Laboratorio N 1 Tipo de entrega (Pre-Informe)

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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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Además, se requiere colocar un 33% de NaOH en exceso:

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Lo que significa que se necesita agregar 17051.28 moles de NaOH totales.

Esta cantidad de moles se agregarán desde la solución concentrada de NaOH 23.85[M], por tanto, usando la siguiente igualdad de punto equivalente, se determinará el volumen de solución concentrada a agregar, y posteriormente usando la densidad, la masa de esta:

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Ahora, se calculará la masa de agua necesaria para preparar la solución 19[M] de NaOH que debe entrar al digestor, para ello se volverá a hacer uso del procedimiento anterior para calcular el volumen de esta solución, al cual se le restará el volumen de la solución concentrada para obtener el volumen del agua.

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Asumiendo que la densidad del agua es , se calcula la masa de agua necesaria para preparar la solución que entrará al reactor:[pic 36]

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Luego de esto hay que determinar el calor de dilución que se genera al mezclar estos dos flujos, para ello se utilizará la figura 3 de Entalpía, concentración y temperatura, en las cuales se ubicaran los porcentajes en peso de las soluciones a mezclar (que se calculan a continuación) a su temperatura de ingreso, y se trazará una línea entre ambos puntos. Luego se traza una vertical en el porcentaje en peso de la solución final, y se intersectará con la recta trazada anteriormente, y se leerá la temperatura final de esta dilución.

Cálculos de porcentaje en peso:

Primero se calculará el peso de los moles de NaOH:

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Para solución 23.85[M]:

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Y esta solución se encuentra a 70[°C], lo que equivale a 150[°F]

Para solución 19[M]:

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Para Agua pura, su fracción en peso es cero, y se encuentra a 25[°C], lo que equivale a