Mezclado, Secado, Evaporación, Destilación, Cristalización, Filtración PDF

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TRABAJO DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA Alumnos: Julio Caret Urán, Karol Andrea Polo Martínez y Rosman Ramos Martínez. Profesor: Fernando Alonso Mendoza Corvis. Fecha: 24/04/2020. De cada tema deben definir el concepto, clasificación y en un diagrama explicar el proceso (puede ser con un ejemplo, no ejercicio). 1. Mezclado El mezclado es una operación universal en la industria. Las operaciones de mezclado se usan con una gran variedad de propósitos. Entre ellos se encuentra la homogenización de materiales, la transferencia de calor, la dispersión de gases en líquidos, etc. Entre las industrias que emplean ampliamente el mezclado destacan aquellas que manejan materiales viscosos y de reología compleja. Algunas de las más importantes son las industrias de polímeros, de alimentos, de fermentación, farmacéutica y de cosméticos. A pesar de que las operaciones de mezclado se usan rutinariamente en la industria, su manejo es prácticamente empírico, en parte debido a que casi ningún programa curricular de ingeniería aborda la tecnología de mezclado. Se clasifican de la siguiente manera:  Mezcladores de corrientes: en este tipo de mezclador, se introducen los materiales casi siempre por medio de una bomba y la mezcla se produce por interferencia de sus flujos corrientes. Solo se emplean en los sistemas continuos o circulantes para la mezcla completa de fluidos miscibles. Rara vez se usan para mezclar dos fases, cuando se desea una gran intimidad. La palabra "turbulencia" no implica, por necesidad, una mezcla satisfactoria.  Mezclador de Paletas o Brazos: este es, probablemente el tipo más antiguo de mezclador y consiste en esencia en una o varias paletas horizontales, verticales o inclinadas unidas a un eje horizontal, vertical o inclinado que gira axialmente dentro del recipiente (aunque no siempre está centrado con éste). De esta manera el material que se mezcla es empujado o arrastrado alrededor del recipiente siguiendo una trayectoria circular. Cuando se trata de líquidos pocos espesos en recipientes sin placas desviadoras, las paletas imprimen siempre un movimiento de remolino a todo el contenido del recipiente. En todos los casos, el material directamente en la trayectoria de las paletas es empujado más aprisa que el que se encuentra entre ellas. Este hecho tiene gran influencia para cambiar la relación mutua existente entre

las láminas (o estratos) paralelas a las paletas. Sin embargo, una vez realizado este importante paso, las paletas carecen de medios eficaces para producir, en dirección perpendicular a ellas, fuerzas que corten transversalmente esos estratos y que los mezclen uno con otros. Este es su principal defecto. La estratificación se destruye en gran parte instalando en el recipiente placas desviadoras; las paletas pueden trabajar entonces más lentamente, acortándose para que la potencia necesaria sea razonablemente baja. Doblando las paletas se aumenta la circulación axial en un recipiente con placas desviadoras, pero no tiene prácticamente efecto con un líquido de baja viscosidad en uno sin dichas placas.  Mezcladores de Hélices, incluidos algunos de tipo helicoidal: proporcionan un medio poco costoso, sencillo y compacto, para mezclar materiales en un gran número de casos. Su acción mezcladora se deriva de que sus aletas helicoidales al girar empujan constantemente hacia delante, lo que para todos los fines puede considerarse un cilindro continuo de material, aunque el deslizamiento produce corrientes que modifican bastante esta forma cilíndrica. Puesto que la hélice hace que un cilindro de material se mueva en línea recta, es evidente que la forma del recipiente decidirá la disposición subsiguiente de esta corriente. Por esta razón, es particularmente importante en este caso la forma del recipiente y, no obstante, se descuida a menudo este factor. Las hélices son eficaces con los líquidos cuya viscosidad aparente no sea superior a 2000 centipoises, con la presencia de sólidos ligeros o sin ella, aunque pueden utilizarse con viscosidades hasta de 4000 centipoises. Con sólidos con densidad muy diferentes a las de los líquidos, se tropieza con algunas dificultades para impedir la sedimentación, ya que es prácticamente imposible dirigir la corriente producida por la hélice a todas las partes del tanque. La situación de la hélice dentro del tanque influye sobre la naturaleza del a mezcla producida, y los tipos que damos a continuación ilustran sus diversas posiciones.  Mezcladores de Turbina o de impulsor centrífugo se estudia mejor como una o varias bombas centrífugas trabajando en un recipiente casi sin contrapresión el material entra en el impulsor axialmente por su abertura central. Los álabes aceleran el material y lo descargan del impulsor o rodete más o menos tangencialmente a una velocidad bastante elevada. La turbina puede llevar una corona directriz con paletas curvas fijas (difusores) que desvían esas corrientes tangenciales hasta hacerlas radiales. Todo el cambio de dirección de vertical a horizontal y radial se realiza suavemente con la menor pérdida posible de energía cinética, y

en consecuencia, las corrientes radiales llegan aun a gran velocidad a las partes más alejadas del recipiente. Todo el contenido del recipiente se mantiene en movimiento muy vigoroso y perfectamente dirigido.  Mezclador de Tambor es sencillo pero útil. Consiste en un recipiente cilíndrico montado sobre un eje horizontal y que gira con él. Haciendo girar el cilindro o tambor se mezcla el contenido. Se usa mucho para mezclar polvos y hormigón o concreto. No tiene igual para los trabajos que implican dos o tres fases con materiales tan diferentes como piedras, polvos y agua. Existen varias modificaciones de este tipo. A veces el tambor está montado sobre el eje oblicuamente, para que el impulso irregular acelere y facilite la mezcla. Otras veces, como sucede en el mezclador de hormigón, se construye con placas desviadoras, rascadores o aradores internos que desvían el contenido hacia la salida. En otras variantes gira el recipiente en un sentido y unas aletas interiores en el opuesto. Una modificación empleada, por ejemplo, en la mezcla del fieltro de pelo tiene aletas desviadoras longitudinales. Poniendo las aletas desviadoras en discos perpendiculares el eje que dividan al tambor en varios compartimientos, puede adaptarse este tipo para funcionamiento continuo. Por otro lado, también encontramos algunos de tipo diverso, como los siguientes en mención:  El molino coloidal se usa cuando es necesario producir dispersiones sumamente finas. Casi todos los molinos coloidales se basan en el mismo principio, aunque pueden diferir en los detalles de su construcción. El rotor puede tener ranuras o no tenerlas y ser o no cónico. El material se somete a un intenso esfuerzo cortante y a una vigorosa fuerza centrífuga, y esta combinación produce excelentes dispersiones. De ordinario se mezcla el material previamente en un mezclador ordinario y luego se perfecciona esta dispersión tosca pasándolo por el molino. Debido a la carga eléctrica comunicada a las partículas y al exiguo tamaño a que se reduce éstas, es posible de hacer de ordinario emulsiones con muy poco estabilizador. Los pigmentos pueden dispersarse en aceites con el tamaño inicial de las partículas molidas, pero es dudoso que en el aparato tenga lugar una molienda efectiva. Los molinos coloidales tienen la ventaja de trabajar con circulación continua, pero con los inconvenientes de su elevado costo inicial su alto consumo de energía y de calentar el material. Hasta la fecha no ha podido reemplazársele para algunos tipos de trabajos en los que es posible obtener un grado de dispersión máximo.

 El Homogeneizador puede describirse como una bomba positiva de alta presión en la que ésta se descarga radialmente pasando por un disco o válvula fuertemente oprimido contra el extremo de la tubería de descarga por medio de un resorte. La homogeneización se realiza a menudo a presiones de 70 kg/cm² y más elevadas. Con algunos productos se obtiene una mayor división haciendo pasar el material por una segunda válvula en serie con la primera. Las válvulas se construyen por lo general de ágata, pero en la actualidad se manifiesta preferencia por el empleo de metales muy duros y no corrosivos, como el Hastelloy o los aceros al cromo níquel. El homogeneizador se usa para dividir las grasas en las mezclas destinadas a la fabricación de helados, en la leche evaporada y otros productos alimenticios, y también para la fabricación de emulsiones. No puede utilizarse con materiales que produzcan un efecto abrasivo.  Votator: este tipo se emplea hoy mucho cuando se necesita una rápida transmisión de calor, además de un producto acabado suave, corrientemente de alta consistencia, como en la parafina, manteca de cerdo, helados, esta máquina de construcción precisa consiste en un tubo con camisa, dentro del cual gira a gran velocidad un eje con rastrillos. El diámetro del eje es de alrededor de tres cuartos el del tubo, quedando entre los dos solamente un estrecho espacio anular. El espacio entre el tubo y su camisa también es estrecho para conseguir una gran velocidad del medio refrigerante o calentador. Debido a la extraordinariamente buena eliminación de la película y a las altas velocidades tanto en el interior, como en el exterior del tubo, el votator consigue los más altos coeficientes de transmisión del calor que se conocen en el tratamiento de materiales de consistencia elevada.  Mezclador de conos giratorios Este tipo consiste, de ordinario, en uno o más conos truncados huecos que giran alrededor de su eje. Los conos llevan unidas a su superficie interior, en toda su altura, estrechas aletas verticales. Cuando se necesita más vigoroso flujo o deslizamiento radial, o cortadura, las aletas sobresalen de las bases mayores de los conos. La posición de éstos puede ser con la base mayor hacia abajo o a la inversa. Este tipo es más útil para agitar materiales de alta viscosidad o consistencia aparente, especialmente en los que exhiben seudo plasticidad o tixotropía, debido a que el material es realmente transportado en una distancia apreciable y manteniendo bajo esfuerzo cortante directo durante prolongado tiempo mientras recorre desde la parte superior a la inferior de los conos.

Diagrama

Figura 1. 2. Evaporación La evaporación es una operación unitaria consistente en la separación de una mezcla líquida, generando a partir de la misma, por ebullición, un vapor integrado por los componentes más volátiles de aquélla. Se utiliza para concentrar disoluciones obteniéndose vapor del disolvente. Es una operación muy empleada en diversas industrias, bien sea para aprovechar la disolución concentrada (por ejemplo, la concentración de la leche), o para aprovechar el vapor del disolvente (por ejemplo, la obtención de agua desalinizada por ebullición del agua del mar y posterior condensación del vapor de agua). Normalmente se disponen varios evaporadores combinados, en los que se emplea el vapor generado en un evaporador como medio de calefacción del siguiente (se denominan evaporadores de múltiple efecto). Se clasifica en:  Evaporadores de efecto simple: Este tipo de evaporadores consiste en un intercambiador de calor capaz de hervir una solución y mediante un dispositivo separar la fase vapor del líquido de ebullición. Este tipo de equipos se utiliza mayormente en la industria de alimentos, ya sea para obtener mayores concentraciones de un producto o destilaciones del líquido. En este tipo de evaporadores el líquido que se va a

concentrar se suministra por la parte inferior de la calandria con una temperatura de 5 – 10 °C por debajo de la temperatura de ebullición.  Evaporadores de efecto múltiple con alimentación hacia adelante: En este tipo de operación, el primer efecto opera a una temperatura suficientemente alta como para que el agua que se evapora sirva como medio de calentamiento del segundo efecto, como resultado se tiene un aumento en la economía del vapor de agua. En esta operación, la alimentación se introduce en el primer efecto y fluye hacia el siguiente en el mismo sentido del vapor.  Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en retroceso En este caso, la alimentación entra al último efecto, que es el más frío, y continua hacia atrás hasta que el producto concentrado sale por el primer efecto. Este método de alimentación en retroceso tiene ventajas cuando la alimentación es fría, pues la cantidad de líquido que debe calentarse a temperaturas más altas en el segundo y primer efecto es más pequeña. Sin embargo, es necesario usar bombas en cada efecto, dado que el flujo va de baja a alta presión.  Evaporadores de efecto múltiple con alimentación en paralelo Cuando el alimento entra simultáneamente a todos los efectos y el líquido concentrado se une en una sola corriente. Sistema utilizado en la concentración de disoluciones de sal común, donde los cristales depositados hacen que resulte difícil la disposición de la alimentación directa. Diagrama

Figura 2. En este diagrama, la alimentación entra a TF y en la sección de intercambio de calor entra vapor saturado a Ts. El vapor condensado sale en forma de pequeños chorros. Puesto que se supone que la solución del evaporador está completamente mezclada, el producto concentrado y la solución del evaporador tienen la misma composición y temperatura T1, que corresponde al punto de ebullición de la solución. La temperatura del vapor también es T1, dado que se encuentra en

equilibrio con la solución en ebullición. La presión es Pt, la cual es la presión de vapor de la solución a T1. 3. Destilación Es utilizada para la separación por vaporización de componentes de una solución que se obtiene por la diferencia de volatilidad de los componentes en el cual consta de una estructura cerrada donde ocurre la separación física de un fluido en dos o más fracciones y para esto la presión y temperatura tienen que ser las ideales a largo de la columna para lograr la separación de las dos fracciones o más que se encuentran en estados diferentes, entonces las fracciones cuyo peso sea elevado (liquidas) bajan por acción de la gravedad y las fracciones más livianas (gaseosas) se dirigen hacia arriba y se consensan. Esto permite una transferencia de la parte gaseosa del líquido que baja con la parte gaseosa que sube y de igual manera de la parte liquida que pueda arrastras la fracción gaseosa que sube al líquido que baja. Para lograr todo esto se maximiza la superficie de contacto entre las sustancias y para esto existen dos estructuras diferentes que están presentes en las columnas de destilación. Estas estructuras son la de platos o bandeja y la estructura de empaques.  Estructura de platos: consta de una serie de platos a lo largo de la estructura tal y como se aprecia en la figura 3 los orificios por donde baja el líquido van alterándose de un lado al otro hasta llegar a la parte de abajo y como se había dicho el gas se desplaza en sentido contrario a través de unos ductos en los cuales hace contacto directo con el líquido realizándose la transferencia. Diagrama

Figura 3.

 Estructura de empaques: compuesto por un agregado de pequeños elementos de empaque que pueden ser metálicos, cerámicos o plásticos y que se acumulan en una región de la torre donde cumplen la función de maximizar el contacto entre el líquido que baja y el gas que sube. Las zonas empacadas se usan preferentemente en procesos de destilación al vacío donde se requieren bajas diferencias de presión. Esta acumulación de las pequeñas estructuras en la zona de empaque puede ser ordenada o desordenada dependiendo de la función que deba cumplir. Actualmente el aparato destilador está compuesto por tres equipos, un generador de vapor, calderín, la columna de platos o empacada y un condensador. En este proceso se lleva una serie de evaporaciones y condensaciones el cual se lleva a cabo en los platos de la columna de destilación. El líquido de cada etapa fluye hacia abajo por gravedad mientras el gas fluye hacia arriba y en cada etapa hay una mezcla liquido-vapor donde ocurre una transferencia, pero la fase vapor presenta una resistencia por lo que se han diseñado aparatos que logran hacer burbujear al gas dentro del líquido para lograr una mayor superficie de transferencia. Diagrama

Figura 4. Diagrama esquemático de la columna de destilación. 4. Secado

El secado es una operación en la cual se elimina parcial o totalmente, por evaporación, el agua de un sólido o un líquido. El producto final es siempre sólido lo cual diferencia el secado de la evaporación. En esta última, aunque hay eliminación de agua, se parte siempre de un líquido para obtener un concentrado líquido. Aun cuando el objetivo principal no sea secar un alimento, el secado puede producirse cuando se efectúan otras operaciones de tratamiento o conservación. Se clasifica en:  Secado por ebullición: Cuando la presión de vapor del agua pura es igual a la presión barométrica local, el agua hierve y se evapora. A una presión absoluta de 101.3 kPa el agua pura hierve a 100 °C. Cuando se disuelven solutos en el agua, la presión de vapor de la solución resultante es inferior a la del agua pura y por lo tanto su punto de ebullición es superior al del agua pura para una misma presión barométrica. La descripción cuantitativa de este fenómeno está dada por la Ley de Raoult “La presión de vapor de un componente en una solución es igual a la fracción mol de aquel componente por su presión de vapor cuando está puro”  Secado por arrastre: En el exterior del alimento cuando un alimento húmedo se pone en contacto con una corriente de aire, o de cualquier otro gas, suficientemente caliente y seco, se establece espontáneamente entre ellos una diferencia de temperatura y una diferencia de presión parcial de agua. Como resultado: Transferencia simultánea de calor y masa entre el gas y el alimento. La transferencia de calor ocurre desde el aire hacia el alimento ya que la temperatura del alimento es inferior a la del aire. El mayor contenido de humedad en el alimento hace que la presión parcial de agua en él sea mayor que en el aire. Como resultado: Transferencia de masa desde el alimento hacia el aire. El aire es a la vez fluido de calentamiento y medio de arrastre del agua evaporada del alimento. En el interior del alimento. Conforme el alimento pierde humedad se establecen en su interior diferencias de concentración. Como resultado: Transferencia de humedad hacia su superficie. Entonces existen dos mecanismos de transferencia de masa. Convección: Entre la superficie del alimento y la corriente de aire. Difusión: Desde el interior del alimento hacia su superficie.

Diagrama

Figura 5. 5. Cristalización Método que consiste en la producción de un sólido a partir de una fase homogénea y se destaca por combinar dos procesos en uno solo como lo es la purificación y la combinación de partículas. La cristalización se puede clasificar según el método empleado, ya sea por evaporación, por enfriamiento y por combinación de las dos. También se puede clasificar según el contacto de los cristales y el líquido sobresaturado, los cuales pueden ser cuando no hay contacto de líquido circundante y cuando hay contacto de magna circundante. Los tipos de cristalizadores pueden ser de tanques, evaporación, al vacío y de tubo de aspiracióndeflector. Se cristaliza: a) Por fusión. Así el azufre fundido en un crisol, dejado enfriar y rompiendo la costra, al verter el contenido, aparecen en las paredes agujas cristalinas. b) Por disolución. En sustancias cuya solubilidad varía con la temperatura. c) Por sublimación. En sustancias que pasan directamente del estado sólido al de vapor por calentamiento.

Figura 6. Esquema de un proceso de cristalización. El mecanismo de cristalización comprende dos etapas:  La nucleación: que se define como la creación de partículas sólidas cristalinas estables dentro de una disolución sobresaturada.  Mecanismo de cristales: que se produce por incorporación de especies disueltas alrededor de los núcleos cristalinos y es difícil de modelar debido a su complejidad según la teoría es necesario de alcanzar grados de saturación elevados para vencer la tensión superficial

Figura 7. Esquema completo de un p...