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Balance de Materia y Energia - Ing. Quimica

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Balance de Materia y Energia - Ing. Quimica

  1. 1. República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño Realizado por: Génesis Soriano C.I: 24.495.224 Escuela: Ingeniería Industrial Balance de Materia y Energía en Procesos en Estado Estacionario y no Estacionario Mayo,2020
  2. 2. Diapositiva Introducción 3 Conservación de masas 4 Relaciones de masas y volumen en las reacciones químicas 5 Ley de los gases ideales 7 Unidades molares 9 Exceso de reactivos 10 Grado de conversión y porcentajes de composición 11 Densidad y peso específico 12 Balance de Materia en Estado Estacionario 13 Balance de Materia en Estado NO Estacionario 16 Balance de Energías 18 Balance de Energías: EN SISTEMAS CERRADOS 20 Balance de Energías: EN SISTEMAS ABIERTOS 21 Conclusión 23 Referencias Bibliográficas 24 Índice
  3. 3. Introducción Los balances de materia y energía (BMyE) 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 Materias se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía por separado. Los Balances de Energía son normalmente algo más complejos que los de materia, debido a que la energía puede transformarse de unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este aspecto en las ecuaciones.
  4. 4. Conservación de la Masa “La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. En una reacción química la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) Químico francés quien, con base en los estudios que realizó, propuso la ley de la conservación de la masa. Lavoisier demostró que al efectuarse una reacción química la masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma, es decir, las sustancias reaccionantes al interactuar entre sí forman nuevos productos con propiedades físicas y químicas diferentes a las de los reactivos, esto debido a que los átomos de las sustancias se ordenan de forma distinta.
  5. 5. Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas Masa Volumen Qué es Cantidad de materia contenida en un cuerpo. Dimensiones que ocupa un cuerpo. Unidad de medida Kilogramo (Kg). •Metro cúbico (m³). •Litro (l). La masa es una constante universal sin importar la gravedad, es decir, en lugar de usar el peso de un objeto se utiliza la masa, ya que el peso está influido por la gravedad. La densidad de un cuerpo se define como la razón de su masa a su volumen. Las unidades de densidad son la razón de una unidad de masa a una unidad de volumen, es decir, gramos por centímetro cúbico, kilogramos por metro cúbico, o por pie cúbico.
  6. 6. • La masa es directamente proporcional al volumen por la densidad. El volumen es directamente proporcional a la densidad entre la masa. • Son similares porque ambas tienen una constante, la diferencia es que una es una multiplicación y la otra es una división. • Las dos ecuaciones obtenidas con anterioridad son lineales ya que están en proporción directa y tienen una constante de proporcionalidad que es la densidad r. • Son similares ya que se multiplica una variable por una constante, sin embargo, en la segunda ecuación se tiene una división, pero de cualquier forma da una línea recta que parte del origen. Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas
  7. 7. Ley de los gases ideales Boyle se dio cuenta de que si la temperatura de un gas cambia durante un experimento, la relación P = a/V ya no es correcta. Sin embargo, si la temperatura de un gas se mantiene constante, entonces la regla de Boyle sí funciona. El químico francés Joseph-Louis Gay- Lussac (1778-1850) encontró que todos los gases que estudió (aire, oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono, etc.) cambian su volumen de la misma manera. Si la presión se mantenía constante, entonces el cambio de volumen era proporcional al cambio de temperatura. Esto puede expresarse en símbolos: ΔV ∝ ΔT, si P es constante (b) La ley de Charles y Gay Lussac se resume en: el volumen de una determinada cantidad de gas que se mantiene a presión constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, que se expresa como:
  8. 8. Ley de los gases ideales Las leyes que hemos estudiado se cumplen cuando se trabaja a bajas presiones y temperaturas moderadas. Tenemos que: Cuando estas leyes se combinan en una sola ecuación, se obtiene la denominada ecuación general de los gases ideales: P V = n . R . T
  9. 9. Unidades Molares La Molaridad (M) o Concentración Molar es el número de moles de soluto que están disueltos en un determinado volumen. La Molaridad de una disolución viene determinada por la siguiente fórmula: La Molaridad se expresa en las unidades (moles/litro). Ejemplo de Molaridad: Calcular la molaridad de una disolución que contiene 2,07·10-2 moles de soluto en 50 ml de disolvente: molaridad = M = n / V = 2,07·10-2 moles / 0,05 litros = 0,414 molar
  10. 10. Exceso de Reactivos El reactivo que se consume por completo es el llamado reactivo limitante, porque es el que determina la cantidad de producto que se puede producir en la reacción. Cuando el reactivo limitante se consume, la reacción se detiene. El reactivo que no reacciona completamente, sino que “sobra”, es el denominado reactivo en exceso. Si tenemos una cierta cantidad de dos elementos o compuestos diferentes, para producir una reacción química, podemos saber con anticipación cuál será el reactivo limitante y cuál el reactivo en exceso, realizando algunos cálculos basados en la ecuación química ajustada.
  11. 11. Grado de Conversión Este se define siempre sobre el denominado componente clave que, por decirlo de una manera sencilla, es aquel que si se diera la reacción al 100% se consumiría totalmente. La conversión siempre se refiere al reactivo limitante y es igual a los moles convertidos de limitante/ moles alimentados de limitante, es decir: Xa=(mol entran - mol salen)/mol entran Porcentajes de Composición Si se conoce la fórmula de un compuesto, su composición química se puede expresar como porcentaje de masa de cada elemento en el compuesto. “El porcentaje es una parte dividida entre todas las partes, multiplicado x 100 (o simplemente las partes por 100)”.
  12. 12. Densidad y Peso Específico El peso especifico nos indica el peso de un material por unidad de volumen, mientras que la densidad nos indica la masa por unidad de volumen.
  13. 13. Balance de Materia en Estado Estacionario Un proceso se denomina de flujo estacionario cuando se mantienen constantes en el tiempo las velocidades de flujos de masa que entran y salen del sistema, es decir: Aunque no tienen por qué ser iguales. Un proceso se denomina de estado estacionario cuando permanece invariable la masa del sistema con el tiempo, es decir: Las mismas definiciones son extensibles a los balances de energía. Por tanto, un proceso de flujo y estado estacionarios será aquel en que:
  14. 14. Esa ecuación del balance de materia en un proceso de flujo y estado estacionarios se transforma en otra similar, muy útil para el estudio del flujo de fluidos por tuberías: donde *: densidad del fluido c : velocidad lineal del fluido en la tubería A : área de la sección transversal de la tubería. Recibe el nombre de Ecuación de continuidad. Si el fluido es incompresible (líquidos) ==> , y la ecuación queda: , (caudal constante).
  15. 15. Si estamos en régimen estacionario, quiere decir que la masa total del sistema, no varía con el tiempo, y si no existe generación de materia (G = 0) entonces:
  16. 16. Balance de Materia en Estado NO Estacionario El balance de materia tiene la forma: SALIDA - ENTRADA + ACUMULACIÓN = GENERACIÓN Balance de Materia en Estado NO Estacionario son aquellos en los que alguna de las variables cambia con el tiempo (transitorios o dinámicos). Todos los procesos no estacionarios responden a un “mecanismo” general que comprende alguno de los siguientes conceptos: • Un estado inicial (o de partida) • Algo que entra (flujo de entrada) • Algo que sale (flujo de salida) • Una posible diferencia entre la entrada y la salida • Algo que cambia dentro.
  17. 17. En estado no estacionario hay término de acumulación. Alguna/s de las variables del sistema varían con el tiempo. Metodología de resolución similar pero considerando una o más ecuaciones diferenciales Se precisa conocer las condiciones iniciales o a un tiempo determinado para establecer los límites de integración (o hallar el valor de las constantes de integración si se plantea integral indefinida)
  18. 18. Balance de Energías La energía total de un sistema corresponde a la sumatoria de tres tipos de energía: 1.- Energía Cinética: energía debida al movimiento traslacional del sistema considerado como un todo, respecto a una referencia (normalmente la superficie terrestre) ó a la rotación del sistema alrededor de un eje. 2.- Energía Potencial: energía debida a la posición del sistema en un campo potencial (campo gravitatorio o campo electromagnético). 3.- Energía Interna: toda energía que posee un sistema que no sea cinética ni potencial, tal como la energía debida al movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa del sistema o energía debida a la vibración de las moléculas o la energía producto de las interacciones electromagnéticas de las moléculas e interacciones entre los átomos y/o partículas subatómicas que constituyen las moléculas.
  19. 19. Estudiar balances de materia, definimos un proceso cerrado como aquel proceso en el que no hay transferencia de materia con los alrededores mientras el mismo se lleva a cabo. Sin embargo, nada dice de la transferencia de energía o sea, en este sistema, la energía puede ser intercambiada con los alrededores (el sistema puede recibirla o entregarla) y seguir siendo cerrado. Las dos formas de energía en tránsito son calor y trabajo. Los términos “trabajo” y “calor” se refieren sólo a energía que está siendo transferida: es posible hablar de calor o trabajo agregado a un sistema o transferido por él pero no tiene sentido hablar de calor o trabajo poseído o contenido dentro de un sistema. Calculo de energía cinética y potencial Ec = 1/2 *m * V^2 Ep = m.g.z
  20. 20. Balance de Energías: EN SISTEMAS CERRADOS Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o consumo no tienen sentido, llegando a: Acumulación = entrada - salida Energía final del sistema - Energía inicial del sistema = Energía neta transferida al sistema (entrada - salida) Energía inicial del sistema = Ui + Eci + EPi Energía final del sistema = Uf + Ecf + EPf Energía transferida = Q + W
  21. 21. Balance de Energías: EN SISTEMAS ABIERTOS 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)
  22. 22. Esta ecuación establece que en un sistema abierto en estado estacionario, la velocidad neta a la cual la energía es transferida a un sistema como calor y/o el trabajo en el eje (Q’ + W’s ) es igual a la diferencia entre la velocidad a la cual las cantidades (entalpía + energía cinética + energía potencial) son transportadas fuera y dentro del sistema (ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p)
  23. 23. Conclusión Cualquier proceso químico puede ser caracterizado con determinado grado de eficiencia a partir de la realización de balances de masa y de energía, siendo posible analizar instalaciones en la etapa de diseño y en las etapas de producción tanto a nivel de planta piloto como a escala industrial. Los balances de masa y energía constituyen una herramienta fundamental para el desarrollo de procesos, mediante el planteamiento de las leyes de conservación y la aplicación de reglas estequiométricas y termodinámicas.

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