FLUJOS DE PROCESO
Variables, diagramas, balances
Introducción
Plantas de procesos químicos
donde
Materias primas sufren cambios
El proceso
Reactores, separadores, Instalaciones de control ambiental, Instalaciones de formulación de producto,equipo de transferencia de material, equipo de transferencia de energía
Variables del Proceso
Moles y Masa
Masa molar
Es la masa en gramos de 1 mol
(6.02214 x 10'23) de átomos o moléculas.
Unidad
[g/gmol]
Ecuación
mi = ni * Mi
i= compuesto ni= moles del compuesto mi=masa de compuesto Mi=Masa molar
Concentación
Es la masa (o moles) de un soluto por volumen de disolución
[M]/[L´3]
[N]/[L´3]
Composición
La fracción masa del compuesto i
Es la masa
de i dividida entre la masa total de la mezcla.
La fracción molar
del compuesto i
En mezcla
Son los moles de i divididos entre los moles totales de la
mezcla
Temperatura T
Es una dimensión básica
Escalas
Absolutas
Kelvin (K) Rankine (°R)
Dentro de las absolutas
Celsius (°C) Fahrenheit (°F)
Presión P
Dimensión [M/Lt2]
La presión manométrica = (presión absoluta) - (presión atmosférica)
Volumen
Dimensión de [L3]
Unidades
Masa
Volumen Específico
[L3/M].
Mol
Volumen Molar
[L3/N]
Densidad p
Densidad específica
[M/L3]
V=m/p=mV´
V=Volumen
V´= Volumen específico
m=Masa
p=Densidad
Calcula a partir de ley del gas ideal
n/v= 1/v´= p=P/RT
T=temperatura Absoluta, R=Constate gas Ideal
Densidad molar
[N/L3]
Velocidades de Flujo
Velocidad del flujo de masa
[M/t]
Velocidad del flujo molar
[N/t]
Velocidad del flujo volumétrico
[L3/t]
Diagramas de Flujo
Entradas-salidas
Más simple
Información ofrecida
Materias primas Reacción estequiométrica
Productos
Características
Un Bloque operaciones físicas y químicas involucradas
en el proceso.
Flechas representan un movimiento
Materias entran por Izq
Productos salen por dcha
Velocidades de flujo o cantidad se pueden mostrar
Bloques
Información
Balances de materia
Principales unidades de proceso
Especificaciones del desempeño de unidades
de proceso Materias primas
Reacción estequiométrica
Productos
Características
Se presenta unidad de proceso
Función del proceso, material presenta cambios físicos y/o químicos
Flechas son corrientes de proceso
Materias entran por Izq
Productos salen por dcha
Velocidades de flujo o cantidad se pueden mostrar
Unidades de Proceso
las cuales son
Mezcladores, reactores, divisores y separadores
Proceso (PFD)
Información
Balances de energía
Condiciones del proceso (T y P)
Especificaciones de equipos de proceso principalesBalances de materia
Principales unidades de proceso
Especificaciones del desempeño de unidades
de proceso Materias primas
Reacción estequiométrica
Productos
Características
Los procesos químicos se representan como un grupo conectado de equipos de
proceso
Piezas con dibujo de manera representativa
Equipo para mover material alrededor
Pieza con número y nombre descriptivo
Servicios auxiliares principales
Las corrientes de gas se enla parte superior, las corrientes líquidas en medio y las corrientes sólidas abajo.
La velocidad de flujo o cantidad, composición, temperatura, presión y/o fase de corrientes de proceso.En una tabla adjunta.
Cálculos de Flujo de Proceso
Definiciones
Base de calculo
Es una cantidad o velocidad de flujo que indica
el tamaño de un proceso
En ocasiones es la cantidad o velocidad de flujo de la materia prima o del producto, pero no siempre se cumple.
Sistemas y corrientes
Es un volumen especificado con límites bien
definidos. Dentro de los límites se define qué material está dentro, fuera y cual está atravesando los límites del sistema.
Las corrientes son entradas y salidas del sistema
Variable de corriente
Describe la cantidad o velocidad de flujo de un material en una corriente.
Variable de sistema
Describe el cambio en una cantidad dentro de un sistema.
Especificaciones
La composición de la corriente
Proporcionan información sobre la composición de una corriente de proceso. Esta información se presenta porcentaje, masa o mol, fracción masa o molar, proporción de masa o molar, o concentración.
Especificaciones del desempeño del sistema
Describen cuantitativamente la magnitud en la cual los cambios físicos y/o químicos ocurren dentro del sistema.
Ecuaciones de balance de materia
Entrada - Salida +Generación - Consumo =Acumulación
-Entrada =materia que entra al sistema cruzando los límites del mismo
-Salida= materia que sale del sistema cruzando los límites del mismo
-Generación= materia que se genera dentro del sistema
-Consumo= materia que se consume dentro del sistema
-Acumulación= cambio en la materia dentro del sistema
Un procedimiento sistemático
10 Pasos fáciles
Trace un diagrama de flujo.
Defina un sistema.
Elija los componentes y defina las variables de corriente para todas las corrientes de materiales que entran y salen del sistema.
Convierta toda la información numérica en unidades congruentes de masa o moles.
Defina una base de cálculo. Escriba una ecuación que describa la base de cálculo en términos de las variables de corriente definidas.
Defina las variables del sistema para la generación, el consumo y la acumulación. Si existen reacciones químicas de estequiometría conocidas, escriba ecuaciones que usen variables del sistema que relacionen la generación de productos con el consumo de reactivos. Si el sistema no está en estado estacionario, defina una variable del sistema para la acumulación.
Enliste todas las especificaciones de las composiciones de las corrientes y del desempeño del sistema. Escriba estas especificaciones en forma de ecuaciones y utilice las variables de las corrientes y del sistema que definió en los pasos 3 y 6.
Escriba las ecuaciones de balance de materia para cada componente que entra o sale del sistema, mediante las variables de las corrientes y del sistema que definió en los pasos 3 y 6.
Resuelva las ecuaciones que escribió en los pasos 5 a 8. De ser necesario, convierta las unidades.
Compruebe sus soluciones.
Análisis de grado de libertad
Cálculos de flujo de proceso con unidades
múltiples de proceso
Es un método sistemático para determinar
si un problema de cálculo de flujos de proceso está completamente especificado
Trace y etiquete un diagrama de flujo
Cuente el número de variables sumando el número de variables de corriente y el número de reacciones químicas
Cuente el número de ecuaciones sumando el número de flujos, la composición de corriente y las especificaciones del desempeño del sistema con el número de ecuaciones de balance de materia.
Calcule el DOF como el número de variables menos el número de ecuaciones. Si DOF 0, el problema está completamente especificado. Si DOF > 0, el problema no está especificado por completo. Si DOF < 0, el problema está sobreespecificado.
Cálculos de flujo de proceso con unidades múltiples de proceso
Los 10 pasos de los cálculos de flujo de proceso todavía se pueden usar, pero tienen dos cambios
Paso 2. Elija el o los sistemas
Paso 8. Escriba las ecuaciones de balance de materia.
Paso 9. Resuelva las ecuaciones.
Síntesis del diagrama de flujo de bloques
Empiece con las reacciones químicas conocidas en la ruta de reacción. Para cada reacción, trace una unidad de proceso del reactor, con todos los reactivos que entran en una corriente de entrada y con todos los productos y subproductos que salen en una corriente de salida.
Agregue mezcladores antes de cada reactor. La salida del mezclador es la entrada al reactor. Las entradas al mezclador son todos los reactivos necesarios, en la forma en que están disponibles
Si las materias primas no son puras y contienen componentes que no se necesitan para la reacción, considere agregar separadores antes de los mezcladores para eliminar dichos componentes innecesarios
Agregue separadores después de los reactores. La entrada al separador es la salida del reactor. Las salidas del separador incluyen el producto deseado, todos los reactivos no reaccionados, y los subproductos
Agregue divisores si la cantidad de una corriente es mayor que la necesaria en las unidades de proceso corriente abajo
Si los reactivos no reaccionados salen del reactor y son separados de las corrientes del producto, agregue un mezclador corriente arriba del reactor, para mezclar estos reactivos reciclados con la alimentación fresca del reactor.