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Balance de Materia sin reacción química

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Presentación acerca de los fundamentos de balances de materia y energía.

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Balance de Materia sin reacción química Presentation Transcript

  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA ACADÉMICA: TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO: ENERGÉTICA ÁREA DE CONOCIMIENTO: PRINCIPIOS DE INGENIERIA QUIMICA “BALANCE DE MATERIA EN ESTADO ESTACIONARIO SIN REACCIÓN QUÍMICA” Presentado Por: Ing. Jhoanna Ramones
  • 2. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 OPERACIONES BÁSICAS EN ING. QUÍMICA TEMA 1: TIPOS DE ARREGLOS DE FLUJO Balance BASE DE CÁLCULO de Materia Sin Reacción Química BALANCE TOTAL/COMPONENTE SIN REACCIÓN ELEMENTOS DE CORRELACIÓN RECICLO Y DERIVACIÓN, PUNTO DE MEZCLA Y PURGA SATURACIÓN Y HUMEDAD
  • 3. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Lavoisier (1743-1794) ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE Lo que entra a Lo que se Lo que se Lo que sale a Lo que se través de las produce dentro consume dentro través de las acumula dentro fronteras del del sistema del sistema fronteras del del sistema sistema CONSUMO sistema ENTRADA GENERACIÓN SALIDA ACUMULACIÓN Inicio
  • 4. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 •Continuos FORMA DE •Discontinuos o Semi-continuos ALIMENTACIÓN •Intermitentes (Por lotes/carga) COMPORTAMIENTO •Estacionario RESPECTO AL •No Estacionario (Transitorio) TIEMPO Inicio
  • 5. OPERACIONES BÁSICAS EN ING. QUÍMICA Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 PROPIEDADES MANEJO DE UNIDADES IMPORTANTES FORMAS DE EXPRESAR CONCENTR • Sistemas de Unidades • Peso Molecular • Concentración Másica • Factores de Conversión (PM) • Concentración Molar • Densidad (ρ) • Concentración Molal • Gravedad • Fracción Másica (Xi)* Específica (GE) • Fracción Molar (Yi)* (Densidad Relativa)ˆ V NOMENCLATURA Uso de la densidad y • Volumen Específico • Cantidades el peso molecular ( ) másicas/molares (mi/ni) como un factor de • Peso Específico (γ) • Flujos másicos/molares conversión   mi / ni • Temperatura (T) ( ) ˆ • Presión (P) • Propiedades Z Específicas ( ) * Las nomenclaturas Xi y Yi para fracciones másica y molar, respectivamente, son utilizadas por algunos autores, sin embargo, es importante aclarar que en los sistemas líquido-vapor, Xi representa la fracción molar del líquido y Yi la fracción molar del vapor. Inicio
  • 6. OPERACIONES BÁSICAS EN ING. QUÍMICA FACTORES DE Manejo de Unidades CONVERSIÓN Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 Los factores de DIMENSIÓN / UNIDAD EN EL S.I. UNIDAD EN EL S.A.I conversión permiten SISTEMA convertir una B LONGITUD METRO (m) PIE (ft.) A cantidad expresada MASA KILOGRAMO (Kg.) LIBRA (Lb.) en términos de una S I TIEMPO SEGUNDO (s) SEGUNDO (s) unidad a su C TEMPERATURA KELVIN (K) RANKINE (R) equivalente en A (Abs) S términos de otra. CANTIDAD DE MOL (mol) LIBRAMOL (Lbmol) SUSTANCIA Permiten expresar D ENERGÍA JOULE (J) (N.m) BTU (ft.LBF) todas las cantidades E R FUERZA NEWTON (N) LBF en un mismo (Kg.m/s2) sistema, lo que I V POTENCIA WATT (W) (J/s) Hp garantiza A DENSIDAD Kg./m3 Lb./ft3 homogeneidad D A PRESIÓN PASCAL (Pa) (N/m2) PSI (LBF/pulg2) dimensional y los Inicio
  • 7. El Peso Molecular y la Densidad pueden usarse como factores de conversión para transformar entre moles, masa y volumen Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 15 mol/ min lbm/ h mol g 2,202lbm 60min lbm 15 18 35672 , min mol 1000 g 1h h AGUA ρ=1g/cm3 3 PM=18 g/mol 15mol/ s m /h 3 3 3 mol g 1cm 1m 3600 s m 15 18 0,972 s mol 1g 100 cm 1h h MOLES PESO MOLECULAR MASA DENSIDAD VOLUMEN Ir a Principal Inicio
  • 8. OPERACIONES BÁSICAS EN ING. QUÍMICA Propiedades Importantes Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 MOLECULAR PESO PM m Y * PM i i 1 ESCALAS DE TEMPERATURA n Xi PM i • RELATIVAS: Celsius (ºC) y Fahrenheit (ºF) DENSIDAD • ABSOLUTAS: Kelvin (K) y m  m Rankine (R) V  V ESPECÍFICA GRAVEDAD 1K=273,15 ºCDE PRESIÓN ºR ESCALAS y 1R=459,67 sust sust • Absoluta (Referencia: 0 absoluto. GE sust Siempre >0) @ 4º C @ 4º C • Atmosférica (La que se mide con ref ref ESPECÍFICO PESO VOLUMEN un barómetro) ˆ V V 1 • Manométrica (Referencia: La m presión atmosférica) SPECÍFICO • De Vacío (Las que se toman w m*g como negativas por debajo de *g Patm) V V Ir a Principal Inicio
  • 9. OPERACIONES BÁSICAS EN ING. QUÍMICA Formas de expresar Concentración Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 NTRACIÓN: Relación entre las cantidades de un componente y el total de la mezcla que lo A: Relación entre la masa de un componente por unidad de volumen de mezcla. (No confu Relación entre los moles de un componente por unidad de volumen de mezcla. (Molaridad L: Relación entre los moles de un componente por unidad de masa de mezcla. (Molalidad e FRACCIÓN MÁSICA (Xi): Relación entre la masa de un componente y la masa total de la mezcla. Al multiplicar por 100 se obtiene el porcentaje mi  mi másico del compuesto en la mezcla. Xi m  m FRACCIÓN MOLAR (Yi): Relación entre los moles de un componente y los moles totales en la mezcla. Al multiplicar por 100 se obtiene el porcentaje ni  ni molar del compuesto en la mezcla. Y i n  n Inicio
  • 10. TIPOS DE ARREGLOS DE FLUJO Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 E1 S1 S2 PROCESO E2 E1 S1 E2 PROCESO S2 S1 S3 E1 S2 S4 ETAPA 1 ETAPA 2 E2 E3 Inicio
  • 11. BASE DE CÁLCULO (BC) Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 Es la cantidad (masa o moles) o velocidad de flujo (másico o molar) que se toma como referencia para el cálculo de los balances en un proceso. Su selección adecuada facilitará la resolución del problema planteado. Si el enunciado indica la cantidad o velocidad de flujo de una corriente, es conveniente tomarla como BC, sino, se puede suponer un valor arbitrario, preferiblemente de una corriente de composición conocida. No obstante, se pueden resolver los balances de materia con una BC distinta y al final se hace la conversión a la base de cálculo deseada, a partir de un Factor de Escala (FE), luego, basta con multiplicar las cantidades o velocidades (mas no las fracciones) por el FE para extrapolar a la escala real del proceso BCP BC Pedida FE (Ambas referidas a la misma BCU BC Usada variable) Inicio
  • 12. BALANCE TOTAL/COMPONENTE SIN REACCIÓN Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 ESTADO ESTACIONARIO  SIN REACCIÓN QUÍMICA  Ac=0 G=0 y C=0 E1 S1 E2 S2 E1 + E2 + E3 +…+ En = S1 + S2 + S3 E3 SISTEM S3 +…+Sn En Sn A BALANCE TOTAL BALANCE POR n n COMPONENTE n n Ei Si EA ,i SA ,i i 1 i 1 i 1 i 1 Inicio
  • 13. ELEMENTOS DE CORRELACIÓN Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 Son componentes que pueden ser usados para relacionar la cantidad de corriente de un proceso con otra corriente, ya que usualmente no cambian durante el proceso. • Sólidos en procesos de deshidratación. • Sólidos en procesos de secado. • Nitrógeno en procesos de combustión. Inicio
  • 14. RECICLO Y DERIVACIÓN, PUNTO DE MEZCLA Y PURGA Es una corriente que devuelve material Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 desde aguas abajo a aguas arriba de una o más unidades del proceso. Para: RECICLO • Aprovechar reactivos no consumidos, M PROC • Recuperar catalizadores ESO • Controlar alguna variable del proceso, entre otras. O By-Pass, consiste en desviar parte de DERIVACIÓN una corriente, de modo que no fluya por una o más unidades del PROC M proceso, llegando directamente a una ESO etapa posterior Es una corriente que se desvía PURGA generalmente de un reciclo para evitar acumulación de sustancias inertes o M PROC indeseables en el proceso ESO M PUNTOS DE MEZCLA Inicio
  • 15. EJEMPLO Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 El agua de desecho de una planta de acabado de metales contiene una corriente 4 con 5 % en peso de cromo (Cr). La corriente 1 2 PLANTA DE UNIDAD DE TRATAMIENTO de desecho se alimenta a una unidad de ACABADO 3 5 tratamiento que elimina 95% del cromo en la alimentación y lo recircula a la planta. La 6 corriente de líquido residual que sale de la LAGUNA DE sale de de planta de acabado a mayor laguna unidad la tratamiento se envía a una velocidad, el exceso (cualquier DESECHOS cantidad superiorunidad tiene una deriva de la unidad, se mezcla con el de desechos. La a 4500 kg/h) se capacidad líquido residual que sale agua de desecho. máxima de 4500 kg/h de de la misma y la corriente combinada pasa a la laguna Si ésta de desechos. Si el agua de desecho sale de la planta de acabado a una velocidad de 6000 kg/h Calcule la velocidad de flujo del líquido hacia la
  • 16. SATURACIÓN Y HUMEDAD Máxima cantidad de vapor de un SATURACIÓN Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 líquido que puede estar contenida en un determinado gas. En este punto la presión parcial del vapor iguala la presión de vapor del líquido a la SATURACIÓN HUMEDAD temperatura del sistema y la mezcla gaseosa está en su punto de rocío Cualquier Ocurre cuando el tiempo de contacto SATUR ACIÓN PARCI mezcla Sistem no es suficiente para que el gas se AL gas-vapor a Aire- sature con vapor del líquido PA<PA*(T) Agua • Saturación (Humedad) DIAGRAMAS DE VAPOR CONCENT Relativa RACIÓN PSICROMÉTRICO EN UN GAS S • Saturación (Humedad) Molar (molal). • Saturación (Humedad) Inicio
  • 17. SATURACIÓN Y HUMEDAD SATURACIÓN (HUMEDAD) RELATIVA: Representa una fracción Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 de la saturación total, por tanto, se Pv P2O H SR HR determina la relación entre la presión * P ( T) * P2O ( T) v H parcial del gas y la presión de vapor del líquido a la temperatura del sistema SATURACIÓN (HUMEDAD) MOLAR: Pv moles vapor agua de de Relación entre los moles de vapor y los SM HM (P P) v moles aire de seco moles de gas libre de vapor SATURACIÓN (HUMEDAD) PPM masa vapor agua de de ABSOLUTA: Relación entre la masa de SA v v HA vapor y la masa de gas seco (libre de (P P ) * PM v gs masa aireseco de PORCENTAJE DE SATURACIÓN vapor) (HUMEDAD): Relación entre los moles de vapor por gas libre de vapor y los * * moles de vapor que estarían presentes P P ( T) P P H2O( T) %S SR* * 100 %H HR* por mol de gas libre de vapor si la P Pv P P2O H mezcla estuviera completamente saturada a la temperatura y presión DIAGRAMAS DE existentes HUMEDAD Inicio
  • 18. DIAGRAMA PSICROMÉTRICO / CARTA DE HUMEDAD (SI) Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 T. BULBO SECO: Abcisa del diagrama y es la temperatura Humedad Absoluta medida del aire T. BULBO HÚMEDO: Temperatura que tendría el aire si estuviera saturado con agua. Se mide con un termómetro con una mecha saturada en agua y bajo la acción de Temperatura de Bulbo Seco una corriente de aire Fuente: Felder y Rosseau. Principios Elementales de los Procesos Inicio
  • 19. Datos: EJEM T Bulbo seco = 35 ºC Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008 PLO: T Bulbo Hum. = • % HR= 40 %24 ºC • HA= 0,014 kg H2O/kg a.s. • TR= 19 °C • VH≈ 0,89 m3/kg a.s. % HR • Ent Sat ≈72,5 kJ/kg a.s. Rocí HA o VH Inicio
  • 20. Realizado por: Ing. Jhoanna Ramones/ Diciembre 2008