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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

358081 – BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO DE PROBLEMAS AMBIENTALES

GUÍA DE ACTIVIDADES APRENDIZAJE BASADO EN PROBLEMAS

Respetados estudiantes. Esta actividad corresponde al desarrollo de un trabajo colaborativo basado en un proyecto a partir de las temáticas tratadas en las primeras unidades del curso. Usted debe enviar a través de la plataforma el documento de desarrollo de este trabajo, de acuerdo con las recomendaciones dadas para la resolución de esta actividad. Muchos Éxitos! Objetivos:

1. Evaluar la capacidad del estudiante para trabajar en equipo y consolidar aportes individuales en un solo trabajo colaborativo grupal.

2. Evaluar la aplicación de los conocimientos adquiridos por el estudiante en las primeras unidades del curso, frente a una posible situación que se pueda presentar en su desempeño laboral.

Esta actividad es de carácter colaborativa, bajo ninguna circunstancia se reciben trabajos individuales, si no puede ingresar a la plataforma en un tiempo prolongado por cualquier razón, debe avisarlo con tiempo a sus compañeros , como verá en la rúbrica de evaluación, el entregar más de un trabajo colaborativo por grupo se penaliza en la nota. La estrategia de aplicación es aprendizaje basado en problemas. Ésta estrategia fue escogida, con el propósito de acercar al estudiante a situaciones reales de la industria, de forma que el estudiante podrá relacionar directamente la situación con lo aprendido en el curso.

Planteamiento del problema de ingeniería

En las lagunas de una planta de tratamiento de aguas residuales, el exceso de nitrógeno y fosforo en el agua, hace que crezca una maleza compuesta por algas, esta maleza es perjudicial porque restringe el paso de la luz solar necesario para la fotosíntesis, además de impedir el intercambio de CO2 y oxígeno, por lo cual debe ser removida y se define como un residuo del proceso de tratamiento de aguas residuales. Su grupo colaborativo es un consorcio contratado para aprovechar esta maleza en la obtención de algún producto de valor, el Ingeniero jefe (tutor del grupo), propone aprovechar la maleza húmeda y transformarla en un biocombustible (biodiesel), para lo cual el consorcio debe diseñar un proceso de producción de biodiesel a partir de la maleza, con el fin de cumplir el objetivo, el ingeniero jefe le plantea a los ingenieros de apoyo (grupo colaborativo) las siguientes actividades:

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADEscuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Ambiente358081 – Balance másico y energético de problemas ambientales.

Actividades:

FASE I: Balance de masa.

1. De acuerdo con la Tabla 1, el estudiante debe seleccionar un proceso de obtención del biodiesel a partir de maleza húmeda, se debe seleccionar una tecnología por cada etapa de la siguiente manera: la tecnología seleccionada en cada etapa debe corresponder al número de Cedula de ciudadanía o carnet UNAD de cada uno de los estudiante del grupo colaborativo , siendo el último dígito de su número de identificación, el que determina la tecnología de la etapa 5, el penúltimo, el de la etapa 4 y así sucesivamente, en caso de que algún dígito sea cero (0), puede seleccionar cualquier tecnología de esa etapa.

Etapa 0. Materia Prima

Etapa 1. SecadoEtapa 2. Extracción

de aceite

Etapa 3. Purificación de

aceite

Etapa 4. Transformación de

aceite


biodiesel

1.1 Secado al sol2.1 Extracción

Soxhlet con hexano3.1 Tamices moleculares

4.1 Transesterificación

metanol-acido

5.1 Destilación comun

1.2 Secado por microondas

2.2 Extracción Bligh-Dyer con Metanol-

Cloroformo

3.2 Destilación reactiva


metanol-base

5.2 Destilación reactiva

1.3 Secado por centrifugación

2.3 Extracción enzimatica con

celulasa3.3 Absorción

4.3 Transesterificacion

enzimatica

5.3 Tamices moleculares

1.4 Secado en horno convectivo

2.4 Extracción supercritica con

CO2

3.4 Destilación comun


heterogenea5.4 Lavado

Maleza de PTAR1.5 Secado en

tambor rotatorio

2.5 Extracción multifuncional con

metanol-H2SO43.5 Adsorción

4.5 Esterificación/ Transesterificación

5.5 Decantación

1.6 Secado en membrana de

refractancia

2.6 Secreción directa de aceite

3.6 Lavado4.6

Hidrotratamiento5.6 Tricanter

1.7 Secado en prensa caliente

2.7 Extracción asistida por ultrasonido

3.7 Decantación

4.7 Cracking/ oligomerización

5.7 Cromatografía

1.8 Secado "Spray Drying"

2.8 Extracción in-situ con

ciclohexano

3.8 Cromatografía

4.8 transesterificacion

etanol-base5.8 Adsorción

1.9 Secado por liofilización

2.9 Extracción batch con hexano

3.9 Tricanter4.9

Transesterificación etanol-acido

5.9 Absorción

Tabla 1. Tecnologías disponibles por etapa para la obtención de biodiesel de maleza PTAR.

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Ejemplo 1: Mi número de cédula es 37.838.610, como el último dígito es cero, en la etapa 5 selecciono cualquier tecnología, como el penúltimo dígito es uno, en la etapa 4 selecciono la tecnología 1 (transesterificación metanol-acido), como el antepenultimo dígito es seis, en la etapa 3 selecciono la tecnología 6 (lavado), como el trasantepenultimo dígito es ocho, en la etapa 2 selecciono la tecnología 8 (extracción in-situ con ciclohexano), finalmente como el dígito anterior al transantepenultimo es tres, en la primera etapa selecciono la tecnología 3 (secado por centrifugación). Despues de lo cual, mi proceso para obtener biodiesel a partir de la maleza de la PTAR quedaría de la siguiente manera:



de aceite


aceite


aceite


biodiesel

Maleza de PTAR1.3 Secado por centrifugación

2.8 Extracción in-situ con

ciclohexano3.6 Lavado


metanol-acido

Cualquiera de la etapa 5.

Ultimos 5 digitos de mi cedula

3 8 6 1 0

2. Descargar la versión de prueba del software Edraw Max. Por favor descárguelo únicamente de la página web http://www.edrawsoft.com/ . Una vez instalado el programa, proceda a dibujar su proceso con los equipos disponibles en la librería del software, por favor tenga en cuenta las entradas y salidas del proceso. Por favor nombre cada tecnología seleccionada en el diagrama del proceso, así como las corrientes de entrada y salida de cada equipo. Puede ser creativo en su diagrama de proceso, cambiar colores, tamaño y forma de los equipos, color y grosor de las flechas, color, tamaño y tipo de letra etc.

Ejemplo 2: Siguiendo el ejemplo anterior, con las tecnologías seleccionadas, y según esta guía, el diagrama del proceso en Edraw Max quedaría así:

3

http://www.edrawsoft.com/


nota: la presencia de residuos y/o impurezas en las corrientes del proceso dependen de la eficiencia de cada tecnología seleccionada, si una tecnología es 100% eficiente, la corriente de salida no tiene residuos del componente que desea separar y no serán nombrados en la corriente de salida (ver Anexo 1).

3. Hacer los cálculos del balance de masa de cada etapa del proceso, especificando la composición másica de cada corriente y teniendo en cuenta lo que entra, sale y reacciona, así como la eficiencia de la etapa. Las sustancias adicionales así como las eficiencias dependen de cada tecnología y se listan en el Anexo 1, las consideraciones especiales que debe hacer a su proceso para facilitar los cálculos son las siguientes: El flujo de entrada de maleza húmeda al proceso es el número de su grupo

colaborativo multiplicado por 100 (kg/hora). El porcentaje de humedad de la maleza al entrar al de secado es de 90%. El porcentaje de aceite dentro de la maleza (después de secarla) es el

número de su grupo colaborativo (%). En el secado solo se evapora agua (por la corriente de salida de agua no

sale ni aceite, ni maleza). Todo el adicional que ingresa a la extracción, sale en la corriente de aceite

(no hay adicional en la corriente de maleza desgrasada). Todo el adicional usado en purificar aceite, sale en la corriente de residuos. El adicional ingresado para la transformación del aceite en biodiesel se

consume en el mismo porcentaje que la eficiencia de la tecnología. En la reacción de producción de biodiesel, ignore los subproductos

obtenidos mediante las diferentes reacciones (glicerina, agua, C20+, etc.). Todo el adicional que ingresa a la purificación de biodiesel, sale en la

corriente de residuos.El flujo de entrada de las sustancias adicionales necesarias en cada tecnología también se muestra en el Anexo 1.

Ejemplo: Siguiendo el ejemplo anterior donde se seleccionaron ya las diferentes tecnologías y de acuerdo al Anexo 1, y suponiendo que mi número de grupo colaborativo es 66, las corrientes másicas de mi proceso quedarían así: Entrada de maleza húmeda al secador = 66*100 =6600 kg/hora Masa de agua que entra al secador = 90%*6600 = 5940 kg/hora Porcentaje de aceite en la maleza (después de secarla) = 66 % Todo el ciclohexano que ingresa a la extracción, sale en la corriente de

aceite (no hay ciclohexano en la corriente de maleza desgrasada).

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Todo el emulsificante que ingresa a la purificación de aceite, sale en la corriente de residuos.

El Metanol-acido ingresado para la transformación del aceite en biodiesel se consume en un 90%.

Como elegí para la quinta etapa destilación común y esta no requiere ningun adicional, la salida de adicional en los residuos es cero.

Tecnología

EficienciaEntradas

adicionalesMasa de adicionales

(kg/hora)1.3 100% Ninguna 02.8 70% Ciclohexano 66*30 = 19803.6 100% Emulsificante 66*26 =1716

4.190% base

aceiteMetanol-Acido 66*4 = 264

5.1 100% Ninguna 0

4. Llenar la tabla de resultados del balance de materia del proceso que se presenta a continuación:



de aceite


aceite


aceite


biodieselMaleza de PTARUltimos 5 dígitos del documento

EtapaNombre de la

corrienteComponente de la

corriente

Flujo másico del componente

(Kg/hora)% del total

Flujo total de la corriente (Kg/hora)

3. Purificación de aceite

4. Transformación del aceite

5. Purificación de biodiesel

1. Secado

Nombre integrante seleccionado:Numero de documento del integrante seleccionado:

2. Balance de materia por etapa

2. Extracción de aceite

Tabla de resultados de balance de materia del grupo colaborativo #1. Tecnologías seleccionadas

Nota. Todas las corrientes que entran o salen de cada equipo deben ser listadas en la tabla de resultados y dentro de cada corriente, todos los componentes que

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contenga dicha corriente deben ser listados, si es necesario, puede agregar más celdas a la tabla. En el Anexo 2. Se muestra un ejemplo de la tabla de resultados totalmente diligenciada con los cálculos del balance de materia para el proceso seleccionado como ejemplo.

5. Presentar las conclusiones del trabajo realizado, estas deben ser de su autoría, aunque puede soportar sus argumentos con documentos de fuentes externas, siempre y cuando estas sean debidamente referenciadas (como aprendió a hacerlo durante el desarrollo de la actividad 2 de este curso) y NO presente copia literal de frases de otros documentos.

Recomendaciones para la elaboración del ejercicio:

- La recomendación más importante es leer todas las indicaciones consignadas en la guía las veces que sea necesario , entender las intencionalidades de la misma y luego sí, planear el trabajo y empezar a desarrollarlo.

- Revisar y leer detalladamente la Rúbrica de Evaluación para ir monitoreando el trabajo. Utilizar la rúbrica como una lista de chequeo para asegurar que se han considerado todos los ítems solicitados, antes de entregar el producto final.

- Revisar las fechas para la terminación y entrega de la actividad, de manera que pueda planear adecuadamente su tiempo y cumplir oportunamente con las actividades solicitadas. Recuerde que el artículo 69 del reglamento estudiantil UNAD expresa claramente que es deber del estudiante UNAD “Cumplir con las exigencias académicas del programa en que se encuentra matriculado, según los plazos establecidos en el acuerdo de programación académica”.

- Teniendo claras las fechas de terminación de cada actividad, hacer la respectiva entrega de forma oportuna, no dejar para última hora, la actividad estará abierta por varias semanas.

- Como estudiante usted puede utilizar el foro para interactuar con sus compañeros, es decir, para resolver preguntas, para presentar su trabajo y recibir comentarios, para compartir archivos o links de interés, entre otras cuestiones. Tenga en cuenta que las intervenciones deben darse dentro de un lenguaje de cordialidad, entre compañeros de estudio.

- El trabajo debe ser UNO SOLO y de carácter grupal, el trabajo debe contener la siguiente estructura:

Portada (1 página)Descripción del diagrama del proceso (media página)Diagramas de flujo detallados del proceso en Edraw Max (media página)

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Tabla de resultados del balance de materia del proceso (1 página)Conclusiones (media página)Bibliografía (media página)

Esto quiere decir que la extensión máxima del trabajo de acuerdo con el número de integrantes del grupo, será de cuatro (4) páginas.

- El trabajo debe ser de su autoría, por lo que no debe contener copias textuales de otros documentos.

- En caso de consultar otras fuentes (libros, artículos o páginas de Internet), debe hacer la respectiva cita bibliográfica según las normas APA, que puede encontrar en el siguiente [enlace].

- En caso de consultar páginas en Internet, por favor ingrese a páginas que tengan reconocimiento académico (centros investigativos, revistas especializadas, páginas de entidades oficiales, universidades, entre otros). NO consulte páginas como “el rincón del vago”, “buenas tareas”, “wikipedia”, entre otras.

- El formato del trabajo es el siguiente:Tamaño hoja: cartaMárgenes: superior, inferior, izquierdo y derecho: 2,5 cmInterlineado: sencilloTexto: Arial 11 puntosFormato de entrega: PDF

Evaluación:Para la evaluación del trabajo se tendrán en cuenta los siguientes criterios:

Buena presentación del documento Cumplimiento de todas las exigencias de la guía de la actividad Nivel de análisis

Si después de leer la guía y comprenderla en su totalidad, tiene alguna duda, por favor comuníquela a su tutor con la suficiente anticipación para que el (ella) tenga el tiempo suficiente de analizarla y responderle debidamente y con todo el gusto.

Si tiene alguna duda o reclamo con respecto a su nota, esta debe ser realizada en las fechas programadas en la agenda del curso para retroalimentación y con mucho gusto será atendida, pasada la fecha de retroalimentación de la actividad no se reciben requerimientos relacionados con la misma, por favor organice su tiempo y esté pendiente de la plataforma.

FASE II: Balance de Energía

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http://www.cibem.org/paginas/img/apa6.pdf


Actividades:

1. De acuerdo con los datos obtenidos en la fase I el grupo desarrollará el respectivo balance energético del proceso, teniendo en cuenta valores de entalpia, capacidad calorífica, calor de vaporización y temperaturas de ebullición. Es necesario además tener en cuenta el consumo energético de cada una de las tecnologías utilizadas a partir de los datos encontrados a nivel industrial. Con lo anterior diligenciar la siguiente tabla

Flujo masico del

componente (Kg/hora)

T1 (K) T2(K) Cp (Kj/Kg K)Hentalpía

HCalor

Q

salida 1 (agua)salida 2 (maleza)Salida 1 (aceite)

Salida 1(solvente)Salida 2 (maleza desgrasada)

Salida 1

Salida 2 Salida 1

Salida 2 Salida 1

Salida 2 Purificación del

Biodiesel

secado

Etapa

salida 2 ( aceite no extraido )

Extracción

Purificación de aceite

Transformación del aceite

Las consideraciones especiales que debe hacer a su proceso para facilitar los cálculos son las siguientes:

El balance de energía para sistemas abierto es: Ec+Ep+∆H=Q+W

El sistema de referencia escogido es el ambiente T= 25°C y P = 1 atm. Puede trabajar con otras unidades además de la expuesta en la tabla,

pero conservando la relación. El cp de la maleza, de la celulosa y los emulsificantes se asume como la

misma del agua.Para procesos de purificación con adsorbentes o adsorbentes la temperatura del proceso es ambiente.

Recomendaciones para la elaboración del ejercicio:

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- La recomendación más importante es leer todas las indicaciones consignadas en la guía las veces que sea necesario, entender las intencionalidades de la misma y luego sí, planear el trabajo y empezar a desarrollarlo. - Revisar y leer detalladamente la Rúbrica de Evaluación para ir monitoreando el trabajo. Utilizar la rúbrica como una lista de chequeo para asegurar que se han considerado todos los ítems solicitados, antes de entregar el producto final. - Revisar las fechas para la terminación y entrega de la actividad, de manera que pueda planear adecuadamente su tiempo y cumplir oportunamente con las actividades solicitadas. Recuerde que el artículo 69 del reglamento estudiantil UNAD expresa claramente que es deber del estudiante UNAD “Cumplir con las exigencias académicas del programa en que se encuentra matriculado, según los plazos establecidos en el acuerdo de programación académica”. - Teniendo claras las fechas de terminación de cada actividad, hacer la respectiva entrega de forma oportuna, no dejar para última hora, la actividad estará abierta por varias semanas. - Como estudiante usted puede utilizar el foro para interactuar con sus compañeros, es decir, para resolver preguntas y recibir comentarios, para compartir archivos o links de interés, entre otras cuestiones. Además de contar con el E- portafolio que es el lugar donde el grupo debe realizar la edición del trabajo a entregar. Tenga en cuenta que las intervenciones deben darse dentro de un lenguaje de cordialidad, entre compañeros de estudio. Recuerde que los espacios dispuestos para la entrega de cada una de las fases del trabajo los encontrará en el entorno de Evaluación y Seguimiento. - El trabajo debe ser UNO SOLO y de carácter grupal, el trabajo debe contener la siguiente estructura: Portada (1 página) Recopilación de datos (media página) Condiciones de operación de cada una de las etapas (media página) Tabla de resultados del balance de energía del proceso (1 página) Conclusiones (media página) Bibliografía (media página) Esto quiere decir que la extensión máxima del trabajo de acuerdo con el número de integrantes del grupo, será de cuatro (4) páginas.

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“Todo material educativo que se produzca deberá respetar los derechos de autoría y la normatividad nacional e internacional sobre plagio, piratería o

falsificación de obras de propiedad intelectual lo que se remitirá a las sanciones de carácter administrativo y penal correspondientes en caso de ocurrir”, según lo establece el Acuerdo 006 del 26 de agosto de 2008, por el

cual se aprueba el Estatuto de propiedad Intelectual de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD).

Nota: No se pueden tomar productos que se encuentran ya diseñados para estos fines (a no ser que se exprese lo contrario en la guía), o que se haya

diseñado o presentado en curso anterior, o un periodo anterior de este mismo curso, el producto debe ser totalmente de su autoría, es decir, completamente original. No utilizar contenidos iguales a los de otros

grupos colaborativos.

En caso de detectarse plagio en la actividad, esta será penalizada con nota de cero (0) puntos, como es un trabajo colaborativo, la penalización aplica

para todo el grupo colaborativo, independientemente de quien haya realizado el aporte, por favor tenga esto muy en cuenta para evitar futuros

malentendidos.

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Anexo 1. Datos técnicos de las tecnologías propuestas

Tecnología EficienciaEntradas

adicionales

Masa de adicionales {por favor multiplique el número de su grupo colaborativo por el

número que aparece en esta columna} (kg/hora)

1.1 100% Ninguna 01.2 100% Ninguna 01.3 100% Ninguna 01.4 100% Ninguna 01.5 100% Ninguna 01.6 100% Ninguna 01.7 100% Ninguna 01.8 100% Ninguna 01.9 100% Ninguna 02.1 80% Hexano 1502.2 90% Metanol-Cloroformo 202.3 40% Celulasa 12.4 95% CO2 302.5 92% Metanol-H2SO4 82.6 93% Ninguna 02.7 75% Ninguna 02.8 70% Ciclohexano 302.9 60% Hexano 9

3.1 y 5.3 100% Ninguna 03.2 y 5.2 100% Glicerina 103.3 y 5.9 100% Absorbente 503.4 y 5.1 100% Ninguna 03.5 y 5.8 100% Adsorbente 253.6 y 5.4 100% Emulsificante 263.7 y 5.5 100% Ninguna 03.8 y 5.7 100% Solvente HPLC 303.9 y 5.6 100% Emulsificante 40

4.1 90% Metanol-Acido 44.2 80% Metanol-Base 54.3 95% Enzimas 64.4 94% Catalizador 14.5 99% Alcohol-Acido 84.6 100% Hidrogeno 94.7 88% Hidrogeno 104.8 70% Etanol-Base 44.9 75% Etanol-Acido 5

Anexo 2. Tabla de balance de materia totalmente diligenciada con las tecnologías seleccionadas como ejemplo ilustrativo.

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Etapa 0. Materia Prima Etapa 1. SecadoEtapa 2. Extracción

de aceite


aceite

Etapa 4. Transformación

de aceite


biodieselMaleza de PTAR

Ultimos 5 dígitos del documento

3 8 6 1 0

EtapaNombre de la

corrienteComponente de la

corriente

Flujo másico del componente

(Kg/hora)% del total

Flujo total de la corriente (Kg/hora)

Agua 5940 90.00Maleza 660 10.00

Salida 1 secador Agua evaporada 5940 100.00 5940Salida 2 secador Maleza seca 660 100.00 660Entrada 1 extractor

Maleza seca 660 100.00 660

Entrada 2 extractor

Ciclohexano 1980 100.00 1980

Aceite extraido 304.92 13.34Ciclohexano 1980 86.66Maleza desgrasada 224.4 63.20Aceite no extraido 130.68 36.80Aceite extraido 304.92 13.34Ciclohexano 1980 86.66

Entrada 2 Lavado Emulsificante 1716 100.00 1716Emulsificante 1716 46.43Ciclohexano 1980 53.57

Salida 2 Lavado Aceite purificado 304.92 100.00 304.92Entrada 1 reactor Aceite purificado 304.92 100.00 304.92Entrada 2 reactor Metanol-acido 264 100.00 264

Aceite sin reaccionar

30.492 5.62

Metanol-acido sin reaccionar

237.6 43.80

Biodiesel 274.428 50.58Aceite sin reaccionar

30.492 5.62

Metanol-acido sin reaccionar

237.6 43.80

Biodiesel 274.428 50.58Metanol-acido sin reaccionar

237.6 88.63

Aceite sin reaccionar

30.492 11.37

Salida 2 destilador

Biodiesel purificado

274.428 100.00 274.428

Salida 1 destilador

268.092

4. Transformación del aceite

5. Purificación de biodiesel

1. Secado

Nombre integrante seleccionado: Canuto Matasiete AlpisteNumero de documento del integrante seleccionado: Cedula 37.838.610 de Macondo

2. Balance de materia por etapa

Entrada 1 Lavado 2284.92

3696Salida 1 Lavado3. Purificación de aceite

Salida 1 reactor 542.52

Entrada 1 destilador

542.52

Tabla de resultados de balance de materia del grupo colaborativo 661. Tecnologías seleccionadas

6600Entrada secador

2. Extracción de aceite2284.92Salida 1 Extractor

Salida 2 Extractor 355.08

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