Balance de materia y energia ingenieria ambiental UNMSM, capitulo 10 de profesora Karina Lozada Castillo, principio de conservacion de materia y energia

1. UNIDAD IV
BALANCE DE MATERIA y ENERGÍA
Mg. KARINA LOZADA CASTILLO
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE ING. GEOLÓGICA,MINERA,METALÚRGICA Y GEOGRÁFICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
SEMANA 10

2. Principio de Conservación de Materia y Energía

3. Sistema

4. BALANCE DE ENERGÍA
? Este balance energético de un sistema se define como la
contabilidad exacta de la energía que entra y sale de un
proceso o de una parte de este.
? Todo el inventario de energía del sistema, entre los estados inicial
y final, se explica mediante intercambios de energía entre el
sistema y los alrededores.
? El balance de energía se puede representar en palabras de la
siguiente manera [Hougen, 1964; Reklaitis, 1989; Murphy, 2007]:

5. Ea= Et1 - Et2 +Eg - Ec
? Ea: Es la energía acumulada dentro del sistema
? Et1 : Es la energía transferida hacia el sistema a través de los límites
del mismo (Q)
? Et2 : Es la energía transferida fuera del sistema a través de los límites
del mismo (W)
? Eg : Es la energía generada dentro del sistema
? Ec : Es la energía consumida dentro del sistema

6. Casos de Balance de Energía
?

7. Procesos especiales:
? Isotérmico: Se trata de un proceso a temperatura constante
(ΔT=0)
? Adiabático: No hay intercambio de calor (Q=0). Se trata de un
sistema aislado; el Q es muy pequeño en comparación a otros
términos de la ecuación de energía y que se puede
despreciar; y/o el proceso se realiza con tal rapidez que no
existe el tiempo suficiente para que haya transferencia de
calor.
? Isobárico: Se trata de un proceso a presión constante (ΔP=0)
? Isométrico o Isocórico: Se trata de un proceso a volumen
constante (ΔV=0)

8. Un proyectil se dispara en dirección vertical desde la superficie
de la Tierra de tal forma que alcanza una altura de 150 pies con
respecto al suelo.
Calcular la energía cinética Ek y la energía potencial Ep por lb de
proyectil disparado.
Problema #01

9. Si un balde pesa 0,5 lb y se deja caer a un pozo cuya profundidad es
de 50 pies.
Calcular la energía cinética Ek y la energía potencial Ep del balde,
cuando:
a) Justo antes de caer en el agua
b) Después de caer y choca en la superficie del agua
Problema #02

10. Una explosión en el piso 3 de un edificio de 12 pisos, libera los
siguientes gases:
Calcular el calor generado por dicha emisión de gases (kJ/mol).
Despreciar energía cinética y trabajo.
Problema #03
Gas CO2 CO O2 N2
% mol 9,2 1,5 7,3 82,0

11. Se bombea agua del fondo de un pozo de 150 pies de profundidad a un
gasto de 200 gal/h hacia un tanque de almacenamiento abierto a la
atmósfera que se encuentra a 30 pies arriba del suelo.
Para evitar la congelación durante el invierno, un pequeño calentador
suministra 30000 Btu/h al agua durante su trayecto del pozo al tanque de
almacenamiento, pero el sistema total pierde constantemente calor a
razón de 25000 Btu/h.
Para el transporte del agua se emplea una bomba de 2 HP y
aproximadamente el 55% de la potencia se transforma en trabajo de
bombeo y el resto se pierde como calor a la atmósfera.
Calcular el aumento o disminución de temperatura del agua al entrar al
tanque de almacenamiento, suponiendo que la temperatura del agua en
el pozo es de 35°F.
Problema #04

12. Se mezclan 10 lb de agua a 35°F con 4,0 lb de hielo a 32°F y 6,0
lb de vapor de agua a 250°F y 20 psia.
Hallar la temperatura final de la mezcla.
Calcular la cantidad de vapor de agua que se condensa.
Problema #05
MEZCLADOR
10,0 lb H2O (35°F)
6,0 lb vapor de H2O
(250°F y 20,0 psia)
4,0 lb Hielo (32°F)
M lb (Tfinal)

13. Calcular el trabajo requerido por minuto para una bomba que
proporciona 1 lb/min de agua, si las condiciones de alimentación
son 100 psia y 80°F y las de descarga de 1000 psia y 100 °F.
Problema #06

14. CÁLCULO DE BALANCE DE MATERIA Y
ENERGÍA SIN REACCIÓN QUÍMICA
? Destilación
? Evaporación
? Condensación
? Secado
? Cristalización

15. DESTILACIÓN
Es la operación de separar, mediante vaporización y condensación, los
diferentes componentes líquidos, aprovechando los diferentes puntos de
ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es
una propiedad intensiva, es decir, no varía en función de la masa o el
volumen, aunque sí en función de la presión

16. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
EN UNA DESTILACIÓN
BALANCE DE MATERIA
Balance Global del Sistema: F = D + R
Balance Parcial del Componente X: XF F = XD D + XR R
Balance Parcial del Componente Y: YF F = YD D + YR R
BALANCE DE ENERGÍA (W=0; EK=0 y EP=0)
Q = m ΔH
Q1 +Q2 = m (Hsalidas –Hentradas)
Q1= calor proporcionado por el vapor de agua usado
Q2= calor en el condensador

17. Problema #01
Una columna de destilación separa 10000 lb/h de una solución líquida a 70°F que
contiene 40% de benceno y el resto de cloroformo.
El producto de cabeza tiene 99,5% de benceno mientras el producto de cola
contiene 1% de benceno.
El condensador usa agua, la cual entra a 60°F y sale a 140°F mientras el recalentador
utiliza vapor de agua saturado a 280°F. Suponer que ambos equipos operan a 1 atm
de presión, también que, la temperatura calculada para el condensador es de 178°F
y para el recalentador es de 268°F.
La relación de reflujo es de 6 a 1 y la fracción de benceno determinada en el vapor
del recalentador es de 3,9% en peso (5,5 %mol).
Calcular:
a) Flujo (lb/h) de destilado, residuo, reflujo, líquido que entra al recalentador y de
vapor que sale del mismo
b) Flujo (lb/h) de vapor y agua de enfriamiento que se consume.

18. A=10000 lb/h
XA=0,40
YA=0,60
TA=70°F
HA=
CpA= W= lb/h
XW=0,01
YW=0,99
TW=268°F
HW=
CpW=
D= lb/h
XD=0,995
YD=0,05
TD=178°F
HD=
CpD=
H2O= lb/h
T1: 60°F
T2: 170°F
Vapor H2O saturado= lb/h
T1: 280°F
T2: °F
R=L/D=6
Treferencia: 70°F

19. Balance Total de Materia:
Balance Parcial de Benceno:
Balance Parcial de Cloroformo:
Despejando ecuaciones, se hallan:
D=
L=
W=
G=

20. Balance de Energía
Alimentación:
CpA= XA (Cpbenceno) + YA (Cp cloroformo)= 0,40 (Cpbenceno) + 0,60(Cp cloroformo)
CpA=
HA= CpA (Tf-Treferencia)= CpA (70°F-70°F)= 0
Producto de cola:
CpW= XW (Cpbenceno) + YW (Cpcloroformo)= 0,01 (Cpbenceno) + 0,99(Cpcloroformo)
CpW=
HW= CpW (Tf-Treferencia)= CpW (268°F-70°F)=

21. Producto de cabeza:
CpD= XD (Cpbenceno) + YD(Cpcloroformo)= 0,995 (Cpbenceno) + 0,005(Cpcloroformo)
CpD=
HD= CpD (Tf-Treferencia)= CpD (178°F-70°F)=
Calor en el condensador:
Qc= m agua Cp agua (Tf-Ti)= DHD + L HL
Calor del recalentador:
Qr= Qc -A HA +DHD W HW

22. GRACIAS POR SU ATENCIÓN
karina.lozada@unmsm.edu.pe.