con tambores rotatorios que contienen mallas interiores. Por tanto, por efecto de gravedad y alta velocidad, los slidos dispersos en la mezcla que son de mayor densidad, se sedimentan, y los de menor densidad son desplazados, en este caso por medio de una malla en la centrifugadora, hacia los tanques de miel, ocasionando con esto la reutilizacin de la miel hasta agotarla a una miel final, lo que hace un proceso ms eficiente en comparacin con un proceso artesanal.Los granos dentro de la centrifugadora estn hmedos, ya que el agua est absorbida dentro de ste y a su vez adsorbido sobre su superficie.

Secado

El ltimo paso de nuestro proceso es cuando el secador entra en accin, dependido de cada ingenio azucarero pueden estar funcionando para sus necesidades los diferentes tipos de secadores, por ejemplo el rotatorio, uno de los ms comunes que seca a contacto directo con aire caliente. Un aspecto importante a considerar, es precisamente el diseo de cada tipo de secador, por ejemplo deben de contener una especificacin de la cantidad de humedad que son capaces de tratar, ya que de lo contrario si se meten en el secador los granos con una cantidad mayor a la recomendada se forman cmulos de azcar.Relacionando lo que ocurre en el secador, primero se elimina el agua que se encuentra en la superficie del grano, se volatiliza al contacto con la temperatura del aire caliente, esto ocurre rpidamente, hasta que en cierto momento el agua en la superficie se evapora y empieza a ser reemplazada por la humedad interior del slido y por tanto disminuye la velocidad de secado. Ahora el lquido an contenido dentro del grano empieza a salir poco a poco por medio de la capilaridad que consigue entre los intersticios del poro, y llega un punto en que la velocidad llega a ser constante porque la humedad se mueve hacia la superficie y en ese momento se evapora. Evidentemente mientras ms contenido de humedad salga, tambin ms lenta se vuelve la velocidad de secado, porque queda muy poco de la misma. Cuando se termina de suministrar el aire caliente al azcar, se tiene tambin un periodo de enfriamiento gradual donde hay todava partes secas y partes hmedas que sin embargo se siguen secando con el contacto con el aire atmosfrico (a una velocidad critica), hasta que finalmente se llega a un punto de equilibrio, y la transferencia de humedad interna se detiene.

Cuando el grano est seco, se empaqueta y de esa manera se obtiene el producto deseado: Azcar.

Presin de Vapor

El aire atmosferico se puede considerar como una mezcla de aire seco ( con cero contenido de humedad)y vapor de agua(conocido tambin como humedad), mientras que la presin atmosfrica es la suma de la presin del aire seco y la presin del vapor de agua, llamada presin de vapor.La presin de vapor constituye una fraccin pequea de la presin atmosfrica (3 %). Sin embargo la cantidad de vapor de agua contenida en el aire tiene un impacto importante en operaciones como el secado.La presin de vapor del aire saturado a una determinada temperatura es igual a la presin de saturacin de agua a esa temperatura.La presin de vapor se relaciona con la humedad relativa y con la cantidad de humedad en el aire:

La cantidad de humedad que el aire es capaz de retener es proporcional a la presin de saturacin, la cual aumenta con la temperatura, por tanto el aire retiene ms humedad a altas temperaturas. El descenso de temperatura del aire hmedo reduce su capacidad de retener humedad y es posible que algo de sta se condense en forma de gotitas de agua suspendida, o como pelcula liquida en superficie fra.Si la presin de vapor en el aire es menor que la de saturacin del agua a la temperatura de esta sustancia, algo del lquido se evaporar. Mientras mayor sea la diferencia entre las presiones de vapor y de saturacin., mayor ser la taza de evaporacin, la cual tendr un efecto de enfriamiento sobre el agua, y por tanto reducir su temperatura. Esto hace pensar que es posible incrementar la tasa de evaporacin del agua al aumentar la temperatura, y en consecuencia de presin de saturacin.

Caracterizacin del NiSO4

El sulfato de nquel, como otras muchas sales, contiene agua de hidratacin. El agua de hidratacin est en forma de molculas de agua que se sitan como tales en la estructura cristalina de la sal y que rebajan su energa global.Ya que el agua, al ser una molcula pequea y con una gran capacidad de formacin de puentes de hidrgeno, puede fcilmente formar parte de la estructura cristalina del principio activo, aportando incluso cierta estabilidad adicional.

Al aumentar la hidratacin del NiSO4, desde anhidro hasta heptahidratado, aumenta la presin de vapor, por tanto se van igualando las presiones de aire y de vapor y la taza de vaporizacin va disminuyendo, por lo que es ms difcil evaporar a una sal ms hidratada.

Tipos de Secadores

Segn el tipo de slidos a manejar en los secadores, se recomienda:Slidos granulados, cristalinos o fibrososSlidos grandes, formas y contornos especiales

Tipo de SecadorMayores que malla 100, ejemplo fibras de rayn, cristales de sales, arena, minerales, tiras de papa y hule sinttico.Ejemplos: Alfarera, Ladrillos, tortas de rayn, casquillos de escopeta, sombreros, objetos pintados, madejas de rayn y madera.

Por congelacin al vaco (indirecto, operacin directa y operacin discontinua)Productos farmacuticos y relacionados, difciles de secar por otros medios. Aplicable a compuestos qumicos finos.

De artesa (tipo indirecto, operacin discontinua)Apropiado para lotes pequeos. Se agita el material durante el secado, generando degradacin.No es aplicable

Rotatorio al vaco (tipo indirecto, operacin discontinua)Lotes grandes de materiales sensibles al calor o cuando se deban recuperar los disolventes. El producto se somete a cierto de grado de trituracin. Necesita colectores de polvo.No es aplicable

Rotatorio indirecto y transportador de tornillo (tipo indirecto, operacin continua)Pocas pedidas de polvo. El material no debe adherirse ni ser sensible a la temperatura.No es aplicable.

Lechos fluidos (discontinuo, continuo, directo e indirecto)Cristales, grnulos y fibras cortas.No es aplicable.

Bandejas vibratorias (indirecto, operacin continua)Materiales de movimiento libre que se pueden transportar en una bandeja vibratoria.No es aplicable.

De tambor (tipo indirecto, operacin continua)No es aplicable.No es aplicable.

De cilindro (tipo indirecto, operacin continua)No es aplicable.No es aplicable.

Continuo de circulacin directa (tipo directo, operacin continua)No es aplicable a tamaos de malla 30. El material no se somete a volteo (excepto en el secador Roto-Louvre).Objetos ms pequeos que se pueden cargar uno sobre otro (Roto Louvre no es apropiado)

Rotatorio directo (tipo directo, operacin continua)La mayora de los materiales y las capacidades. La abrasin de polvo o cristales reduce su utilidad.No es aplicable.

De transportador neumtico (tipo directo, operacin continua)Apropiado para materiales que se suspenden fcilmente en una corriente de gas. Apropiado para grandes capacidades, aunque puede ser que el producto sufra cierta degradacin fsica.No es aplicable.

De Roco (tipo directo, operacin continua)No es aplicable.No es aplicable.

Infrarrojo (operacin continua y discontinua)Apropiado sobre todo para secar la humedad superficial. No es adecuado para capas gruesasApropiado para secar y hornear pinturas y esmaltes.

Dielctrico (operacin continua y discontinua)Muy costoso.Secado rpido de objetos grandes.

De bandejas y compartimientos (tipo directo, operacin discontinua)Apropiado para operaciones discontinuas, no recomendado para grandes capacidades. Tiempos de secado prolongados.

Discontinuo de circulacin directa(tipo directo, operacin discontinua)No es apropiado para materiales mas pequeos que malla 30. Adecuado a capacidades reducidas y operaciones por lotes.til para objetos pequeos.

De tnel. Continuo de bandejas (tipo directo, operacin continua)Esencialmente a gran escala, secado semicontinuo en bandejas.Amplia variedad de formas y contornos. Uso muy difundido.

En laminas o capas continas de material (tipo directo, operacin continua)No es aplicableNo es aplicable

De parrillas al vaco (tipo indirecto, operacin discontinua)Apropiado en operaciones discontinuas y capacidades reducidas. Materiales sensibles al calor o fcilmente oxidables.Slido granulados.