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Herramientas de analisis de los procesos tecnológicos. balance de materia

  1. 1. UNIDAD CURRICULAR: CALIDAD Y AMBIENTE DE LOS PROCESOS TECNOLÓGICOS UNIDAD III: Herramientas de Análisis de los Procesos Industriales . Balance de materia Elaborado por: Dra. Luisa Stocco, actualizado por MSc. Libia Escobar
  2. 2. BALANCE DE MATERIA 1 Fundamentos y metodología 2 Balance en operaciones físicas 3 Balance en sistemas con reacción química
  3. 3. ¿CUÁLES SON LAS BASES DEL ANÁLISIS DE PROCESOS ? Recordemos que en cada proceso / operación unitaria se cambian las condiciones de una determinada cantidad de materia de una o más de las siguientes formas: Energía alta calidad Materias primas Productos Energía residual Subproductos - efluentes PROCESO Servicios auxiliares modificando su masa o composición modificando sus condiciones de movimiento modificando el nivel o calidad de la energía que posee
  4. 4. ¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE PROCESOS? Por la forma de trabajo Por su comportamiento con respecto al tiempo •Batch (por carga): procesamiento por lotes •Continuo: insumos y productos fluyen continuamente •Semicontinuo: combinación de operaciones continuas y por batch •Estacionario: las variables del proceso no cambian sus valores •Transitorio: alguna variable cambia su valor
  5. 5. ¿CUÁLES SON LAS HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS? • relación de equilibrio, ley de gases ideales, diagramas de fases • cantidades, composiciones, relaciones entre las corrientes •sin reacción: número de ecuaciones= número de especies •con reacción: número de ecuaciones = número de especies – número de reacciones químicas independientes entre las especies Balance de materia Balance de energía Ecuaciones de diseño Relaciones termodinámicas y estequiométricas Especificación de algunas variables o restricciones particulares sumatoria de fracciones molaresigual a 1, entre otras.
  6. 6. ¿ES POSIBLE ANALIZAR EL PROCESO? Sean M= número de ecuaciones independientes N= número de variables Casos: 1. Si M < N, N - M grados de libertad, no resoluble Especificar variables de diseño adicionales y/o encontrar relaciones adicionales 2. Si M = N, definido, solución única o múltiple 3. Si M > N, sobre-especificado, no resoluble Disminuir las variables de diseño y/o eliminar ecuaciones innecesarias
  7. 7. ¿EN QUÉ SE BASAN LOS BALANCES? Principios de Conservación Masa * Energía* Momento lineal Momento angular Carga Eléctrica Número bariónico Ciertas cantidades son invariantes, su valores constante
  8. 8. ¿CÓMO SE FORMULAN LOS BALANCES? Entorno Entrada Salida De esta ecuación, se procede a despejar según sea la incógnita Acumulación = (Entrada – Salida) + (Formación – Consumo) Salida= …………… Formación= ………. SISTEMA Entrada Formación salida consumo Acumulación
  9. 9. ¿Cuáles son los tipos de balance? Diferenciales o integrales Macro o microscópicos Global o individual Unidades másicas o molares (balance de materia) En régimen estacionario o transitorio
  10. 10. ¿CUÁLES SON LAS PAUTAS PARA ELEGIR EL SISTEMA? El sistema viene definido por unos límites físicos reales (paredes exteriores del sistema) o conceptuales (límites imaginarios impuestos para el cálculo). Hacer el balance del sistema global cuando sea posible En procesos múltiples, “aislar” distintos sistemas (considerar las etapas del mismo) Especificar siempre los límites del sistema Dividir el proceso en etapas más simples, reduciendo el número de corrientes desconocidas
  11. 11. ¿CUÁL ES EL OBJETIVO DEL BALANCE DE MATERIA? Un balance de materia es un inventario entre la masa que entra en el sistema y la que sale. De un radical o grupo de átomos (ej.: SO4 =), Un tipo de átomos (ej.: Carbono) Otras sustancias que no varíen en el sistema (ej.: gas inerte) Pueden ser: Globales (todos los compuestos), Parciales (un componente específico), Un sólo compuesto (ej.: H2S) Permite conocer los caudalesy composicionesde las distintas corrientesde entraday salida de un sistema y las cantidades totalesy composiciones medias que están en el interior del mismo en un momento dado
  12. 12. ¿CUÁNDO SE PUEDEN SIMPLIFICAR LOS BALANCES? Régimen estacionario Independiente del tiempo Acumulación = 0 Salida = Entrada + (Formación – Consumo) Régimen estacionario y sin reacción química Formación = Consumo = 0 Salida = Entrada Balances globales en procesos no nucleares Formación = Consumo = 0 Salida = Entrada
  13. 13. ¿CÓMO SE REALIZA UN BALANCE DE MATERIA? Dibujar el diagrama de flujo Seleccionar la base de cálculo Transformar las unidades , unifican criterios Elegir el sistema a analizar Calcular los grados de libertad, determinando el número de incógnitas y ecuaciones Plantear las ecuaciones de balance, estequiometria, diseño, etc. . Resolver las ecuaciones planteadas
  14. 14. TIPS IMPORTANTES Dibujar el diagrama de flujo El diagrama de flujo es una representación gráfica de la secuencia de pasos que se realizan para obtener un cierto producto. En él deben estar indicadas todas las entradas y salidas del sistema y de cada una de las subunidades en que se pueda dividir este, de manera que recoja la información sobre las propiedades de las distintas entradas y salidas. Proporciona información clara, ordenada y concisa sobre el proceso global y sus diversas partes. En los ejercicios a resolver vamos usar diagrama de Bloques Un dibujo del diagrama de flujo completo, garantiza el 50 % de resolución correcta del balance
  15. 15. TIPS IMPORTANTES Al Seleccionar la base de cálculo, considera:  Que es una Magnitud establecida arbitrariamente a la que se refieren todos los cálculos de un balance  No afecta a los resultados de las variables intensivas (aquellas que no dependen de la masa: composiciones, temperaturas, ….)  Afecta a los resultados de las variables extensivas (aquellas que sí dependen de la masa: caudales, …..)  Puede afectar a la laboriosidad de los cálculos implicados.
  16. 16. TIPS IMPORTANTES ¿QUÉ BASE DE CÁLCULO DEBEMOS ESCOGER? Magnitud de las entradas o salidas del proceso de la que se conozcan más datos. En sistemas discontinuos utilizar la masa o volumen (si no son gases) que entra o sale del sistema en cada ciclo de alguno de los componentes o corrientes. Se utiliza con frecuencia el valor de Cien unidades de alguna de las materias de entrada o salida, preferentemente de aquella que no sufra reacción química. En estado estacionario usar como base de cálculo la unidad temporal a la que se refieran las corrientes de entrada o salida
  17. 17. TIPS IMPORTANTES El rendimiento de una operación que obtiene un único producto a partir de un único material de partida, es el peso o moles del producto final dividido entre el peso o moles del inicial. En caso de que existan más de un producto final o material de partida, es imprescindible indicar el material de inicio sobre el cual se base el cálculo del rendimiento.
  18. 18. BALANCE DE MATERIA (SIN REACCIÓN QUÍMICA) EJEMPLO Una corriente de Monóxido de Carbono, CO(g) de 280 kg/h se mezcla con una corriente de Hidrógeno, H2(g). A la salida del mezclador se obtiene una corriente de 40 Kmol de (CO+H2)/h. Calcular Kmol/h de H2 que deben suministrarse.
  19. 19. 1. Dibujar el diagrama de flujo G1= 280Kg/h de CO G3 ? MEZCLADOR G2= ? De H2 en Kg/h G3=40kmol/h de mezcla
  20. 20. 2. Seleccionar la base de cálculo: Corriente de Monóxido de Carbono que ingresa 3. Transformar las unidades a masa o moles CO CO+ H2 280 kg/h Mezclador 40 Kmol/h (10 kmol/h) H2 kmol/h
  21. 21. 4. Elegir el sistema : Mezclador 5. Determinar el número de incógnitas y ecuaciones:  Número de variables, N = 1  Número de ecuaciones, M = 1  M = N definido, solución única
  22. 22. 6. Plantear las ecuaciones del balance: • Régimen estacionario y sin reacción química, • Salida = Entrada • G3 =G1 +G2 40 = 10 + G2 7. Resolver las ecuaciones planteadas G2= 30 Kmol/h de H2
  23. 23. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA • Davis, y Masten .(2004). Ingenieria y Ciencias Ambientales. Editorial Mc Graw Hill • Felder Rosseau (2003). Principios elementales de los procesos químicos. Editorial Limusa • Valiente, A. (2006). Problemas de balance de materia y energía en la industria alimentaria. México: Editorial Limusa.

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