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Balance de materia y energía en procesos en estado estacionario y no estacionario - Luiggi Jordán

Diapositivas y presentación sobre el balance de materia y el balance de energía en procesos en estado estacionario y no estacionario.

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BALANCE DE MATERIA Y
ENERGÍA EN PROCESOS EN
ESTADO ESTACIONARIO Y
NO ESTACIONARIO
Luiggi Jordán
Ing. Industrial
1
2
ÍNDICE
Introducción
Términos Básicos
 Conservaciónde la masa
 Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas
 Ley de los gases ideales
 Unidades molares
 Exceso de reactivos
 Grado de conversión
 Porcentajes de composición
 Densidad y peso específico
 Tipos de procesos
3
ÍNDICE
Balance de Materia
 Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con una sola
corriente
 Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con varias
corrientes
 Balance de materia en estado estacionario con reacciones químicas
 Recirculación, Purga y By Pass
Balance de Energía4
 Balance de energía para sistemas abiertos
 Balance de energía para sistemas cerrados
 Balance de energía para procesos con una sola corriente
 Balance de energía para procesos con varias corrientes
5
ÍNDICE
Conclusión
Introducción
Para poder llevar a cabo procesos productivos y manejar el control de procesos y
servicios con éxito, siempre es necesario estudiar, analizar y tomar en cuenta aquellas
herramientas y recursos que permiten o garantizan la realización efectiva de estas
actividades. Dicho esto, es importante saber y conocer que, los balances de materia, al
igual que el balance o los balances de energía, son herramientas químicas y técnicas
necesarias y significativas que permiten el desarrollo de forma óptima de procesos
productivos, pues, permiten contabilizar los flujos de materia y energía respectivamente
en un determinado proceso industrial.
Los balances de energía y de materia, también son favorables para determinar la
necesidad y requerimientos de materiales o de energía, en el deseo de concretar algún
proceso o servicio; además, se emplean para reducir desperdicios y reducir los efectos
nocivos al ambiente, en pro de tener mayor eficiencia en la producción.
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Balance de materia y energía en procesos en estado estacionario y no estacionario - Luiggi Jordán

  • 1. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN PROCESOS EN ESTADO ESTACIONARIO Y NO ESTACIONARIO Luiggi Jordán Ing. Industrial
  • 2. 1 2 ÍNDICE Introducción Términos Básicos  Conservaciónde la masa  Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas  Ley de los gases ideales  Unidades molares  Exceso de reactivos  Grado de conversión  Porcentajes de composición  Densidad y peso específico  Tipos de procesos
  • 3. 3 ÍNDICE Balance de Materia  Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con una sola corriente  Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con varias corrientes  Balance de materia en estado estacionario con reacciones químicas  Recirculación, Purga y By Pass Balance de Energía4  Balance de energía para sistemas abiertos  Balance de energía para sistemas cerrados  Balance de energía para procesos con una sola corriente  Balance de energía para procesos con varias corrientes
  • 5. Introducción Para poder llevar a cabo procesos productivos y manejar el control de procesos y servicios con éxito, siempre es necesario estudiar, analizar y tomar en cuenta aquellas herramientas y recursos que permiten o garantizan la realización efectiva de estas actividades. Dicho esto, es importante saber y conocer que, los balances de materia, al igual que el balance o los balances de energía, son herramientas químicas y técnicas necesarias y significativas que permiten el desarrollo de forma óptima de procesos productivos, pues, permiten contabilizar los flujos de materia y energía respectivamente en un determinado proceso industrial. Los balances de energía y de materia, también son favorables para determinar la necesidad y requerimientos de materiales o de energía, en el deseo de concretar algún proceso o servicio; además, se emplean para reducir desperdicios y reducir los efectos nocivos al ambiente, en pro de tener mayor eficiencia en la producción.
  • 7. Términos Básicos Es un principio de la química que, establece que la masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Esta ley, también conocida como ley de conservación de la materia, fue elaborada por Mijaíl Lomonósov y descubierta por el químico francés Antoine Lavoisier y se basa en que en una reacción química la masa sólo cambia, más no se crea o destruye, por lo que, la masa antes de la reacción química es igual a la masa después de la reacción, es decir, la masa de los cuerpos reaccionantes es igual a la masa de los productos en reacción. Un ejemplo de ello es la combustión de hidrocarburos, que muestra cómo el combustible arde y se transforma en gases imperceptibles y agua. Conservación de la masa
  • 8. Términos Básicos Se puede definir como la relación que existe entre el número de moles y la masa de ellos. Las relaciones de masa sirven para explicar o mostrar la composición de los compuestos y cómo ocurren los cambios en la composición de estos. Mediante la estequiometría o cálculos estequiométricos se puede medir las relaciones de masa de los elementos que conforman una reacción química. Relaciones de masa en las reacciones químicas
  • 9. Términos Básicos En una reacción química, cuando los reactivos y productos son gases en las mismas condiciones de presión y temperatura, se cumple que la relación entre los volúmenes de estos elementos que conforman la reacción es la indicada por los coeficientes estequiométricos, indicando que es constante y se puede expresar en números enteros. Relaciones de volumen en las reacciones químicas
  • 10. Términos Básicos Las leyes que relacionan las variables (presión, volumen, temperatura) de los gases ideales son: ley de Boyle, ley de Charles y Gay-Lussac y la ley de Avogadro. En base a esto se define la ley de los gases ideales, la cual es la combinación de estas leyes anteriormente mencionadas. La ley de los gases ideales expresa dicha relación de esta forma: PV = nRT Donde P es la presión del gas, V el volumen que éste ocupa, n es el número de moles del gas, R es la constante de los gases ideales y T la temperatura del gas. Ley de los gases ideales
  • 11. Términos Básicos La masa molar, también llamada masa atómica o peso atómico, es la cantidad de masa que contiene una sustancia en un mol. Aunque su unidad en el Sistema Internacional es kilogramo por mol (kg/mol), en química suele expresarse en gramos por mol (g/mol). Unidades molares
  • 12. Términos Básicos En una reacción química la cantidad de producto que puede formarse depende de los reactivos, los cuales son las sustancias que forman al producto. Por lo general, los reactivos no se hallan en cantidades proporcionales entre sí; entonces, un reactivo se consume totalmente primero que otro. El reactivo que se consume primero es denominado reactivo limitante, ya que al consumirse limita la cantidad de producto que se puede crear y cuando este reactivo se consume, la reacción se detiene. El o los reactivos que se presentan en mayor cantidad y no se consumen primero, se denominan reactivos en exceso. Exceso de reactivos
  • 13. Términos Básicos Es el porcentaje de la conversión en productos de una reacción química o de algún material de dicha conversión. Generalmente este valor se determina en base al reactivo limitante que se convierte en producto. Este porcentaje se expresa así: Grado de conversión = Cantidad que reacciona del compuesto Cantidad alimentada del compuesto x 100 Grado de conversión
  • 14. Términos Básicos Se conoce como composición porcentual y es una medida en porcentaje de la cantidad de masa perteneciente a cada elemento presente en un compuesto químico. Se calcula a partir del peso molecular mediante la siguiente fórmula: Composición porcentual = Peso atómico ∗ N°de átomos en la molécula Peso molecular x 100 Porcentajes de composición 80% 60%
  • 15. Términos Básicos La densidad o masa específica de una sustancia es la relación entre la masa de dicha sustancia y su volumen. Su valor se determina a través del cociente de la masa de la sustancia entre el volumen que ocupa: ρ = masa volumen = kg m3 Mientras que, el peso específico es la relación que existe entre el peso y el volumen que ocupa una sustancia en el espacio. Se expresa o determina así: Pe = peso volumen = N m3 Sabiendo que peso = masa x gravedad se puede hallar la relación entre la densidad y el peso específico de una sustancia, de modo que: ρ = Pe g 𝑜 Pe = ρ ∗ g Densidad y peso específico
  • 16. Términos Básicos Un proceso químico es el conjunto de procedimientos químicos destinados a cambiar una sustancia, un compuesto o varios en otro producto. Su componente principal son las reacciones químicas. Tipos de procesos Isotérmico: ocurre a temperatura constante y la energía interna del sistema permanece constante. Adiabático: se hace en aislamiento, con el fin de que no exista intercambio de calor con el medio circundante. Isobárico: proceso químico que se realiza a presión constante. Isocórico: proceso químico que se efectúa a volumen constante. Reversible: los reactivos se transforman en productos y los productos pueden reaccionar entre sí para regenerar los reactivos. Irreversible: se requieren grandes cambios en las condiciones en que se realiza el proceso químico para producir su cambio de orientación.
  • 18. Balance de Materia Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con una sola corriente En este caso, el balance de materia se usa para calcular características sólo de la corriente o del sistema. Como hay una sola corriente, se obtendrá el balance según la cantidad de componentes, más un balance global. Los pasos que deben realizarse para plantear el balance, son: 1. Establecer los límites del sistema. 2. Identificar los flujos de materia que cruzan los límites. 3. Identificar los componentes que constituyen la corriente. 4. Plantear un número de balances independientes que coincida con el número de componentes.
  • 19. Balance de Materia Posteriormente, se hace un análisis de los grados de libertad; dicho análisis contabiliza las variables, las ecuaciones de balance y las especificaciones y relaciones entre las variables del sistema. De tal forma que: Grados de libertad = 0 → Hay una única solución Grados de libertad > 0 → Existen infinitas soluciones Grados de libertad < 0 → Problema mal planteado
  • 20. Balance de Materia Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con varias corrientes Para este caso se puede establecer un conjunto más extenso de ecuaciones de balance, pues, por cada corriente es posible plantear tantas ecuaciones de balance como componentes, más la ecuación de balance global. Es importante determinar la cantidad de incógnitas y cuáles ecuaciones son independientes; así como verificar que el subsistema posea cero grados de libertad. El proceso es el siguiente: 1. Los límites del sistema se establecen mediante un diagrama de flujo del proceso. 2. Identificar los flujos de corrientes del sistema. 3. Identificar los componentes que conforman cada corriente. 4. Plantear el número de balances independientes que coincida con el número de componentes. El análisis de grados de libertad se plantea para cada unidad y al sistema global, iniciando por las unidades que tengan cero grados de libertad.
  • 21. Balance de Materia Balance de materia en estado estacionario con reacciones químicas El balance de materia es un método aplicado en la ingeniería química que se usa para la contabilización de la masa total que cruza los límites de un sistema, el cual se basa en la ley de conservación de masa. entradas = salidas + acumulación Cuando se trata de un elemento o compuesto químico, o sea, cuando el balance no está destinado a la masa total del sistema, se toma en cuenta la producción. entradas + producción = salidas + acumulación
  • 22. Balance de Materia Recirculación, Purga y By Pass o Recirculación: fragmento de la corriente la cual sale de un determinado proceso y luego se incorpora de nuevo. Se dice también que, existe recirculación cuando uno de los productos de la unidad se devuelve a otra unidad anterior. La aplicación de recirculación en procesos químicos es necesaria para la recuperación de reactivos no consumidos o para la recuperación de catalizadores, por ejemplo. o Purga: corriente o fracción extraída de la recirculación que se utiliza para eliminar la acumulación de sustancias o de materiales no deseados y desfavorables. o By Pass: corriente que elude una o varias etapas del proceso, dirigiéndose directamente a otra etapa posterior. El objetivo del By Pass es influir en las propiedades del producto, para así obtener la composición final deseada.
  • 24. Balance de Energía Balance de energía para sistemas abiertos En los sistemas abiertos existe un flujo de materia el cual atraviesa los límites de dicho sistema, causando que, se deba realizar un trabajo en el sistema que permita el ingreso de la materia en el sistema, al igual que otro trabajo para que ésta sea extraída. Ambos trabajos, llamados velocidad de transferencia de energía, se toman en cuenta en el balance de energía. Para un sistema abierto, la velocidad neta a la cual se transfiere la energía al sistema, es igual a la diferencia entre dicha velocidad a la cual las cantidades (entalpía, energía cinética y energía potencial) son transferidas fuera y dentro del sistema. Teniendo así la siguiente ecuación: ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p = Q’ + WS
  • 25. Balance de Energía Balance de energía para sistemas cerrados En el caso de un sistema cerrado, la energía puede transferirse como calor o trabajo en los límites del sistema, es por ello que, los elementos de entrada y salida no son eliminados. Teniendo esta ecuación: energía final del sistema - energía inicial del sistema = energía neta transferida al sistema Si la energía inicial del sistema se representa como Ui + Eci + EPi, la energía final como Uf + Ecf + EPf y la energía transferida Q + W. Se tiene que: (Uf − Ui) + (Ecf − Eci) + (Epf − Epi) = Q + W Utilizando el símbolo delta (Δ) para los subíndices i y f, se tiene la ecuación de la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados: ΔU + ΔEc + ΔEp = Q + W
  • 26. Balance de Energía Balance de energía para procesos con una sola corriente A partir de la ecuación de balance de energía para el sistema de entrada y salida única, se obtienen las demás ecuaciones de balance de energía para procesos con una corriente. • Balance de energía con entrada y salida única, y una sustancia H1 + gh1 + 1 2 v1 2 F1 − H2 + gh2 + 1 2 v2 2 F2 + Q − W = 0 • Balance de energía con entrada y salida única, y múltiples sustancias ෍ S=1 S Hs 2 + gh2 + 1 2 v2 2 Fs 2 − Hs 1 + gh1 + 1 2 v1 2 Fs 1 = Q − W
  • 27. Balance de Energía • Balance de energía con múltiples entradas y salidas, y una sustancia ෍ k=1 K Hk + ghk + 1 2 vk 2 Fk − ෍ j=1 J Hj + ghj + 1 2 vj 2 Fj = Q − W • Balance de energía con múltiples entradas y salidas, y múltiples sustancias ෍ s=1 S ෍ k=1 K Hs k + ghk + 1 2 vk 2 Fs k − ෍ j=1 J Hs j + ghj + 1 2 vj 2 Fs j = Q − W
  • 28. Balance de Energía Balance de energía para procesos con varias corrientes Se tiene la ecuación general del balance de energía para sistemas en estado estable, sin acumulación, con cambios de energía potencial y cinética, múltiples entradas y salidas, y múltiples reacciones químicas. Q − W = ෍ s=1 S ෍ k=1 K Ns k Hs k − Hs r − ෍ j=1 J Ns j Hs j − Hs r + ෍ i=1 R ri∆Hri(rr) Se debe tomar en cuenta que, el análisis de los grados de libertad debe hacerse por unidad, para el proceso y para el balance global.
  • 29. Conclusión El estudio y análisis del balance de la materia y del balance con respecto a la energía, nos permite los recursos y conocimientos esenciales para poder cumplir con la ley de la conservación de la masa, y a su vez también, con la ley de la conservación de la energía. Principalmente, en procesos en estado estacionario, bien sea que operen con sólo una corriente, o también con varias, incluso, con reacciones químicas; y en el caso de la energía, para sistemas abiertos o cerrados, recordando que la ley de la conservación de la energía nos dice que ésta puede transformarse, sin embargo, puedo hacerlo en distintos tipos.