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Este documento presenta los temas y clases de un curso sobre balances de materia y energía. El tema 1 trata sobre balances de masa, incluyendo preliminares, fundamentos, balances múltiples y aplicaciones computacionales. El tema 2 cubre sistemas monofásicos como gases, vapores, líquidos y sólidos. El tema 3 trata balances de energía. Finalmente, el tema 4 analiza procesos reactivos y el tema 5 se enfoca en la combustión. El documento incluye definiciones clave y ejemplos de balances para diferentes

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BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Tema 1: BALANCES DE MASA Clase 1: • Preliminares: INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN INGENIERÍA QUÍMICA (dimensiones y unidades de conversión, variables del proceso). Clase 2 • Fundamentos de los balances de masa. Clasificación de los procesos. • Balances: cálculos de balances de masa, • Balances en procesos de múltiples unidades Clase 3 • Balances para sistemas reactivos. Reacciones de combustión • recirculación" purga, y derivación. Clase 4 • Aplicaciones con herramientas computacionales. Taller
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Tema 2: Sistemas Monofasicos (GASES, VAPORES, LIQUIDOS y SÓLIDOS) (Clase 5) • Sistemas de una Sola Fase. Densidad en Líquidos y Sólidos. Gases Ideales. Gases Reales. Presión de Vapor y Líquidos. Saturación. Clase 6 y 7: Sistemas Multifásicos Clase 8: Taller (30%)
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Tema 3: BALANCES DE ENERGIA (Clase 9 y 10) • Formas de energía: la primera ley de la termodinámica, energía cinética y energía potencial. Balances de energía para sistemas cerrados y sistemas abiertos en régimen permanente. • Empleo de tablas termodinámicas. • Procedimiento de balance de energía. • Balances de energía mecánica. • Balances en procesos no reactivos. • Propiedades de estado. • Cambios de presión a temperatura constante. • Cambios en la temperatura. Calores de reacción. Ley de Hess. • Reacciones de formación y calores de formación. • Calores de combustión. • Balances en procesos reactivos. • Combustibles y combustión. • Aplicaciones con herramientas computacionales
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Clase 11 : Clase 12: Taller (30%)
BALANCE DE MATERIA con REACCIONES QUÍMICAS A F1 F2 F3 Múltiples etapas Una etapa + B C
Tema 4. Procesos Reactivos REACTIVO LIMITANTE: Es el reactivo que se agota primero; si la reacción ocurre por completo. Es aquel reactivo que se encuentra en menor proporción estequiométrica REACTIVO EN EXCESO: Se encuentra en mayor proporción que la estequiométrica respecto al reactivo limitante. Repaso de algunos conceptos
CANTIDAD TEÓRICA: Es la cantidad necesaria de un reactivo para hacer que reaccione completamente TODO EL REACTIVO LIMITANTE en la reacción principal. No depende del Grado de Conversión.
Tema 4. Procesos Reactivos 100    cos teóri i reactivo cos teóri i reactivo entados lim a i reactivo i reactivo n n n Exceso % PORCENTAJE EN EXCESO Es la RELACIÓN PORCENTUAL entre la cantidad en exceso de un reactivo y la cantidad teórica de este reactivo.
GRADO DE CONVERSIÓN: Es la relación entre la cantidad de reactivo consumido en la reacción y la cantidad alimentada de éste. RENDIMIENTO DE UNA REACCION Es una relación que permite visualizar el alcance de la reacción en cuanto a la cantidad de productos obtenida. 100 n n Conversión % entado lim a reactivo consumido reactivo i reactivo   Tema 4. Procesos Reactivos
Más definiciones Tema 4. Procesos Reactivos 100   teórico producto obtenido producto n n ndmiento Re % undario sec B producto principal A producto n n B A ad Selectivid 
Tabla de Balance de Materia Los Balances de Materia pueden ser presentados en una Tabla que podría tener siguiente forma: N° SUSTANCIA ENTRADA – CONSUMO + GENERACION - SALIDA = ACUMULACIÓN X1iF1 + . . . - Ci + Gii – Xm+1iFm+1 – ... = Ai 1 A = . . . . . . m Total Tema 3. Procesos no Reactivos
Ejercicio: 2.- Se Tiene un Horno en que se lleva a cabo la siguiente reacción: Fe2O3 (S) + C(S) Fe (S) + CO (g) Se mezcla 1000 Lbm de carbón (Coque) con 2000 Lbm de Óxido de Hierro (III). Reacciona el 85% del reactivo limitante. Realice: a) Diagrama de flujo del proceso a) el análisis de los GRADOS DE LIBERTAD y b) encuentre la composición y el flujo másico de las corriente sólida y gaseosa que salen del proceso.
Fe2O3 (S) + 3 C(S) 2 Fe (S) + 3 CO (g) Proporción relativa = moles alimentados c.e < R.L Grado de avance = α Relación de moles consumidos en una reacción RELACIONES SUMINISTRADAS: 85% DE CONVERSIÓN DEL RL Grado de avance = α = 10,64 lbmol Moles consumidos de R.E = moles i de R.L * F.E 0 31,92Lbmol de Carbono O por moles cons C= 3* α = 31,92 lbmol.
Reacciones Múltiples Tema 4. Procesos Reactivos C6H6 + Cl2  C6H5Cl + HCl CONSECUTIVAS ó EN SERIE C6H5Cl + Cl2  C6H4Cl2 + HCl C6H4Cl2 + Cl2  C6H3Cl3 + HCl
Reacciones Múltiples Tema 4. Procesos Reactivos C2H6 + 4 O2  2 CO2 + 3 H2O SIMULTÁNEAS ó EN PARALELO 2 C2H6 + O2  (C2H4)2O+ 2 H2
BALANCES DE MATERIA EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN
Combustión Tema 5. Combustión C2H6 + 4 O2  2 CO2 + 3 H2O Es una reacción violenta de oxidación entre un COMBUSTIBLE y OXÍGENO, y cuya finalidad principal es la obtención de ENERGÍA EN FORMA DE CALOR (Q). COMBUSTIBLE (C,H) + O2 Q + CO2 + H2O
Y como FLUIDO DE CALENTAMIENTO equipos Transferencia de calor (Condensadores, Tanques, Rehervidores y etc.). usa OPERACIÓN DE TURBINAS (GENERADORES DE ELECTRICIDAD) CALOR aprovechado (calderas) PRODUCCIÓN DE VAPOR DE AGUA, Combustión Tema 5. Combustión
Combustible Tema 5. Combustión Son SUSTANCIAS que, por lo general, son de ORIGEN FÓSIL compuestas por Carbono(C) e Hidrógeno(H), aunque pueden contener otras sustancias Oxígeno(O), Azufre(S) y Nitrógeno(N).
Tipos de Combustible SÓLIDOS Una Mezcla de: Carbono, Agua, ceniza no combustible, Hidrocarburos y Azufre Carbón de Hulla Desperdicios COMPOSICIÓN VARIADA Tema 5. Combustión Coque (carbón)
Tipos de Combustible Líquidos Tema 5. Combustión • Gasolina Destilados de Petróleo • Gasoil • Kerosene Alcoholes Alcohol Metilico (CH3OH) Alquitrán y Aceites Una Mezcla de: Hidrocarburos Pesados y algo de azufre
Tipos de Combustible Gaseosos Tema 5. Combustión Gas Natural Hidrocarburos Ligeros (compuestos orgánicos) Una Mezcla de: 80-95% CH4, C2H6, C3H8, C4H10,C5H12, C6H14, C7H16, N2, CO2. Hidrógeno y Acetileno (C2H2)
Química de la Combustión +  + La reacción de combustión es una oxidación donde: • El Carbono enlazado (C-) se oxida para formar: - Dióxido de Carbono (CO2) - Monóxido de Carbono (CO) • El Hidrógeno enlazado (H-) se oxida para formar Agua (H2O) • El Azufre enlazado (S-) se oxida para formar Anhídrido Sulfuroso (SO2) Tema 5. Combustión
Combustión Completa • Todo el Carbono enlazado (C-) que reacciona forma: Dióxido de Carbono (CO2) . • Esta reacción es la Reacción Principal pues genera la mayor cantidad de Energía. • El carbono pasa a su máximo estado de oxidación(+4). Tema 5. Combustión CnHm + (n + ) O2  n CO2 + H2O 4 m 2 m
Combustión Incompleta • Todo el Carbono enlazado (C-) que reacciona forma: Monóxido de Carbono (CO) . • Esta reacción es la Reacción Secundaria pues genera la menor cantidad de Energía. • El carbono pasa a un estado de oxidación intermedio (+2). Tema 5. Combustión CnHm + ( + ) O2  n CO + H2O 4 m 2 n 2 m
C2H6 + O2  2 CO + 3 H2O 2 7 Ejemplos de Reacciones de Combustión Combustión Completa Tema 5. Combustión C + O2  CO2 C + O2  CO 2 1 Combustión Incompleta Combustión del Etano C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O 2 5 Completa Incompleta
C2H6 + O2  2 CO + 3 H2O Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión Tema 5. Combustión Combustión del Etano C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O Completa Incompleta Favorcer 1ª reacción Proporciones reacciones: Relación masa o moles entre el Combustible y el oxígeno Poco O2 ------------------------- CO o combustible no reacciona Exceso de O2 ----------------- no reacciona Exceso adecuado -------------favorece la combustión completa alimentarse en proporciones adecuadas 7/2 5/2
Tema 5. Combustión Fuente de Oxígeno El oxígeno se obtiene de Aire Aire Es un mezcla de gases constituida por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) como elemento básico (99 %) y el resto como gases nobles, vapor de Agua , Dióxido de Carbono y partículas.
Tema 5. Combustión Composición del Aire Sustancia % (v/v) Nitrógeno (N2) 78,08 % Oxígeno (O2) 20,95 % Argón (Ar) 0,93 % Anhídrido Carbónico (CO2) 0,03 % Neón (Ne) 0,018 % Helio (He) 0,005 % Criptón (Kr) 0,001 % Hidrógeno (H2) 0,00006 % Ozono (O3) 0,00004 % Xenón (Xe) 0,000008 %
Tema 5. Combustión Composición del Aire 21% 79%
Tema 5. Combustión Términos Importantes Gas de Chimenea Son todos los gases que provienen del proceso de combustión, incluyendo el vapor de agua: H2O, CO, CO2, N2, O2 , combustible sin reaccionar (gas) y otros. También Llamado: Gas de Combustión Gas de Salida, Gas residual Gas de Emisión
Tema 5. Combustión Términos Importantes Composición en Base Húmeda Es la composición del gas de chimenea con todos sus componentes (incluyendo el agua). Composición en Base Seca Es la composición del gas de chimenea exceptuando el Agua es decir, en una base libre de agua. También llamada: ANALISIS ORSAT
Tema 5. Combustión Términos Importantes Análisis Orsat Es un procedimiento de análisis mediante el cual se recoge una muestra gaseosa en diferentes soluciones acuosas que absorben todos los componentes del mismo. Como se recogen sobre soluciones acuosas es imposible determinar la cantidad de agua por este método.
Tema 5. Combustión Oxígeno Teórico Es la cantidad de oxígeno requerida para que: Se consuma TODO el combustible en la reacción de Combustión Completa. Aire Teórico Es la cantidad de Aire que contiene el Oxígeno Teórico. Términos Importantes Exceso de Aire (o Exceso de Oxígeno) Es la cantidad de aire o de oxígeno que excede la cantidad teórica o requerida.
Tema 5. Combustión Diagrama de flujo para una unidad de combustión Cámara de Combustión Combustible C,H Agente oxidante Residuos no combustibles Gases procedentes de la combustión
Ejercicio (combustión) Se alimentan C2H6 a una unidad de combustión en la relación 2:10, la fuente de oxígeno es el aire. Se van a procesar 250 moles de etano. En el reactor se dan las siguientes reacciones C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3H2O C2H6 +5/2 2 CO + 3 H2O Calcular: a) Cantidad teórica de Oxígeno b) Cantidad teórica de aire c) Porcentaje de exceso de oxígeno d) Porcentaje de exceso de aire
Ejercicio 2 (combustión) Se tiene una mezcla de combustible gaseoso cuya composición es de 40% C2H6, 20% C3H8 y 40% de H2. El etano reacciona según combustion completa. El 95% del propano reacciona por combustión completa y el 95% por combustión incompleta y el hidrogeno reacciona completamente. Se utiliza un 70% de exceso de aire y se procesan 500 moles/hora de combustible. Realice: a) El análisis de los grados de libertad b) Cálculos para determinar el flujo y la composición en base seca del gas de chimenea
Ejercicio (combustión) Solución: Cámara de combustión C2H6, 40% , XC2H6 = 0,40 C3H8, 20%, XC3H8 = 0,20 H2 , 40% , XH2 = 0,40 F1 F2 N2 79% , Xn2 = 0,79 O2 21% , XO2 = 0,21 70% exceso de AIRE AIRE F3 CO2 H2O O2 N2 CO
Balances Elementales Alguna composición del sistema No: información completa de estequiometría Fracciones de conversión reacciones Uso: sistemas procesan FÓSILES materiales contienen Hidrocaburos (restos orgánicos plantas y animales) composición molar difícil conocer
Balances Elementales atg de ese mismo elemento PROCESO atg de un elemento Plantear B.E utilizar estequiometría interna del compuesto Nº ATG e k = Nº moles del compuesto x Co e K Donde: Nº ATG e k = número de átomos gramos del elemento e en el compuesto K Co e K = coeficiente estequiométrico del elemento e en el compuesto K
Balances Elementales Combinando ecuaciones anteriores NºTotal de átomos de un elemento en una corriente es: Nº ATG e Fi = ∑Xi k * Fi* Co e K m i =1 Ley de Conservación de la materia: Generación y consumo =0 Cantidad de moles de un compuesto K en la corriente i
Ejercicio: Balances Elementales Se quema un aceite combustible que tan solo contiene carbono e hidrogeno. El análisis de Orsat de los gases de combustión es 11,0% de CO2, 0,3% de CO, 5,0% de O2 , 83,7% de N2. Realice: a) Análisis de los grados de libertad del proceso b) Sistema de ecuaciones de balance de materia y resuélvalo para encontrar la formula empírica del aceite. c) Cálculos necesarios para determinar ¿cuál es el porcentaje de exceso de aire utilizado? d) Composición en base húmeda.
Ejercicio 2 : Balances Elementales Los gases de chimenea de un aceite combustible formado por C, H y O quemados con un 20% de oxígeno produce un gas de combustión cuya composición en base seca es 5,50% de CO2, 1,0% de CO, 2,6% de O2 y el resto es N2. Realice: a) Análisis de los grados de libertad del proceso b) Sistema de ecuaciones de balance de materia y resuélvalo para encontrar el % en peso de cada uno de los elementos presentes en el aceite combustible.
CONFIGURACIONES ESPECIALES Corrientes de Recirculación Divisor y Purgado Corrientes de Desviación
Recirculación Implica regresar el material desde un PUNTO que se encuentra una o varias ETAPAS después de la UNIDAD de PROCESO a: Configuraciones Especiales Corrientes de Recirculación 1.- La misma UNIDAD DE PROCESO Unidad d Proceso Unidad de separación Recirculación
Unidad de Proceso Unidad de separación Recirculación Punto de mezclado 2.- Un punto anterior a la UNIDAD donde se mezcla con la alimentación original. Configuraciones Especiales Recirculación Corrientes de Recirculación
Corrientes de Recirculación Este tipo de corrientes no agrega ninguna consideración adicional para resolver los problemas de Balance de Materia solo que el proceso opera en ESTADO ESTACIONARIO, Acumulación = 0 los Flujos de Recirculación son constantes. Tema 6. Configuraciones Especiales
Nomenclatura Unidad de Proceso separador Tema 6. Configuraciones Especiales F2 F1 Alimentación Fresca Alimentación al Proceso R Recirculación Alimentación Combinada Alimentación a la Unidad de Proceso Mezclador
¿Por Qué Recircular? Configuraciones Especiales
Tema 6. Configuraciones Especiales PROCESAR REACTIVOS NO CONSUMIDOS
Recirculación en Procesos Reactivos PROCESAR REACTIVOS NO CONSUMIDOS Aumentar la CONVERSIÓN de los reactivos en el proceso. Tema 6. Configuraciones Especiales Los reactivos no consumidos son separados de los productos y alimentados nuevamente al Reactor. Reactivos no consumidos Reactor Separador Productos Reactivos Frescos
Conversión por Etapa Tema 6. Configuraciones Especiales Reactor Separador Productos Reactivos Frescos Reactivos alimentados Reactor 100   REACTOR al entado lim a reactivo REACTOR el en consumido reactivo i reactivo n n Etapa por Conversión % Es la conversión de un reactivo, referida a la cantidad que se alimenta de éste al REACTOR, ETAPA ó UNIDAD DE PROCESO donde ocurre la reacción química. También llamada Conversión por PASO o Conversión en el REACTOR .
Conversión Global Tema 6. Configuraciones Especiales Reactor Separador Productos Reactivos Frescos Reactivos alimentados Reactor 100   ) FRESCOS ( PROCESO entado lim a reactivo PROCESO el en consumido reactivo i reactivo n n Global Conversión % Es la conversión de un reactivo referido a lo que se Alimenta de éste al Proceso, es decir, el que se encuentra en la Alimentación Fresca.
Comparación de las Conversiones Configuraciones Especiales Si se logran separar todos los reactivos de los productos (Eficiencia de Separación =100%): % Conversión en el reactor < % Conversión Global = 100% Si se no se logran separar todos los reactivos de los productos (Eficiencia de Separación <100%): % Conversión en el reactor < % Conversión Global < 100%
Configuraciones Especiales RECUPERACIÓN DE CATALIZADORES En procesos con reacciones químicas que utilizan catalizadores y éstos salen con los productos, en una etapa posterior se separan de los productos y/o se regeneran y se recirculan al reactor para ser reutilizados.
Otras razones para recircular en procesos reactivos Configuraciones Especiales CONTROL SOBRE LAS REACCIONES SECUNDARIAS Si se recicla uno de los reactivos de manera que siempre este en exceso se pueden controlar las reacciones secundarias favoreciendo la reacción principal.
Recirculación en Procesos NO Reactivos REUTILIZACIÓN DE SOLVENTES Si el proceso se lleva a cabo en un diluyente (solvente), una vez ocurrido el mismo se separan los productos del solvente y éste se recicla para su reutilización. Tema 6. Configuraciones Especiales Ejemplos: • Absorción de Gases, Recirculación del Absorbente • Extracción de Aceites con Hexano, Recirculación del Hexano.
Recirculación en Procesos NO Reactivos FACILITAR EL MANEJO DE UN MATERIAL Generalmente en los procesos que implican FILTRACIÓN y manejo de LODOS, se recicla el filtrado para diluir los LODOS de tal forma de hacerlos más fluidos, facilitando así su transporte por tuberías a través de Bombas. Tema 6. Configuraciones Especiales Ejemplos • Cristalización, Recirculación del filtrado.
Ejercicio Tema 6. Configuraciones Especiales Se desea desalinizar agua de mar a través de un proceso de Osmosis inversa (es una especie de filtración). Utilizando los datos que se muestran en la figura, calcule. a)El flujo del salmuera (B) en ton/día b) El flujo de agua desalinizada (D) en ton/día c) El flujo de recirculación de la Salmuera (R) en ton/día Celda de Ósmosis Inversa D R: recirculación de la salmuera 850 Ton/día Agua de Mar 3% de Sal 4% de Sal Salmuera 5,25% de Sal
Divisor y Purgado Configuraciones Especiales La PURGA es un flujo que se utiliza para eliminar alguna forma sustancias INERTES o INDESEABLES que de no hacerlo se acumularían en el Flujo de RECIRCULACIÓN. Generalmente esto sucede cuando los reactivos no consumidos ya separados de los productos contienen inertes que son de difícil separación y que no salen del proceso en ningún otro Flujo. El Flujo de PURGADO asegura que la misma cantidad de inertes que entran al proceso sean retirados de este.
Purgado F1 F4 Unidad de Proceso Separador Configuraciones Especiales R Flujo de Purgado Alimentación fresca •Reactivos •Inertes • PRODUCTOS + •Reactivos NC • Inertes • Producto FINAL Recirculación: •Reactivos NC • Inertes • Reactivos NC • Inertes P DIVISOR DE FLUJO Alimentación Combinada •Reactivos • Inertes
¿Qué pasa con la Conversión Global ? Configuraciones Especiales En este tipo de procesos: % Conversión en el reactor < % Conversión Global < 100% La conversión Global nunca será 100%
Divisor Configuraciones Especiales Este equipo permite hacer la purga o derivación Divide la corriente en dos , pero no separa los componentes y por tanto: • Las composiciones de todas las corrientes que participan son iguales.( se comporta como si tuviese un solo componente) • Máximo, se puede realizar un Balance de materia Independiente. F1 F2 F3
Divisor Configuraciones Especiales F1 F2 F3 BALANCE DE MATERIA: Nº Is= igual + Re Nº Ciconocidas en un solo flujo Re= restricción en el divisor Re= (s-1)* (M-1) Donde: S = numero de sustancias M= numero de subdivisiones
Corrientes de Desviación Configuraciones Especiales
Desviación o By Pass Es un flujo que pasa por alto una o más etapas del Proceso y llega directamente a una Etapa posterior. Configuraciones Especiales Unidad de Proceso Separador Material Desviado Productos Material Fresco DIVISOR DE FLUJO
¿Por Qué Desviar una corriente? Configuraciones Especiales
Mejorar las características de un producto Si se desea restituirle al producto algunas características de la materia prima que son importantes para el producto final y que se pierden durante el procesamiento tales como sabor y olor (ejemplo: pasteurización de jugos). Configuraciones Especiales Unidad de proceso Separador Material Desviado Productos Material Frescos DERIVACIÓN
Disminuir la conversión Si la conversión para cada reactivo a producto es mayor que la deseada y las reacciones son irreversibles, se derivan o desvían parte de los reactivos para disminuir la conversión global Configuraciones Especiales Ractor Separador Reactivos Desviados Productos Reactivos Frescos % Conversión Global < % Conversión en el reactor
Ejercicio Configuraciones Especiales Cierta industria que fabrica mermelada utiliza un proceso que incluye una corriente de derivación con el objeto de mejorar el sabor de la mermelada. La mermelada elaborada debe contener una cuarta parte del agua y el resto partes iguales de sólidos de fresa y azúcar. La corriente que sale del evaporador no debe contener mas del 50% de azúcar. Se deben producir 1000kg/día de mermelada de fresa. Realice el análisis de los grados de libertad. Plantee el sistema de ecuaciones y calcule los flujos de cada una de las corrientes del proceso.
Ejercicio Configuraciones Especiales Evaporador Mezclador F2 Derivación Mermelada Agua 25% Azúcar Sólidos de fresas 1000kg/día Fresas Sólidos de fresas 15% Agua 85% azúcar agua Azúcar 50% Mezclador F1 F4 F3 F5 F6 F7 F8

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  • 1.
  • 2.
    BALANCE DE MATERIAY ENERGÍA Tema 1: BALANCES DE MASA Clase 1: • Preliminares: INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN INGENIERÍA QUÍMICA (dimensiones y unidades de conversión, variables del proceso). Clase 2 • Fundamentos de los balances de masa. Clasificación de los procesos. • Balances: cálculos de balances de masa, • Balances en procesos de múltiples unidades Clase 3 • Balances para sistemas reactivos. Reacciones de combustión • recirculación" purga, y derivación. Clase 4 • Aplicaciones con herramientas computacionales. Taller
  • 3.
    BALANCE DE MATERIAY ENERGÍA Tema 2: Sistemas Monofasicos (GASES, VAPORES, LIQUIDOS y SÓLIDOS) (Clase 5) • Sistemas de una Sola Fase. Densidad en Líquidos y Sólidos. Gases Ideales. Gases Reales. Presión de Vapor y Líquidos. Saturación. Clase 6 y 7: Sistemas Multifásicos Clase 8: Taller (30%)
  • 4.
    BALANCE DE MATERIAY ENERGÍA Tema 3: BALANCES DE ENERGIA (Clase 9 y 10) • Formas de energía: la primera ley de la termodinámica, energía cinética y energía potencial. Balances de energía para sistemas cerrados y sistemas abiertos en régimen permanente. • Empleo de tablas termodinámicas. • Procedimiento de balance de energía. • Balances de energía mecánica. • Balances en procesos no reactivos. • Propiedades de estado. • Cambios de presión a temperatura constante. • Cambios en la temperatura. Calores de reacción. Ley de Hess. • Reacciones de formación y calores de formación. • Calores de combustión. • Balances en procesos reactivos. • Combustibles y combustión. • Aplicaciones con herramientas computacionales
  • 5.
    BALANCE DE MATERIAY ENERGÍA Clase 11 : Clase 12: Taller (30%)
  • 6.
    BALANCE DE MATERIAcon REACCIONES QUÍMICAS A F1 F2 F3 Múltiples etapas Una etapa + B C
  • 7.
    Tema 4. ProcesosReactivos REACTIVO LIMITANTE: Es el reactivo que se agota primero; si la reacción ocurre por completo. Es aquel reactivo que se encuentra en menor proporción estequiométrica REACTIVO EN EXCESO: Se encuentra en mayor proporción que la estequiométrica respecto al reactivo limitante. Repaso de algunos conceptos
  • 8.
    CANTIDAD TEÓRICA: Es lacantidad necesaria de un reactivo para hacer que reaccione completamente TODO EL REACTIVO LIMITANTE en la reacción principal. No depende del Grado de Conversión.
  • 9.
    Tema 4. ProcesosReactivos 100    cos teóri i reactivo cos teóri i reactivo entados lim a i reactivo i reactivo n n n Exceso % PORCENTAJE EN EXCESO Es la RELACIÓN PORCENTUAL entre la cantidad en exceso de un reactivo y la cantidad teórica de este reactivo.
  • 10.
    GRADO DE CONVERSIÓN: Esla relación entre la cantidad de reactivo consumido en la reacción y la cantidad alimentada de éste. RENDIMIENTO DE UNA REACCION Es una relación que permite visualizar el alcance de la reacción en cuanto a la cantidad de productos obtenida. 100 n n Conversión % entado lim a reactivo consumido reactivo i reactivo   Tema 4. Procesos Reactivos
  • 11.
    Más definiciones Tema 4.Procesos Reactivos 100   teórico producto obtenido producto n n ndmiento Re % undario sec B producto principal A producto n n B A ad Selectivid 
  • 12.
    Tabla de Balancede Materia Los Balances de Materia pueden ser presentados en una Tabla que podría tener siguiente forma: N° SUSTANCIA ENTRADA – CONSUMO + GENERACION - SALIDA = ACUMULACIÓN X1iF1 + . . . - Ci + Gii – Xm+1iFm+1 – ... = Ai 1 A = . . . . . . m Total Tema 3. Procesos no Reactivos
  • 13.
    Ejercicio: 2.- Se Tieneun Horno en que se lleva a cabo la siguiente reacción: Fe2O3 (S) + C(S) Fe (S) + CO (g) Se mezcla 1000 Lbm de carbón (Coque) con 2000 Lbm de Óxido de Hierro (III). Reacciona el 85% del reactivo limitante. Realice: a) Diagrama de flujo del proceso a) el análisis de los GRADOS DE LIBERTAD y b) encuentre la composición y el flujo másico de las corriente sólida y gaseosa que salen del proceso.
  • 14.
    Fe2O3 (S) +3 C(S) 2 Fe (S) + 3 CO (g) Proporción relativa = moles alimentados c.e < R.L Grado de avance = α Relación de moles consumidos en una reacción RELACIONES SUMINISTRADAS: 85% DE CONVERSIÓN DEL RL Grado de avance = α = 10,64 lbmol Moles consumidos de R.E = moles i de R.L * F.E 0 31,92Lbmol de Carbono O por moles cons C= 3* α = 31,92 lbmol.
  • 15.
    Reacciones Múltiples Tema 4.Procesos Reactivos C6H6 + Cl2  C6H5Cl + HCl CONSECUTIVAS ó EN SERIE C6H5Cl + Cl2  C6H4Cl2 + HCl C6H4Cl2 + Cl2  C6H3Cl3 + HCl
  • 16.
    Reacciones Múltiples Tema 4.Procesos Reactivos C2H6 + 4 O2  2 CO2 + 3 H2O SIMULTÁNEAS ó EN PARALELO 2 C2H6 + O2  (C2H4)2O+ 2 H2
  • 17.
    BALANCES DE MATERIA ENPROCESOS DE COMBUSTIÓN
  • 18.
    Combustión Tema 5. Combustión C2H6+ 4 O2  2 CO2 + 3 H2O Es una reacción violenta de oxidación entre un COMBUSTIBLE y OXÍGENO, y cuya finalidad principal es la obtención de ENERGÍA EN FORMA DE CALOR (Q). COMBUSTIBLE (C,H) + O2 Q + CO2 + H2O
  • 19.
    Y como FLUIDO DECALENTAMIENTO equipos Transferencia de calor (Condensadores, Tanques, Rehervidores y etc.). usa OPERACIÓN DE TURBINAS (GENERADORES DE ELECTRICIDAD) CALOR aprovechado (calderas) PRODUCCIÓN DE VAPOR DE AGUA, Combustión Tema 5. Combustión
  • 20.
    Combustible Tema 5. Combustión SonSUSTANCIAS que, por lo general, son de ORIGEN FÓSIL compuestas por Carbono(C) e Hidrógeno(H), aunque pueden contener otras sustancias Oxígeno(O), Azufre(S) y Nitrógeno(N).
  • 21.
    Tipos de Combustible SÓLIDOS UnaMezcla de: Carbono, Agua, ceniza no combustible, Hidrocarburos y Azufre Carbón de Hulla Desperdicios COMPOSICIÓN VARIADA Tema 5. Combustión Coque (carbón)
  • 22.
    Tipos de Combustible Líquidos Tema5. Combustión • Gasolina Destilados de Petróleo • Gasoil • Kerosene Alcoholes Alcohol Metilico (CH3OH) Alquitrán y Aceites Una Mezcla de: Hidrocarburos Pesados y algo de azufre
  • 23.
    Tipos de Combustible Gaseosos Tema5. Combustión Gas Natural Hidrocarburos Ligeros (compuestos orgánicos) Una Mezcla de: 80-95% CH4, C2H6, C3H8, C4H10,C5H12, C6H14, C7H16, N2, CO2. Hidrógeno y Acetileno (C2H2)
  • 24.
    Química de laCombustión +  + La reacción de combustión es una oxidación donde: • El Carbono enlazado (C-) se oxida para formar: - Dióxido de Carbono (CO2) - Monóxido de Carbono (CO) • El Hidrógeno enlazado (H-) se oxida para formar Agua (H2O) • El Azufre enlazado (S-) se oxida para formar Anhídrido Sulfuroso (SO2) Tema 5. Combustión
  • 25.
    Combustión Completa • Todoel Carbono enlazado (C-) que reacciona forma: Dióxido de Carbono (CO2) . • Esta reacción es la Reacción Principal pues genera la mayor cantidad de Energía. • El carbono pasa a su máximo estado de oxidación(+4). Tema 5. Combustión CnHm + (n + ) O2  n CO2 + H2O 4 m 2 m
  • 26.
    Combustión Incompleta • Todoel Carbono enlazado (C-) que reacciona forma: Monóxido de Carbono (CO) . • Esta reacción es la Reacción Secundaria pues genera la menor cantidad de Energía. • El carbono pasa a un estado de oxidación intermedio (+2). Tema 5. Combustión CnHm + ( + ) O2  n CO + H2O 4 m 2 n 2 m
  • 27.
    C2H6 + O2 2 CO + 3 H2O 2 7 Ejemplos de Reacciones de Combustión Combustión Completa Tema 5. Combustión C + O2  CO2 C + O2  CO 2 1 Combustión Incompleta Combustión del Etano C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O 2 5 Completa Incompleta
  • 28.
    C2H6 + O2 2 CO + 3 H2O Condiciones que favorecen las Reacciones de Combustión Tema 5. Combustión Combustión del Etano C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O Completa Incompleta Favorcer 1ª reacción Proporciones reacciones: Relación masa o moles entre el Combustible y el oxígeno Poco O2 ------------------------- CO o combustible no reacciona Exceso de O2 ----------------- no reacciona Exceso adecuado -------------favorece la combustión completa alimentarse en proporciones adecuadas 7/2 5/2
  • 29.
    Tema 5. Combustión Fuentede Oxígeno El oxígeno se obtiene de Aire Aire Es un mezcla de gases constituida por nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) como elemento básico (99 %) y el resto como gases nobles, vapor de Agua , Dióxido de Carbono y partículas.
  • 30.
    Tema 5. Combustión Composicióndel Aire Sustancia % (v/v) Nitrógeno (N2) 78,08 % Oxígeno (O2) 20,95 % Argón (Ar) 0,93 % Anhídrido Carbónico (CO2) 0,03 % Neón (Ne) 0,018 % Helio (He) 0,005 % Criptón (Kr) 0,001 % Hidrógeno (H2) 0,00006 % Ozono (O3) 0,00004 % Xenón (Xe) 0,000008 %
  • 31.
  • 32.
    Tema 5. Combustión TérminosImportantes Gas de Chimenea Son todos los gases que provienen del proceso de combustión, incluyendo el vapor de agua: H2O, CO, CO2, N2, O2 , combustible sin reaccionar (gas) y otros. También Llamado: Gas de Combustión Gas de Salida, Gas residual Gas de Emisión
  • 33.
    Tema 5. Combustión TérminosImportantes Composición en Base Húmeda Es la composición del gas de chimenea con todos sus componentes (incluyendo el agua). Composición en Base Seca Es la composición del gas de chimenea exceptuando el Agua es decir, en una base libre de agua. También llamada: ANALISIS ORSAT
  • 34.
    Tema 5. Combustión TérminosImportantes Análisis Orsat Es un procedimiento de análisis mediante el cual se recoge una muestra gaseosa en diferentes soluciones acuosas que absorben todos los componentes del mismo. Como se recogen sobre soluciones acuosas es imposible determinar la cantidad de agua por este método.
  • 35.
    Tema 5. Combustión OxígenoTeórico Es la cantidad de oxígeno requerida para que: Se consuma TODO el combustible en la reacción de Combustión Completa. Aire Teórico Es la cantidad de Aire que contiene el Oxígeno Teórico. Términos Importantes Exceso de Aire (o Exceso de Oxígeno) Es la cantidad de aire o de oxígeno que excede la cantidad teórica o requerida.
  • 36.
    Tema 5. Combustión Diagramade flujo para una unidad de combustión Cámara de Combustión Combustible C,H Agente oxidante Residuos no combustibles Gases procedentes de la combustión
  • 37.
    Ejercicio (combustión) Se alimentanC2H6 a una unidad de combustión en la relación 2:10, la fuente de oxígeno es el aire. Se van a procesar 250 moles de etano. En el reactor se dan las siguientes reacciones C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3H2O C2H6 +5/2 2 CO + 3 H2O Calcular: a) Cantidad teórica de Oxígeno b) Cantidad teórica de aire c) Porcentaje de exceso de oxígeno d) Porcentaje de exceso de aire
  • 38.
    Ejercicio 2 (combustión) Setiene una mezcla de combustible gaseoso cuya composición es de 40% C2H6, 20% C3H8 y 40% de H2. El etano reacciona según combustion completa. El 95% del propano reacciona por combustión completa y el 95% por combustión incompleta y el hidrogeno reacciona completamente. Se utiliza un 70% de exceso de aire y se procesan 500 moles/hora de combustible. Realice: a) El análisis de los grados de libertad b) Cálculos para determinar el flujo y la composición en base seca del gas de chimenea
  • 39.
    Ejercicio (combustión) Solución: Cámara de combustión C2H6,40% , XC2H6 = 0,40 C3H8, 20%, XC3H8 = 0,20 H2 , 40% , XH2 = 0,40 F1 F2 N2 79% , Xn2 = 0,79 O2 21% , XO2 = 0,21 70% exceso de AIRE AIRE F3 CO2 H2O O2 N2 CO
  • 40.
    Balances Elementales Alguna composición delsistema No: información completa de estequiometría Fracciones de conversión reacciones Uso: sistemas procesan FÓSILES materiales contienen Hidrocaburos (restos orgánicos plantas y animales) composición molar difícil conocer
  • 41.
    Balances Elementales atg deese mismo elemento PROCESO atg de un elemento Plantear B.E utilizar estequiometría interna del compuesto Nº ATG e k = Nº moles del compuesto x Co e K Donde: Nº ATG e k = número de átomos gramos del elemento e en el compuesto K Co e K = coeficiente estequiométrico del elemento e en el compuesto K
  • 42.
    Balances Elementales Combinando ecuacionesanteriores NºTotal de átomos de un elemento en una corriente es: Nº ATG e Fi = ∑Xi k * Fi* Co e K m i =1 Ley de Conservación de la materia: Generación y consumo =0 Cantidad de moles de un compuesto K en la corriente i
  • 43.
    Ejercicio: Balances Elementales Sequema un aceite combustible que tan solo contiene carbono e hidrogeno. El análisis de Orsat de los gases de combustión es 11,0% de CO2, 0,3% de CO, 5,0% de O2 , 83,7% de N2. Realice: a) Análisis de los grados de libertad del proceso b) Sistema de ecuaciones de balance de materia y resuélvalo para encontrar la formula empírica del aceite. c) Cálculos necesarios para determinar ¿cuál es el porcentaje de exceso de aire utilizado? d) Composición en base húmeda.
  • 44.
    Ejercicio 2 :Balances Elementales Los gases de chimenea de un aceite combustible formado por C, H y O quemados con un 20% de oxígeno produce un gas de combustión cuya composición en base seca es 5,50% de CO2, 1,0% de CO, 2,6% de O2 y el resto es N2. Realice: a) Análisis de los grados de libertad del proceso b) Sistema de ecuaciones de balance de materia y resuélvalo para encontrar el % en peso de cada uno de los elementos presentes en el aceite combustible.
  • 45.
  • 46.
    Recirculación Implica regresar elmaterial desde un PUNTO que se encuentra una o varias ETAPAS después de la UNIDAD de PROCESO a: Configuraciones Especiales Corrientes de Recirculación 1.- La misma UNIDAD DE PROCESO Unidad d Proceso Unidad de separación Recirculación
  • 47.
    Unidad de Proceso Unidad de separación Recirculación Punto de mezclado 2.-Un punto anterior a la UNIDAD donde se mezcla con la alimentación original. Configuraciones Especiales Recirculación Corrientes de Recirculación
  • 48.
    Corrientes de Recirculación Estetipo de corrientes no agrega ninguna consideración adicional para resolver los problemas de Balance de Materia solo que el proceso opera en ESTADO ESTACIONARIO, Acumulación = 0 los Flujos de Recirculación son constantes. Tema 6. Configuraciones Especiales
  • 49.
    Nomenclatura Unidad de Proceso separador Tema 6. ConfiguracionesEspeciales F2 F1 Alimentación Fresca Alimentación al Proceso R Recirculación Alimentación Combinada Alimentación a la Unidad de Proceso Mezclador
  • 50.
  • 51.
    Tema 6. ConfiguracionesEspeciales PROCESAR REACTIVOS NO CONSUMIDOS
  • 52.
    Recirculación en Procesos Reactivos PROCESARREACTIVOS NO CONSUMIDOS Aumentar la CONVERSIÓN de los reactivos en el proceso. Tema 6. Configuraciones Especiales Los reactivos no consumidos son separados de los productos y alimentados nuevamente al Reactor. Reactivos no consumidos Reactor Separador Productos Reactivos Frescos
  • 53.
    Conversión por Etapa Tema6. Configuraciones Especiales Reactor Separador Productos Reactivos Frescos Reactivos alimentados Reactor 100   REACTOR al entado lim a reactivo REACTOR el en consumido reactivo i reactivo n n Etapa por Conversión % Es la conversión de un reactivo, referida a la cantidad que se alimenta de éste al REACTOR, ETAPA ó UNIDAD DE PROCESO donde ocurre la reacción química. También llamada Conversión por PASO o Conversión en el REACTOR .
  • 54.
    Conversión Global Tema 6.Configuraciones Especiales Reactor Separador Productos Reactivos Frescos Reactivos alimentados Reactor 100   ) FRESCOS ( PROCESO entado lim a reactivo PROCESO el en consumido reactivo i reactivo n n Global Conversión % Es la conversión de un reactivo referido a lo que se Alimenta de éste al Proceso, es decir, el que se encuentra en la Alimentación Fresca.
  • 55.
    Comparación de las Conversiones ConfiguracionesEspeciales Si se logran separar todos los reactivos de los productos (Eficiencia de Separación =100%): % Conversión en el reactor < % Conversión Global = 100% Si se no se logran separar todos los reactivos de los productos (Eficiencia de Separación <100%): % Conversión en el reactor < % Conversión Global < 100%
  • 56.
    Configuraciones Especiales RECUPERACIÓN DECATALIZADORES En procesos con reacciones químicas que utilizan catalizadores y éstos salen con los productos, en una etapa posterior se separan de los productos y/o se regeneran y se recirculan al reactor para ser reutilizados.
  • 57.
    Otras razones pararecircular en procesos reactivos Configuraciones Especiales CONTROL SOBRE LAS REACCIONES SECUNDARIAS Si se recicla uno de los reactivos de manera que siempre este en exceso se pueden controlar las reacciones secundarias favoreciendo la reacción principal.
  • 58.
    Recirculación en Procesos NOReactivos REUTILIZACIÓN DE SOLVENTES Si el proceso se lleva a cabo en un diluyente (solvente), una vez ocurrido el mismo se separan los productos del solvente y éste se recicla para su reutilización. Tema 6. Configuraciones Especiales Ejemplos: • Absorción de Gases, Recirculación del Absorbente • Extracción de Aceites con Hexano, Recirculación del Hexano.
  • 59.
    Recirculación en Procesos NOReactivos FACILITAR EL MANEJO DE UN MATERIAL Generalmente en los procesos que implican FILTRACIÓN y manejo de LODOS, se recicla el filtrado para diluir los LODOS de tal forma de hacerlos más fluidos, facilitando así su transporte por tuberías a través de Bombas. Tema 6. Configuraciones Especiales Ejemplos • Cristalización, Recirculación del filtrado.
  • 60.
    Ejercicio Tema 6. ConfiguracionesEspeciales Se desea desalinizar agua de mar a través de un proceso de Osmosis inversa (es una especie de filtración). Utilizando los datos que se muestran en la figura, calcule. a)El flujo del salmuera (B) en ton/día b) El flujo de agua desalinizada (D) en ton/día c) El flujo de recirculación de la Salmuera (R) en ton/día Celda de Ósmosis Inversa D R: recirculación de la salmuera 850 Ton/día Agua de Mar 3% de Sal 4% de Sal Salmuera 5,25% de Sal
  • 61.
    Divisor y Purgado ConfiguracionesEspeciales La PURGA es un flujo que se utiliza para eliminar alguna forma sustancias INERTES o INDESEABLES que de no hacerlo se acumularían en el Flujo de RECIRCULACIÓN. Generalmente esto sucede cuando los reactivos no consumidos ya separados de los productos contienen inertes que son de difícil separación y que no salen del proceso en ningún otro Flujo. El Flujo de PURGADO asegura que la misma cantidad de inertes que entran al proceso sean retirados de este.
  • 62.
    Purgado F1 F4 Unidad de Proceso Separador Configuraciones Especiales R Flujo dePurgado Alimentación fresca •Reactivos •Inertes • PRODUCTOS + •Reactivos NC • Inertes • Producto FINAL Recirculación: •Reactivos NC • Inertes • Reactivos NC • Inertes P DIVISOR DE FLUJO Alimentación Combinada •Reactivos • Inertes
  • 63.
    ¿Qué pasa con laConversión Global ? Configuraciones Especiales En este tipo de procesos: % Conversión en el reactor < % Conversión Global < 100% La conversión Global nunca será 100%
  • 64.
    Divisor Configuraciones Especiales Este equipopermite hacer la purga o derivación Divide la corriente en dos , pero no separa los componentes y por tanto: • Las composiciones de todas las corrientes que participan son iguales.( se comporta como si tuviese un solo componente) • Máximo, se puede realizar un Balance de materia Independiente. F1 F2 F3
  • 65.
    Divisor Configuraciones Especiales F1 F2 F3 BALANCEDE MATERIA: Nº Is= igual + Re Nº Ciconocidas en un solo flujo Re= restricción en el divisor Re= (s-1)* (M-1) Donde: S = numero de sustancias M= numero de subdivisiones
  • 66.
  • 67.
    Desviación o ByPass Es un flujo que pasa por alto una o más etapas del Proceso y llega directamente a una Etapa posterior. Configuraciones Especiales Unidad de Proceso Separador Material Desviado Productos Material Fresco DIVISOR DE FLUJO
  • 68.
    ¿Por Qué Desviaruna corriente? Configuraciones Especiales
  • 69.
    Mejorar las característicasde un producto Si se desea restituirle al producto algunas características de la materia prima que son importantes para el producto final y que se pierden durante el procesamiento tales como sabor y olor (ejemplo: pasteurización de jugos). Configuraciones Especiales Unidad de proceso Separador Material Desviado Productos Material Frescos DERIVACIÓN
  • 70.
    Disminuir la conversión Sila conversión para cada reactivo a producto es mayor que la deseada y las reacciones son irreversibles, se derivan o desvían parte de los reactivos para disminuir la conversión global Configuraciones Especiales Ractor Separador Reactivos Desviados Productos Reactivos Frescos % Conversión Global < % Conversión en el reactor
  • 71.
    Ejercicio Configuraciones Especiales Cierta industriaque fabrica mermelada utiliza un proceso que incluye una corriente de derivación con el objeto de mejorar el sabor de la mermelada. La mermelada elaborada debe contener una cuarta parte del agua y el resto partes iguales de sólidos de fresa y azúcar. La corriente que sale del evaporador no debe contener mas del 50% de azúcar. Se deben producir 1000kg/día de mermelada de fresa. Realice el análisis de los grados de libertad. Plantee el sistema de ecuaciones y calcule los flujos de cada una de las corrientes del proceso.
  • 72.
    Ejercicio Configuraciones Especiales Evaporador Mezclador F2 Derivación Mermelada Agua25% Azúcar Sólidos de fresas 1000kg/día Fresas Sólidos de fresas 15% Agua 85% azúcar agua Azúcar 50% Mezclador F1 F4 F3 F5 F6 F7 F8