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Balance quimica

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Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran.

Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran.

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  1. 1. Balance de la materia y energía en proceso en estado estacionario y no estacionario. Asignatura: ING. QUIMICA. Estudiante: Edimar Belizario C.I.: 25.062.103 Profesor: Ray González.
  2. 2. INTRODUCCIÓN. La ingeniería química se enfoca del estudio, diseño, manutención, evaluación, optimización, simulación, construcción y operación de todo tipo de elementos en la industria de procesos, que es aquella relacionada con la producción industrial de compuestos y productos cuya elaboración requiere de sofisticadas transformaciones físicas y químicas de la materia. Se tiende al diseño de nuevos materiales y tecnologías, es una forma importante de investigación y de desarrollo. Además es líder en el campo ambiental, ya que contribuye al diseño de procesos ambientalmente amigables y procesos para la descontaminación del ambiente. Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realización del PFC, los BMyE nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo.
  3. 3. CONSERVACIÓN DE LA MASA. La combustión, uno de los grandes problemas de la química del siglo XVIII, despertó el interés de Lavoisier porque éste trabajaba en un ensayo sobre la mejora de las técnicas del alumbrado público de París. Comprobó que al calentar metales como el estaño y el plomo en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire, estos se recubrían con una capa de calcinado hasta un momento determinado en que ésta no avanzaba más. Si se pesaba el conjunto (metal, calcinado, aire, etc.) después del calentamiento, el resultado era igual al peso antes de comenzar el proceso. Si el metal había ganado peso al calcinarse, era evidente que algo del recipiente debía haber perdido la misma cantidad de masa. Ese algo era el aire. Por tanto, Lavoisier demostró que la calcinación de un metal no era el resultado de la pérdida del misterioso flogisto, sino la ganancia de algo muy material: una parte de aire. La experiencia anterior y otras más realizadas por Lavoisier pusieron de manifiesto que si tenemos en cuenta todas las sustancias que forman parte en una reacción química y todos los productos formados, nunca varía la masa. Esta es la ley de la conservación de la masa, que podemos enunciarla, pues, de la siguiente manera: "En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos“
  4. 4. Relación masa y volumen. La magnitud física que relaciona la masa de un cuerpo contenida en determinado volumen se denomina densidad. Se define la densidad como la masa contenida en una unidad de volumen, es decir, la relación que existe entre la masa de un cuerpo y el volumen que ésta ocupa. El Volumen es una magnitud escalar derivada que se obtiene multiplicando las longitudes referidas a las 3 dimensiones del espacio. X,Y,Z (o bien, podemos simplificar llamando los ejes cartesianos largo, ancho, profundidad. O también alto, ancho y profundidad) el volumen, por lo tanto, representa el espacio ocupado por un cuerpo. Su unidad de medida en el sistema internacional es el metro cubo (obtenido por la multiplicación de m x m x m, es decir 3 longitudes). Sin embargo es bastante común la utilización del litro. La equivalencia de un litro en unidades del SI es de 0.1 m3 o 10 dm3. La masa es una magnitud física fundamental que indica la cantidad de materia contenida en un cuerpo. Como ya hemos visto anteriormente, la unidad de medida de la masa, según el S.I (Sistema Internacional de Unidades) es el Kilogramo (Kg). En la vida cotidiana se suelen utilizar el termino masa y volumen indistintamente con el mismo significado. En realidad masa y volumen son dos magnitudes diferentes: la primera (masa) es una magnitud escalar y la segunda (volumen) es una magnitud escalar que expresa las tres dimensiones de un cuerpo: longitud, anchura y altura.
  5. 5. Ley de gases ideales. Es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal. Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura. En 1648, el químico Jan Baptista van Helmont creó el vocablo gas, a partir del término griego kaos (desorden) para definir las génesis características del anhídrido carbónico. Esta denominación se extendió luego a todos los cuerpos gaseosos y se utiliza para designar uno de los estados de la materia.
  6. 6. Unidades molares. Masa Molar: la masa molar (símbolo M) de un átomo o una molécula es la masa de un mol de dicha partícula expresada en gramos. Sus unidades en química son g/mol. Esta magnitud tiene el mismo valor numérico que la masa molecular de dicha partícula, pero en vez de estar en unidad de masa atómica está en gramos/mol. Masa Formula: el peso fórmula de una sustancia es la masa de los pesos atómicos de los elementos de la fórmula, tomados tantas veces como se indica en ella; es decir, el peso fórmula es la masa de la unidad fórmula en una. Los pesos fórmula, al igual que los pesos atómicos en los que se basan, son pesos relativos. Volumen Molar: es la cantidad de volumen que ocupa un mol de un gas a condiciones normales de temperatura y presión, la constante es 22.4 L/mol
  7. 7. Excesos de reactivos. El reactivo que se consume en su totalidad es el que va a limitar la cantidad de producto que se obtendrá y se denomina reactivo limitante. Los otros reactivos se llaman excedentes o en exceso y no se consumen totalmente. ¿Cómo puedes saber cuál es el reactivo limitante? Por ejemplo, en la reacción del aluminio con el oxígeno para formar óxido de aluminio, mezclas para que reaccionen dos moles de aluminio con dos moles de dioxígeno. La ecuación ajustada es : 4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 y haciendo uso de la proporción estequiométrica entre el aluminio y el dioxígeno: Por tanto, únicamente reaccionan 1,5 moles de O2 y quedan sin reaccionar 0,5 moles de dioxígeno. El reactivo limitante es el aluminio, que se consume totalmente.
  8. 8. Grado de conversión. Los porcentajes de conversiones se calculan simplemente dividiendo la cantidad de conversiones por la cantidad total de interacciones con el anuncio que generaron una conversión durante el mismo período de tiempo. Ejemplos de Conversión de Temperaturas: Conversión de Celsius a Fahrenheit Conversión de Fahrenheit a Celsius Conversión de Celsius a Kelvin y viceversa
  9. 9. Porcentaje de composición. La Composición Porcentual es una medida de la cantidad de masa que ocupa un elemento en un compuesto. Se mide en porcentaje de masa. La Composición Porcentual de un elemento en una molécula se calcula a partir del peso molecular y viene determinada por la siguiente fórmula: Composición Porcentual = Peso atómico · nº átomos en la molécula · 100 Peso molecular Composición Porcentual del H = 1 · 2 ·100 = 11,11% de Hidrógeno 18 Composición Porcentual del O = 16 · 1 ·100 = 88,88% de Oxígeno 18 Ejemplos de Composición Porcentual: Ejemplo 1: Calcular la composición porcentual del H y O en el agua (H2O) si el peso molecular del agua es 18 y los pesos atómicos del H y del O son 1 y 16 respectivamente:
  10. 10. Densidad y peso especifico. Densidad. Es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de una sustancia o un objeto sólido . Su unidad en el Sistema Internacional es kilogramo por metro cúbico (kg/m³), aunque frecuentemente también es expresada en g/cm³. Peso especifico. Es la relación existente entre el peso y el volumen que ocupa una sustancia en el espacio. Es el peso de cierta cantidad de sustancia dividido el volumen que ocupa. En el Sistema Internacional se expresa en unidades de Newtons sobre metro cúbico (N/m3). El cálculo del peso específico requiere de otras propiedades de la sustancia, como la densidad y la masa. Matemáticamente, el peso específico se representa con el símbolo gamma (γ) y se expresa como:
  11. 11. Tipos de procesos químicos. Los procesos químicos son operaciones que derivan en la modificación de una sustancia, ya sea a partir de un cambio de estado, de composición o de otras condiciones. Estos procesos implican el desarrollo de reacciones químicas. Un proceso químico puede acarrear también reacciones físicas. Si se compara la materia inicial con la resultante al finalizar el proceso, se notarán diversos tipos de cambios. Los procesos químicos pueden desarrollarse de manera natural o a partir de una manipulación del hombre. Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composición, esté en un estado distinto o hayan cambiado sus condiciones, propiedades y funcionalidades. Son propios de la industria del petróleo y de los plásticos, producción de acero, aluminio, etc. en términos generales, siempre es posible estudiar sus etapas en función de las operaciones o transformaciones que ocurren (tales como reacciones químicas, transferencias de calor, filtrado, absorción, etc.).
  12. 12. Isotérmico El proceso químico ocurre a temperatura constante, y además la energía interna del sistema permanece constante. Adiabático El proceso químico se realiza en aislamiento, de tal manera que no hay intercambio de calor con el medio circundante. En estas condiciones, la cantidad de calor (entalpía) del sistema permanece constante. Isobárico El proceso químico se realiza a presión constante. Isocórico o isovolumétrico El proceso químico se realiza a volumen constante. Reversible “La fuerza” que conduce un proceso químico en una dirección es ligeramente mayor que “la fuerza” que lo conduce en el sentido opuesto. Los reactivos se transforman en productos, y estos a su vez pueden reaccionar entre sí para regenerar los reactivos. Irreversible La orientación de un proceso químico está fuertemente dirigida en una dirección, por lo que se requiere de cambios muy grandes en las condiciones en que se realiza el proceso químico para producir su cambio de orientación. Cíclico El proceso químico está formado por varios pasos intermedios, al final de los cuales se regresa al estado inicial.
  13. 13. Balance de materia en estado estacionario. El balance de materia es un método matemático utilizado principalmente en ingeniería química. Se basa en la ley de conservación de la materia (la materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma), que establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante (excluyendo las reacciones nucleares o atómicas en las que la materia se transforma en energía según la ecuación de Einstein y la materia cuya velocidad se aproxima a la velocidad de la luz). La masa que entra en un sistema debe salir del sistema o acumularse dentro de él, así: ENTRADAS=SALIDAS+ACUMULACION La mayoría de los procesos industriales son continuos, con un mínimo de alteraciones o paradas. En este tipo de procesos, a excepción de los periodos de puesta en marcha y paradas, el tiempo no es una variable a considerar, por lo que las variables intensivas dependen solamente de la posición, siendo el régimen estacionario. En estos sistemas en estado estacionario el término acumulación desaparece, simplificándose la ecuación a la siguiente: ENTRADA+PRODUCCION=SALIDAS A su vez, en aquellos sistemas donde no se produzca reacción química, se simplifica todavía más: ENTRADAS=SALIDAS
  14. 14. Estado estacionario con una corriente. Un cable conductor cuya sección transversal tiene un área de transporta una corriente estacionaria de 2 A durante 5 seg. considerando que el valor de la carga del electrón es calcular: Como se sabe, la intensidad de corriente estacionaria I0 es el flujo de la densidad volumétrica de corriente a través de las superficies equipotenciales que hay en el cable, cuando entre sus extremos se establece una determinada diferencia de potencial: Si el cable se aproxima al modelo de conductor filiforme, las superficies equipotenciales a través de las que fluye la intensidad máxima de corriente coinciden con las secciones transversales del cable. Por otra parte, dicha intensidad de corriente describe la cantidad neta de carga eléctrica positiva que por unidad de tiempo cruza cada sección transversal en el sentido de dS, y/o la cantidad neta de carga negativa que por unidad de tiempo pasa en sentido contrario al de aquél vector. Y como la intensidad de la corriente estacionaria es constante, la relación entre la cantidad de carga que cruza la superficie y el intervalo de tiempo empleado, es independiente de la duración de dicho intervalo: En consecuencia, una intensidad constante de I0 = 2 A fluyendo durante un intervalo de 5 minutos, o lo que es lo mismo, da lugar a que la cantidad total de carga que fluye a través de las secciones transversales es: Como se sabe, los cables conductores se construyen con materiales metálicos, donde las corrientes eléctricas de conducción están constituidas por electrones (casi)libres en movimiento. El promedio de electrones libres (N-) fluyen a través de las superficies equipotenciales en 5 minutos, será:
  15. 15. Recirculación. Recirculación Los procesos que implican “alimentación a contracorriente” Recirculación: parte de la corriente que sale de un proceso se incorpora de nuevo el proceso ejemplo: En procesos de secado se controla la humedad recirculando parte del aire húmedo que sale del secadero: En reacciones químicas el material que no ha reaccionado se separa y se recircula al reactor.
  16. 16. Las columnas de destilación con rectificación, recirculan parte del destilado
  17. 17. Purga. Corriente que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de recirculación.
  18. 18. By pass. “By pass": corriente que pasa por alto una o más etapas del proceso, llegando directamente a otra etapa posterior.
  19. 19. Balance de energía. Un objeto o un sistema de objetos que contienen una forma de energía pueden transformar esa forma en otra diferente; por ejemplo, un vehículo que consume combustible transforma la energía del mismo en adquirir velocidad, es decir, energía cinética. La Ley Fundamental de la Energía dice: “la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Esto significa que conociendo la masa y la velocidad de un vehículo, podríamos calcular la cantidad de combustible que ha consumido. A esta Ley también se le llama Primer Principio de la Termodinámica.
  20. 20. Sistemas abiertos. BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS EN ESTADO ESTACIONARIO: Por definición de proceso abierto, en estos hay un flujo de materia que atraviesa los límites del mismo mientras el proceso se lleva a cabo. Por lo tanto, para que la masa ingrese al sistema es necesario efectuar un trabajo para empujar esta masa en el sistema y el sistema debe realizar un trabajo sobre los alrededores para que la masa pueda salir del sistema. Ambos trabajos (tanto para ingresar la materia o que esta egrese) deben ser incluidos en el balance de energía, y la diferencia entre ambos es el trabajo de flujo. En realidad en estos sistemas, más que hablar de trabajo decimos velocidad de transferencia de energía como trabajo o trabajo/tiempo) • ΔH’ = ∑ m’jĤj - ∑ m’jĤj • Ctes. Salida - Ctes. Entrada • ΔE’c = ∑ m’juj^/2 - ∑ m’juj^/2 • Ctes. Salida - Ctes. Entrada • ΔE’p = ∑ m’jgzj - ∑ m’jgzj • Ctes.Salida - Ctes. Entrada • ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p = Q’ + WS
  21. 21. Sistemas cerrados. BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS CERRADOS: El principio que rige los balances de energía es la ley de conservación de la energía que establece que la energía no puede crearse ni destruirse (excepto en procesos nucleares). Esta ley es también llamada primer principio de la termodinámica. En la más general de sus formas, la primera ley dice que la velocidad a la cual la energía (cinética + potencial + interna) es ingresada a un sistema por un fluido, más la velocidad a la cual ingresa energía en forma de calor, menos la velocidad a la cual la energía es transportada por el fluido fuera del sistema, menos la velocidad a la cual el sistema realiza trabajo sobre los alrededores, es igual a la velocidad a la cual la energía se acumula en el sistema. Veamos su aplicación a un sistema cerrado. Un sistema será abierto o cerrado según la masa pueda o no atravesar los límites del mismo durante el período de tiempo en que se plantea el balance de energía. Por definición, un proceso batch o por lotes es cerrado mientras que un semibatch o un proceso contínuo son abiertos. El balance integral de un sistema cerrado debe ser planteado entre dos instantes de tiempo (por qué?). Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o consumo no tienen sentido, llegando a: Acumulación = entrada - salida
  22. 22. Conclusión. Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realización del PFC, los BMyE nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración. Dentro del PFC los BMyE tienen su lugar lógico en el Estudio de Viabilidad, ya que es por medio de ellos que se obtiene la información necesaria para proceder al dimensionamiento de los equipos y la estimación de las necesidades de servicios auxiliares (vapor, aire, refrigeración).

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