Diagramas de flujo de un equipo del Laboratorio de Operaciones Unitarias
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   DEPARTAMENTO DE INGENIERIA BIOQUIMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA REPORTES DE LABORATORIO TITULOS
ALUMNOS DIAZ VEGA DIANA PEREZ ARIAS JORGE LUIS ARIAS SALAZAR ANDREA ALVAREZ PEREZ VERONICA MARIANA EQUIPO № 1 PROFESOR: David Gerardo Rojas Solís dICIEMBRE deL 2012 1. DIAGRAMAS DE FLUJO DE UN EQUIPO DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS.
Todos los problemas de balance de materia son variaciones a un solo tema: Tomando en cuenta los valores de las variables de los flujos de entrada y salida, calcula el valor de otras variables. La resolución de este tipo de problemas requiere del desarrollo y solución de ecuaciones para las incógnitas de los flujos. La solución de las ecuaciones desarrolladas es usualmente un asunto de álgebra simple, pero su desarrollo a partir de la descripción de un proceso y de una colección de datos del proceso puede presentar dificultades considerables. Por ejemplo, puede no ser obvio lo que se conoce y lo que se necesita a parte del enunciado del problema y no es raro encontrar estudiantes (especialmente en los exámenes) rascándose la cabeza y observando fijamente por largo tiempo un problema que deberían tardar cinco minutos en resolver. Cuando se presenta un descripción de un proceso, y después se te pide algún valor del proceso, es esencial organizar la información que tienes ene forma conveniente para efectuar los cálculos subsecuentes. La mejor forma de hacerlo es dibujar un diagrama de flujo del proceso utilizando cajas y otros símbolos para representar las unidades del proceso (reactores, mezcladores, unidades de separación, etc.) y líneas con flechas para representar las entradas y salidas.  FIG. 1 Diagrama de flujo Se representan TODOS los equipos de proceso junto son su descripción. Cada equipo tiene un número y un nombre. Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir una descripción de las condiciones (temperatura, presión), flujos y composición química, ya sea en el diagrama o una TABLA adjunta. Se deben representar TODAS las corrientes de servicios (vapor, aire, calefacción, etc.) que se alimentan a cada equipo de proceso. Se deben representar los ciclos de control básicos que aseguran la estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación normal.
Diagramas de flujo Cuando se presenta una descripción de un proceso y después se te pide que determines algún valor del proceso, es esencial organizar la información que tienes en forma conveniente para efectuar los cálculos subsecuentes. La mejor manera de hacerlo es dibujar un diagrama de flujo del proceso, utilizando cajas y otros símbolos para representar las unidades del proceso (reactores, mezcladores, unidades de separación, etc.) y líneas con flechas para representar las entradas y las salidas. Cuando se utiliza apropiadamente, el diagrama de flujo de un proceso puede ser de gran ayuda para empezar los cálculos de balance de materia y para continuarlos. El diagrama debe etiquetarse cuando se dibuja la primera vez, escribiendo los valores de las variables conocidas y los símbolos de las incógnitas para cada flujo de entrad y salida. De ahí el diagrama de flujo funciona como un marcador para la resolución del problema: A medida que se determina una incógnita se completa con su valor en el diagrama, de manera que este proporciona un seguimiento continuo del estado de la resolución del problema y de los que aun debe de hacerse. Hay varias sugerencias que se deben de considerar para etiquetar un diagrama de flujo y obtener el mayor beneficio en los cálculos de balance de materia. 1. Escribe los valores y las unidades de todas las variables conocidas de los flujos en las posiciones de éstos sobre el diagrama. Cuando has hecho esto para cada flujo en el diagrama ya tienes un resumen de la información conocida acerca del proceso, donde cada término está asociado convenientemente con la parte del proceso con el que se relaciona. Las variables del flujo de principal interés, el los problemas de balance de materia, son aquellas que indican las cantidad de cada componente que está presente en el flujo (para un proceso intermitente), o la velocidad de flujo de cada componente (para un proceso continuo). Esta información puede proporcionarse de dos formas: como la cantidad total o la velocidad del flujo de la corriente y las fracciones de cada componente, o directamente como la cantidad o la velocidad de flujo cada componente. Una vez que se ha etiquetado un flujo en una dirección, es fácil calcular las cantidades que corresponden a la manera alternativa de etiquetar. 2. Asigna símbolos algebraicos a las incógnitas de los flujos (como Q Kg de disolución/min, x lbm de N2/lbm , n kmol C3H8, etc.) y escribe estos nombres de las variables y sus unidades en el diagrama. Finalmente, tienes que desarrollar y resolver una ecuación para cada incógnita que aparece en el diagrama; de ahí que sea conveniente reducir al mínimo el número de incógnitas etiquetadas. Por ejemplo, cuando se etiquetan las masas o fracciones mol de los componentes de un flujo, se necesita asignar nombres a todas las variables menos una, ya que la última se puede calcular como 1 menos la suma de las otras. Si la masa del flujo 1 es la mitad de la masa del flujo 2, etiqueta las masas de estos flujos como Q y 2Q en lugar de Q1 y Q2. Si se conoce el flujo volumétrico de una corriente, suele ser útil etiquetar la velocidad de flujo másico o molar de esta corriente o calcularla directamente, ya que es normal que los balances no se escriban en función de cantidades volumétricas. Como ya se menciono los diagramas de flujo son herramientas verdaderamente poderosas en la resolución de problemas de balance de materia y aun funciona en proceso tan complejos como la extracción líquido-líquido que es de iteres en este reporte. Operaciones de extracciones líquido-líquido. La extracción líquido-líquido es un proceso para separar componentes en solución por distribución entre dos fases líquidas inmiscibles. Este proceso se conoce también como extracción líquida o extracción con disolvente; sin embargo, este último término puede presentar confusión, porque también se aplica a la lixiviación de una sustancia soluble contenida en un sólido. Ya que la extracción líquida engloba transferencia de masa desde una fase líquida a una segunda fase líquida inmiscible con la anterior, el proceso el proceso puede realizar de varias maneras. Por ejemplo más sencillo involucra la transferencia de un componente de una mezcla binaria a una segunda fase líquida inmiscible. Un ejemplo es la extracción líquido-líquido de una impureza contenida en un agua residual mediante un disolvente orgánico. Ello es similar al agotamiento o a la absorción en la que se transfiere masa de una fase a otra. La transferencia del componente disuelto (soluto) se puede mejorar por la adición de agentes “formadores de complejos” al disolvente de extracción, o en algunos casos se puede utilizar una reacción química para mejorar la transferencia, como por ejemplo el empleo de corriente de hidrocarburos. Un concepto más sofisticado de la extracción líquido-líquido puede utilizarse en un proceso para separar completamente dos solutos. Un disolvente primario de extracción se utiliza para extraer uno de los solutos presentes en una mezcla (en forma similar al agotamiento en la destilación), y un disolvente lavador se utiliza para dejar al extracto libre del segundo soluto (semejante a la rectificación en la destilación). Usos de la extracción líquido-líquido La extracción líquido-líquido se utiliza fundamentalmente cuando la destilación es impracticable o demasiado costosa. La extracción líquido-líquido puede llegar a ser más práctica que la destilación cuando la volatilidad relativa para los dos componentes se encuentra entre 1.0 y 1.2. Asimismo, la extracción líquida para una impureza disuelta en un agua residual puede ser más económica que la destilación, o que la separación con arrastre de vapor, cuando la volatilidad relativa del soluto respecto al agua es menor que 4. En un caso analizado por Robbins, la extracción líquida era más atractiva, desde el punto de vista económico, que la absorción en lechos de carbón activo o de resina como un proceso de pretratamiento para la destoxificación del agua residual antes del tratamiento biológico. En otros casos los componen a separa pueden ser sensibles al calor, como por ejemplo los antibióticos, o relativamente no volátiles como las sales minerales, y entonces las extracción líquido-líquido puede ser el proceso de separación más eficaz desde el punto de vista económico. Sin embargo, el empleo potencial de la destilación debería de evaluarse cuidadosamente antes de considerar la extracción líquido-líquido. Por lo general, un proceso de extracción requiere normalmente: 1) extracción líquido-líquido; 2) recuperación del disolvente, y 3) separación del disolvente en el refinado.  FIG. 2 proceso UDEX Definiciones La alimentación a un proceso de extracción líquido-líquido es la disolución que contiene los componentes a ser separados. El componente líquido principal en la corriente de alimentación se conoce como el disolvente de alimentación. Los componentes menores presentes en la solución se denominan frecuentemente como los solutos. El disolvente de extracción, o simplemente el disolvente, el líquido inmiscible que se agrega al proceso con el propósito de extraer uno varios solutos de la corriente de alimentación. La fase disolvente de extracción que abandona o sale de un contactor líquido-líquido se llama el extracto. El refinado es la fase líquida que queda de la corriente de alimentación después de haber establecido contacto con la segunda fase. El disolvente lavador es el líquido agregado a un proceso de fraccionamiento líquido-líquido para lavar o enriquecer la pureza del soluto en la fase del extracto. Equipos para la extracción líquido-líquido Los equipos empleados para los contactos líquido-líquido generalmente pueden clasificarse en dos categorías: etapa en cascada y contacto continuo (diferencial). Equipos de contactos por etapas (mezcladores-sedimentadores) La funcionalidad de una etapa consiste en contactar los líquidos, permitiendo que tiendan a alcanzar el equilibrio, y de seguido, proceder a la separación mecánica de dichos líquidos. Debido a que estos aparatos tienen como misión el contacto y la separación por decantación de las fases líquidas, también se denominan mezcladores-sedimentadores. Sedimentadores Emulsiones y dispersiones. La mezcla de líquido que sale de un mezclador es una dispersión turbia, que debe de asentar, coalescer y separar en su fases líquidas con objeto de retirarlas como líquidos separados de una etapa. Para que una dispersión “se rompa” en fases separadas se requiere la sedimentación y la coalescencia de las gotas de la fase dispersa. Las dispersiones inestables, por lo general, tienen gotículas de 1 mm o mayores, y se asientan con rapidez. Las dispersiones estables o emulsiones se caracterizan por diámetros de gotículas de un 1μm o menores.
Nuestra primera visita al laboratorio de balance de materia y energía consistió en la identificación del equipo con el que se cuenta. El profesor nos asigno a cada equipo un aparato, teníamos que deducir su funcionalidad las medidas que se podían obtener y posteriormente un diagrama de flujo que permitiera explicar al resto de la clase su función y aplicación en otros campos de experimentación. A nosotros nos toco el quipo de extracción líquido-líquido (un equipo muy complejo), pues lo primero que se nos ocurrió fue observar los componentes con los que contaba el equipo y el cómo estaban conectados los componentes entre ellos, para posteriormente deducir su funcionamiento, el solo nombre ya nos dejaba con una idead de su función pero no estábamos muy seguros y un poco confundidos por la complejidad del aparato. El profesor nos ayudo pues nos facilito un manual de funcionamiento, el problema es que estaba escrito en el idioma inglés pero pudimos comprender la idea general y concluimos que: “Su principal función es separar componentes en solución por su distribución entre dos fases líquidas inmiscibles, basándose en los proceso de transferencia de masa desde una fase líquida a una segunda fase líquida inmiscible con la anterior. Y que se utiliza cuando la destilación resulta impracticable o demasiado costosa.” El diagrama que presentamos en clase fue el siguiente: 
Este fue el diagrama y la tabla que presentamos en clase como parte de la actividad del laboratorio, explicamos el funcionamiento con ayuda de estas herramientas haciendo hincapié en las entradas y salidas de cada componente el profesor agrego la importancia de usar la nomenclatura correcta para describir este tipo de procesos pues es totalmente fundamental para entender el proceso, que es de prioridad para realizar un balance de materia y/o energía, y analizamos uno de los componentes muy importantes y centrales. Columna de extracción: El tipo más corriente de aparato es el de columna, cuya sección viene fijada por los caudales que se deben manejar y cuya altura depende de la separación a conseguir. Lo mismo que en rectificación y absorción, los tipos más importantes de columnas son las de pulverización, de relleno y de platos. En la figura se especifican detalladamente dichas columnas de extracción.
Los diagramas de flujo son de gran utilidad tanto para comprender un proceso como para conocer datos por medio de cálculos de balance de materia y energía, pues nos dan una idea general del proceso. En tanto a la aplicación del extracto son varias y complejas: Sin duda esta industria usa los extractores más grandes y en mayor número, la mayor variedad de procesos de extracción y por tanto trata mayores cantidades de sustancias de alimentación del extractor que ninguna otra. La mayoría de los procesos de extracción en la industria del petróleo se clasifican dentro de las siguientes categorías: a) Endulzamiento de naftas ligeras o desulfuradas. Separación de hidrocarburos en el tratamiento de aceites lubricantes del petróleo. b) Los que envuelven desulfuración de productos del petróleo EXTRACCION DE FURFURAL DE ACEITES LUBRICANTES: El furfural es uno de los disolventes que gozan de más estimación. Se usa a temperatura relativamente alta en el intervalo de (65.50C a 1210C), lo que permite el tratamiento de fracciones cerosas de viscosidad relativamente alta, incluso en torres con relleno, sin peligro de obturación de las torres. El disolvente tiene el inconveniente de oxidarse fácilmente al aire y polimerizarse, y por ello no es raro cubrirlo en los tanques de almacenamiento con gas de chimenea y desairear la solución de alimentación para reducir al mínimo el deterioro del disolvente. DESASFALTADO DE PROPANO: En este caso el propano es un disolvente de precipitación usado para desfalcar, se dispone de el fácilmente y a precio bajo en todas las refinerías comúnmente se usa a temperaturas por debajo de los 1210C con razones disolvente/solución de alimentación relativamente altas y la alta volatilidad hace fácil la recuperación del disolvente. Los extractos (aceite lubricante desasfaltado) pueden enfriarse por evaporación del propano para desparafinarlos antes de su separación. 2.-Balance de materia en un proceso doméstico para la elaboración de un producto alimenticio.
Una de las leyes básicas de la física se conoce como la “Ley de la conservación de la masa” y dice que la masa no puede crearse ni destruirse. Por consiguiente; la masa o el peso de todos los materiales que entran a un proceso de operación unitaria debe ser igual a la masa total de todos los materiales que salen del mismo. El proceso de elaboración de un producto alimenticio tiene una serie de tareas complejas lo cual puede resultar en un entendimiento pobre de la actividad para personas no experimentadas. El conocimiento de la transformación de muchos diferentes ingredientes con características físicas y químicas tan variadas, son necesarias para garantizar el buen desempeño del producto final a nivel doméstico o industrial. Esto requiere de un conocimiento y disciplina en el proceso para asegurar y mantener el producto en un estado balanceado y homogéneo. La elaboración de productos alimenticios balanceados, a pesar de ser un proceso científico, es uno que depende de personas y donde es importante hacer hincapié en la demostración de las múltiples aplicaciones del balance de materia en el procesamiento de alimentos. DISTRIBUCION DE LA CARGA DE TRABAJO Y FORMA DE TRABAJO EN EQUIPO La razón por la cual el equipo llegó a la conclusión de llevar a cabo la estrategia de trabajo de esa manera fue para hacerla más amena y dinámica donde se procedió a hacer una pequeña discusión en la cual se diera a conocer la distribución de trabajo y donde cada integrante del equipo tuviera una tarea en específico, desde el tipo de material de apoyo hasta el tipo de procedimiento que se llevaría a cabo; que en tal caso fue la elaboración de un producto alimenticio en el cual se pudiera hacer notar la importancia del análisis de balance de materia.
En un bol mezclamos los ingredientes secos, la harina, el cacao en polvo, el azúcar morena, la levadura, la sal y el bicarbonato sódico hasta que queden bien ligados. En otro bol mezclamos los ingredientes líquidos, primero los huevos, los batimos ligeramente, seguidamente añadimos la vainilla, leche, y la mantequilla fundida, lo mezclamos todo hasta que estén bien integrados. En el bol donde tenemos los ingredientes secos hacemos un hueco en el centro y depositamos la masa líquida, la integramos suavemente con cuidado, no hay que batirlo en exceso, solo lo justo para que queden integradas ambas mezclas. Seguidamente añadimos los trocitos de chocolate y lo volvemos a integrar pero sin batir en exceso. Una vez tenemos nuestra masa completada, la vamos depositado en nuestra bandeja de muffins, y vamos poniendo dos cucharadas en cada cápsula de papel (aproximadamente 2/3 de su capacidad).  Una vez ya horneados y listos los muffins dejarlos enfriar por un lapso de tiempo de 20min. A continuación lo introducimos en el horno, previamente precalentado a 190 grados, y lo dejamos hornear unos 20-25 minutos aproximadamente o hasta que pinchemos y veamos que sale limpia la aguja. Una vez tenemos nuestra masa completada, la vamos depositando en nuestra bandeja de muffins, y vamos poniendo dos cucharadas en cada cápsula de papel (aproximadamente 2/3 de su capacidad).
La elaboración de muffins Ingredientes: 175 gr. de harina, 50 gr. de cacao en polvo, 150 gr. de azúcar blanca, 50 gr. de azúcar morena, 180 ml. de leche, 2 huevos, 90 gr. de mantequilla, 1 cdta. extracto de vainilla líquido, 1 cdta. de levadura, 1/2 cdta. de bicarbonato sódico, 1/2 cdta. de sal y 100 gr. de chocolate. El proceso de elaboración se describe en el diagrama de flujo. Se obtuvo una masa homogénea cuya capacidad abarco para hacer aproximadamente 14 muffins con diferente peso cada uno, en donde se comprueba como resultados que la masa e incluso la materia misma no se crea ni se destruye solamente se transforma aplicando “La ley de conservación de la masa”. Se pudo comprobar la importancia del balance de materia en la elaboración de cualquier receta de cocina a nivel doméstico dándonos a conocer el panorama que este puede abarcar a nivel industrial. 
En está práctica se pudo comprobar la importancia del balance de materia en los diferentes procesos que involucran la alteración o transformación de la misma, así como las medidas se precaución que se deben de tener para evitar la contaminación de los alimentos, cabe mencionar que fue una práctica muy agradable debido a que estos son ejemplos claros y cotidianos que involucran a la materia.
3.-ELABORACIÓN DE UN JARABE PARA TEPACHE. Y PREPARACIÓN DEL TEPACHE.
La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico. El término Tepache en México es utilizado para nombrar una bebida obtenida por la fermentación de los azúcares de alguna fruta. La palabra tepache procede del náhuatl “tepiatl”, que significa bebida de maíz, ya que como se dijo era elaborada con este cereal. El tepache en la actualidad se obtiene adicionalmente por la fermentación del jugo y la pulpa de varios tipos de frutos dulces como piña, guayaba, manzana, tuna, naranja, etc. el cual se deja fermentar por varios días, dependiendo de lo azucarada de la mezcla, de esta bebida si se deja fermentar más días se obtienen una bebida con mayor nivel alcohólico pero también mayor amargura y acidez en su gusto, al cabo de semanas se termina convirtiendo en vinagre el cual generalmente acaba con las baterías de la fermentación.
La escala Brix se utiliza en el sector de alimentos, para medir la cantidad aproximada de azúcares en zumos de fruta, vino o bebidas suaves, y en la industria azucarera. En diversos países se utilizan las tres escalas, en industrias varias. En el Reino Unido, en la elaboración de cerveza esta escala se aplica mediante el valor de la densidad multiplicado por 1 000 (grados europeos de la escala Plato). En las industrias de los EE. UU. se utiliza una mixtura de valores de gravedad específica de los grados Brix, Baumé y de la escala Plato. Para los zumos de fruta, un grado Brix indica cerca de 1-2% de azúcar por peso. Ya que los grados Brix son relativos al contenido de sólidos disueltos (sobre todo sacarosa) en un líquido, se refieren a la densidad del líquido. Esta propiedad física de las soluciones de sacarosa también puede evaluarse con un refractómetro. Por facilidad de empleo, los refractómetros son preferibles a los aerómetros, marcados en la escala de Brix.  Aunque hay diversas maneras de preparar tepache, la más frecuente es aquélla en la que se obtiene no de maíz, como se ha mencionado, sino con frutas como piña, manzana, naranja, guayaba y otras, las cuales son puestas a fermentar, durante un tiempo variable en barriles de madera, llamados tepacheras, en agua endulzada con piloncillo. Las tepacheras son tapadas con tela de manta de cielo u otro dispositivo con el fin de evitar la introducción de moscas del género Drosophila o cualquier otro tipo de contaminación.
ELABORACION DE JARABE CON PILONCILLO
Densidad del piloncillo =1.415 g/mL
Los grados Brix (símbolo °Bx) sirven para determinar el cociente total de sacarosa disuelta en un líquido. Una solución de 25 °Bx contiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido. Dicho de otro modo, en 100 g de solución hay 25 g de sacarosa y 75 g de agua.
Esta practica nos ayudo como introducción para la preparación del tepache, mas adelante haremos una caracterización de nuestro tepache de acuerdo a la cantidad de sacarosa que obtuvimos de este jarabe. Aprendimos a utilizar el refractómetro para hacer la medición de los grados Brix, que determina la cantidad de sacarosa que tiene el jarabe
http://es.wikipedia.org/wiki/Grado_Brix http://comidamexicana.about.com/od/Bebidas/ss/C-Omo-Hacer-El-Tepache_7.htm |
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