Laboratorio N 1 Tipo de entrega (Pre-Informe)

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Índice

Índice        1

Índice de Figuras        1

Sección Conceptual        2

Pregunta A.        2

Pregunta B.        2

Pregunta C.        3

Pregunta D.        3

Sección Pregunta        6

Enunciado.        6

Solución.        7

Referencias        14

Índice de Figuras

Figura 1. Diagrama sistema HT33 y HT34        3

Figura 2. Esquema del digestor        7

Figura 3. Gráfica de Entalpía, porcentaje en peso y Temperatura, para determinación de temperatura de dilución (adaptada de Perry, 2001)        10

Figura 4. Gráfica de Entalpía, porcentaje en peso y Temperatura, para determinación de diferencia de entalpías (adaptada de Perry, 2001)        11

Sección Conceptual

Pregunta A.

Explique con sus propias palabras que el calor de reacción, calor de dilución y calor de disolución. Identifique las diferencias entre los últimos términos.

• Calor de Reacción: Es el calor que produce una reacción química, o la energía necesaria para llevar a cabo una reacción, dependiendo si el comportamiento de la reacción es exotérmico o endotérmico respectivamente. Puede ser obtenido mediante el cálculo teórico de las entalpías de formación.

• Calor de Dilución: Es el calor absorbido o liberado al agregar mayor cantidad de solvente a una solución previamente creada con el fin de disminuir la concentración de esta.

• Calor de Disolución: Es el calor absorbido o liberado al realizar la mezcla de un soluto con un solvente para crear una solución.

La mayor diferencia entre estos es que el calor de disolución depende de la cantidad de soluto y solvente necesarios para crear una solución, mientras el calor de dilución depende de la concentración que posea la solución que se quiere diluir.

Pregunta B.        

Defina qué es el servicio, explique 3 criterios importantes para su selección. Con respecto al agua, ¿para qué rangos de temperatura es posible utilizarlo? ¿Tiene algún límite de operación en cuánto a temperatura y pH? (en caso de ser afirmativo, nombre cuál es).

En un proceso eventualmente hay que realizar cambios, y para lograrlo es necesario el uso de un suministro que logre el objetivo deseado para dicho cambio. El servicio es el suministro que se utiliza para lograrlo.

Para el agua es posible utilizarla de 0 a 50 ºC como máximo, debido a que bajó de 0 ºC el agua se congela y arriba de los 50 ºC comienzan a precipitar los iones del agua, más conocido como el sarro.  Con respecto a los límites de operación, si tiene.  En cuanto a la temperatura, los límites fueron explicados anteriormente, y con respecto al pH, este debe estar en un rango de 6,5 a 8,5. Con un pH bajo 6,5 el agua por tener un comportamiento ácido se vuelve muy corrosiva, por lo que dañaría el medio de transporte del fluido. Con un pH sobre 8,5 al igual que con la temperatura, empieza la precipitación de iones de agua formando sarro e incrustaciones blanquecinas en el medio de transporte.

Pregunta C.

Se requiere enfriar un fluido de un determinado proceso que se encuentra a 80 [°C], hasta una temperatura de 3[°C]. ¿Qué tipo de servicio recomendaría utilizar y por qué? (Máximo media página)

Al tener un fluido a una temperatura de 80 ºC que se requiere enfriar hasta una temperatura de 3 ºC, se tiene que tener en cuenta que la diferencia de temperatura entre el servicio y la deseada debe ser lo más grande que se pueda, para que el enfriamiento sea más rápido. El agua, por ejemplo, la menor temperatura a la cual se puede trabajar es 0 ºC, si se utilizara el agua para enfriar el fluido tomaría mucho tiempo y tendría que hacerse con extrema precisión o se correría el riesgo de que el agua se congelara. Por lo tanto, debe considerarse un servicio con punto de fusión lo más bajo posible, una capacidad calorífica alta como la del agua y que su precio monetario no sea demasiado. Un ejemplo de servicio que cumpla con estas recomendaciones: es el alcohol, debido a que su punto de fusión es de -114 ºC y su capacidad calorífica es de 0,6 Kcal/kg ºC.

Pregunta D.

Realice un balance de materia y energía para el equipo Armfield HT34 y HT33. Mencione sus suposiciones y simplificaciones.

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Figura 1. Diagrama sistema HT33 y HT34

Para equipo HT33:

Se asume un estado estacionario, por lo que:

Balance de materia:

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Balance de energía:

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Asumiendo que Tref es igual a cero:

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Sabiendo que F1 = F2 , T2 > T1 y T3 > T4

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Para equipo HT34:

Se asume un estado estacionario, por lo que:

Balance de materia:

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Balance de energía:

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Asumiendo que Tref es igual a cero:

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Sabiendo que F1 = F3 , T3 > T2 y T5 > T6

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Sección Pregunta

Enunciado.

Se le ha contratado como ingeniero de proceso de una planta de producción de alúmina. El proceso Bayer es el método más utilizado para la producción de alúmina a partir de bauxita y consiste en hacer reaccionar la bauxita con una solución de hidróxido de sodio a alta presión y temperatura. El lugar en el que ocurre la reacción se llama digestor y a él entra una solución 25[M] de NaOH y una tonelada de bauxita cada hora. La solución de NaOH alimentada al digestor es preparada a partir de la dilución de una solución concentrada de NaOH 40[M]. La empresa que lo ha contratado pretende que usted realice los balances de materia y energía en dicho equipo.

Respecto a la materia prima y condiciones de operación:  

• La bauxita a procesar es 100 [%] gibbsita, la reacción requiere que exista un 33 % en exceso de NaOH y tiene un rendimiento del 100 [%].  
• El digestor opera de manera discontinua y es alimentado con 1 tonelada de bauxita cada hora. Además, se sabe que opera a 140 [°C] y 4 [bar].  
• La concentración de la solución de NaOH es 25 [molar].  
• Todos los reactivos están inicialmente a 25 [°C] a excepción de la solución concentrada de NaOH 40 [M] que está a 70 [°C].  
• La densidad de la solución de bauxita e hidróxido de sodio es 1,85 [g/L].  
• La densidad de la solución concentrada de NaOH es 1,590 [g/L]

Se espera que usted como ingeniero realice las siguientes tareas:  

• Realice un esquema del digestor.
• Calcule la masa de solución NaOH 40 [M] y agua que se debe agregar para alcanzar la concentración deseada (NaOH 25 [M]).  
• Calcule la temperatura final de la solución de NaOH y el calor que debe ser agregado o removido para alcanzar la temperatura de operación.  
• Calcule el volumen mínimo del digestor y el calor que debe ser agregado o removido para mantener la temperatura de operación. (Calor de reacción).  
• ¿Qué tipo de desechos o corrientes secundarias libera esta parte del proceso? ¿Qué se debe hacer con estas?

Solución.

El esquena planteado para este proceso es el siguiente:

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Figura 2. Esquema del digestor

Para determinar la masa de solución de NaOH 40M y de agua a agregar para formar una solución de NaOH 25M, se debe realizar los siguientes cálculos:

Se tiene la ecuación de los que pasa dentro del digestor:

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Como se puede observar, se requiere colocar la misma cantidad de moles de gibbsita que de NaOH para que todo reaccione, es decir:

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