Balance De Materia

Balance de Materia

Introducción - definiciones • Sistema.- Una parte del universo que se aísla idealmente para estudiarlo. • Alrededor.- todo lo que esta fuera del sistema • Frontera o limite.- Pueden ser físicos o virtuales y se colocan generalmente e idealmente de acuerdo a los objetivos de interés

Clasificación de sistemas • Con relación a sus fronteras Abiertos  Cuando hay intercambio de masa y energía con el exterior Cerrados  Cuando no hay intercambio de masa pero sí de energía Aislados  Cuando no hay intercambio de masa ni de energía

Clasificación de sistemas Con base en el número de componentes pueden tener:

 un solo componente  varios componentes  Con relación al movimiento macroscópico relativo a un marco de referencia puede ser:  estático  dinámico

Clasificación de sistemas  De acuerdo a sus características internas pueden ser: Homogéneos  Cuando presentan las mismas características en todos sus puntos Heterogéneos  Cuando no presentan las mismas características en sus puntos y están formados por partes homogéneas separadas entre sí por superficies de discontinuidad

 Variables: Propiedades o características inherentes a un sistema que califican en:  Extensivas  Intensivas

Proceso: Serie de acciones, operaciones o tratamientos que producen un resultado (producto). Cambio que ocurre en un sistema y que se manifiesta por la variación de las propiedades del sistema. Entrada Alimentación Materias primas

Salida Producto Proceso de separación

Reactores Químicos

Unidades de proceso

Corrientes de proceso

Proceso de separación

Productos Subproductos

Clasificación de los procesos Naturaleza del Proceso

Tiempo en que ocurren

Físicos Continuos

Procesos

Químicos Discontinuos

Condiciones de operación Régimen Permanente Régimen no permanente Régimen no permanente (Intermitente)

Nucleares

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Clasificación de los procesos Tiempo en que ocurre 1. Proceso Continuo. Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso. 2. Proceso discontinuo (Batch). La alimentación se carga en el recipiente al inicio del proceso y el contenido del recipiente se remueve tiempo después. 3. Proceso semicontinuo (SemiBatch). Cualquier proceso que no es continuo ni discontinuo.

Condiciones de Operación 1. Régimen permanente. Cuando los valores de las variables en el proceso (todas las temperaturas, presiones, volúmenes, gastos) no cambian con el tiempo, excepto posibles fluctuaciones menores. 2. Régimen no permanente (transiente). Cualquiera de las variables de proceso cambian con el tiempo.

VARIABLES DE PROCESO MASA - VOLUMEN • • • • • • •

Densidad Densidad absoluta Densidad relativa Densidad en Grados Baume Peso especifico Densidad en Grados API Volumen específico:

Variables de proceso Gasto másico, molar y volumétrico En la industria química se debe tener estricto control sobre la cantidad de materia que se maneja en los procesos; este control se lleva a cabo midiendo los gastos o velocidad de flujo, esto es, la cantidad de materia que pasa por un punto o que se procesa por una unidad de tiempo.

El Gasto o velocidad de flujo se puede expresar como:  Gasto másico masa/tiempo = M / t  Gasto volumétrico volumen/tiempo = L3/ t

 Gasto molar moles/tiempo = M / t

Variables de proceso Composición química La composición es una variable que generalmente se expresa como la concentración de los diferentes componentes de una mezcla. Esta concentración se puede expresar de diferentes maneras: Nomenclatura para concentración: x : concentración fase líquida. y : concentración fase gaseosa. w : concentración fase sólida. z : concentración mezclas. Concentración molar: Es el número de moles de un compuesto por unidad de volumen de solución Fracción masa: Masa de una sustancia dividida entre la masa total de una solución. Relación masa: Masa de una sustancia dividida entre la masa total de una mezcla, menos la masa de la sustancia.

Porciento en volumen: Volumen de una sustancia entre el volumen total. Molaridad: Es el número de moles de una sustancia contenidos en un litro de solución. Molalidad: Es el número de moles de una sustancia contenidos en 1.0 kg de disolvente. Normalidad: Es el número de gramos equivalentes de una sustancia contenidos en un litro de solución

Balance de materia • Es el método de cuantificación de la cantidad de materia que entra a un sistema, que sale del sistema y que varia dentro del sistema. • Es la determinación cualitativa y cuantitativa de los requerimientos de materiales y energía involucrados en un proceso industrial.

1. Balances diferenciales, o balances que indican que esta pasando en el sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es un gasto o velocidad de flujo (masa/tiempo). Este tipo de balance generalmente se aplica a procesos continuos.

2. Balances integrales, o balances que describen que pasa en el sistema entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación es una cantidad (g, mol, L). Este tipo de balances generalmente se aplica a procesos batch.

PUEDE CALCULAR 1. La masa total 2. El total de moles 3. La masa de un compuesto químico 4. La masa de una especie atómica 5. Los moles de un compuesto químico 6. Los moles de una especie atómica 7. El volumen (posiblemente)

Entradas

Sistema

Salidas Frontera del sistema

Ecuación general de balance: [Entradas] + [Generación] – [Salidas] – [Consumo] = [Acumulación] por las fronteras del sistema

dentro del sistema

por las fronteras del sistema

dentro del sistema

dentro del sistema

Ecuación general de balance E+G–S–C=A  En procesos continuos y régimen permanente Acumulación (A) = 0  E + G = S + C Si el balance es para una especie no reactiva o es para la masa total, la generación y el consumo es igual cero E=S  En procesos no continuos (batch), para balances integrales E (inicial) + G = S (final) + C

DIAGRAMA DE BLOQUES

DIAGRAMA DE EQUIPOS

BALANCEN DE MATERIA PARA DIFERENTES TIPOS DE OPERACION a. OPERACIONES DE INVENTARIO S

E

b. OPERACIONES DE SEPARCION

E

S1

S

c. OPERACIONES DE COMBINACION S

E

E1 c. OPERACIONES DE SEPARCION Y COMBINACION

E

S

E1

S1

E

S

S1

E1

• OPERACIONES ESPECIALES Se llaman corrientes normales a las de entrada y salida de las unidades de proceso. Las corrientes especiales son de tres tipos:

Recirculación Derivación Purga

Recirculación: La corriente de recirculación es aquella mediante la cual, parte de la corriente principal de salida de un proceso regresa a la entrada del mismo Recirculación

Proceso

Derivación o By - pass: La corriente de derivación es una parte de la corriente principal de alimentación a un proceso que se separa y no pasa por la unidad de proceso volviendo a unirse a la corriente de salida.

Purga: La corriente de purga es la que envía sustancias hacia el exterior del sistema. Sirve fundamentalmente para eliminar impurezas del sistema. Purga

Proceso Proceso

Derivación

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APLICACION BENCENO TOLUENO POCO

BENCENO TOLUENO

BENCENO POCO TOLUENO

EJEMPLO Balance de Masa para un sistema con reacción química Un aceite combustible es analizado y se encuentra que contiene 87% en peso de carbono, 11% de hidrógeno y 1.4% de azufre, mientras que el resto es material no combustible (inerte). • El aceite es quemado con 20% de exceso de aire (en base a la combustión completa del carbono a CO2, el hidrógeno a H2O, y el azufre a SO2). El aceite es quemado completamente, pero 5% del carbono forma CO en vez de CO2. • Calcula la composición molar del gas exhausto que deja el quemador.

SOLUCION

Problemas propuestos 1. Un secadero se alimenta con una suspensión acuosa de pulpa de papel, con un 6,7% en peso de sólido seco. El sólido que abandona el secadero contiene el 11% en peso de agua. Si el secadero elimina 75 000 kg/h de agua, ¿cuál será la producción diaria de pulpa de papel con un 11% en peso de agua? 2.- La etapa final de la fabricación de ácido nítrico es una destilación en la que la concentración de ácido pasa del 60% al 99% en peso. El objetivo de la presencia de ácido sulfúrico es disminuir la presión parcial del agua. Si no se añade sulfúrico o algún otro agente de acción similar, es imposible sobrepasar, por evaporación, una concentración de nítrico del 68% en peso. Tomando como base de cálculo 100 kg/h de ácido nítrico concentrado del 99%, calcular: i) El caudal másico de agua que sale del evaporador. ii) El caudal másico de ácido sulfúrico puro que está circulando. iii) El caudal másico de alimentación de ácido nítrico diluido. 3. Un aceite ligero de la planta de refinación tiene un peso especifico igual 0,8.Calcular los grados baume y los grados API de este aceite. 4. Se tiene un medidor de gas en el arroja la siguiente información. El flujo volumétrico es de 125pies3/minuto T= 40ºC P= 1,8 atm Calcule aplicando la ecuación de estado a. el flujo volumétrico a condiciones estándar b. el flujo molar en lb mol/ hora c. el flujo molar en gr mol / hora d. el flujo molar mol / hora f. el flujo molar kilogramos mol por minuto