Seminario de Quimica
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TEMA 1:BALANCE DE MATERIA SIN REACCIN QUMICA
PRINCIPIOS DE INGENIERA QUMICA
1
Contenido:
Formas de expresar la composicin de mezclas. Unidades de concentracin
Conversin de composiciones
Procesos tpicos usados en la ingeniera qumica
Clasificacin de los procesos
Ecuacin general de balance de materia
Nmero de ecuaciones independientes en balances de materia
Seleccin de una base de clculo adecuada
Pasos a seguir para realizar problemas
2
Formas de expresar la composicin de mezclas.
Existen varias formas de expresar la composicin de las diferentes corrientes de flujo que pueden entrar o salir de un proceso determinado, las ms comunes son:
Fracciones o porcentajes en masa o peso (x o %x)
Fracciones o porcentajes molares (y o %y)
Fracciones o porcentajes en volumen
Concentracin mol/l
Concentracin msica
Molalidad (m)
Partes por milln (ppm)
3
Conversin de composiciones:
Para llevar a cabo las conversiones es necesario tomar en consideracin algunas propiedades de las sustancias involucradas tales como:
Densidad (): es la masa por unidad de volumen de la sustancia. Unidades: kg/m3, g/cm3, lb-m/pie3
Volumen especfico (V): es el volumen por unidad de masa de la sustancia. Unidades: m3/kg, cm3/g, pie3/lb-m
4
Conversin de composiciones:
Tambin se tiene para una mezcla de sustancias:
Masa molecular promedio (M): es el cociente entre la masa total de una mezcla y la cantidad de sustancia total de la misma. Unidades: kg/kg-mol, lb-m/lb-mol
Conociendo las fracciones molares o msicas de sus componentes:
5
Conversin de composiciones:
La masa molecular y la densidad pueden usarse como factores de conversin para transformar entre cantidad de sustancia, masa y volumen:
CANTIDAD DE SUSTANCIA
MASA
VOLUMEN
MASA MOLECULAR
DENSIDAD
6
Conversin de composiciones
Por ejemplo, en caso de tener una corriente de agua cuya masa molecular es 18 g/g-mol y densidad 1 g/cm3:
Si desea convertir 15 g-mol/min a lb-m/h
Si desea convertir 15 g-mol/s a m3/h
7
Tipos de arreglos de flujos
1) Flujos en contracorriente
PROCESO
E1
S1
E2
S2
2) Flujos en paralelo o en co-corriente
PROCESO
E1
S1
S2
E2
8
Tipos de arreglos de flujos
3) Flujos cruzados
ETAPA 1
E1
S1
S3
S2
ETAPA 2
E3
S4
E2
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Los BMSRQ tienen su campo de aplicacin en las operaciones unitarias, las cuales son aquellas que se caracterizan porque los materiales no sufren cambios qumicos, aunque s cambios fsicos.
A continuacin se dar una muy breve descripcin de algunas operaciones unitarias:
10
Procesos tpicos usados en la ingeniera
Molienda: es la operacin mediante la cual se logra reducir el tamao de los granos de un material hasta una granulometra determinada.
MOLINO
Slido fino
Slido grueso
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Secado: en esta operacin se separa total o parcialmente el lquido voltil que contiene un cuerpo no voltil.
SECADOR ROTATORIO
Aire hmedo
Aire caliente
Slido seco o semiseco
Slido hmedo
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Absorcin: es utilizada para transferir materia de una fase gaseosa a una fase lquida.
La operacin inversa se denomina Desorcin
TORRE
DE
ABSORCIN
Lquido pobre en soluto
Agua
Gas pobre en soluto
Aire + poco NH3
Gas rico en soluto
Aire + mucho NH3
Lquido rico en soluto
Agua + NH3
13
Procesos tpicos usados en la ingeniera
Destilacin: su funcin es separar mezclas de dos o ms lquidos miscibles, atendiendo a la diferencia en sus temperaturas de ebullicin.
TORRE
DE
DESTILACIN
Mezcla lquida
T Tebullicin
Sustancias ms voltiles
Producto de tope
Vapor
Sustancias ms pesadas
Producto de fondo o cola
Lquido
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Destilacin:
Tambin puede ser as:
TORRE
DE
DESTILACIN
Mezcla lquida
T Tebullicin
Sustancias ms voltiles
Producto de tope
Vapor
Sustancias ms pesadas
Producto de fondo o cola
Lquido
Rehervidor
Condensador
Lquidos
Vapores
Lquidos
Gases
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Evaporacin: es utilizada ampliamente en la industria para concentrar soluciones, separando en forma de vapor una parte del solvente. Opera aplicando calor y vaco para facilitar la separacin de las fases.
EVAPORADOR
Solucin concentrada
Solucin diluda
Vapor (Solvente)
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Cristalizacin: esta operacin permite separar de una solucin un soluto slido. Por lo general, ella es la etapa siguiente a la evaporacin o concentracin. Los cristalizadores pueden trabajar por enfriamiento, por vaco y/o por siembra de cristales.
CRISTALIZADOR
Solucin concentrada
Solucin saturada
Cristales
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Filtracin: tiene por objeto separar de una suspensin lquida o gaseosa las partculas slidas que contiene mediante el paso de la solucin a travs de un medio poroso.
FILTRO
Suspensin lquida o gaseosa
Lquido o gas
Partculas slidas
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Procesos tpicos usados en la ingeniera
Por lo general estas tres ltimas operaciones trabajan en forma conjunta en un arreglo como:
EVAPORADOR
T2
A, Solucin
T1
B, Solucin Saturada
T2
CRISTALIZADOR
T3
C, Solucin Saturada
T3
Recirculacin de C
T3 T2
T1 T2
FILTRO-SECADOR
E, Cristales H2O
G, H2O
F, Cristales Secos
D, H2O
Punto de Mezcla
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Clasificacin de los procesos
Se entiende por procesos al conjunto de operaciones que permiten la obtencin de un producto, y estos pueden clasificarse as:
PROCESOS
Segn su forma de alimentacin
Segn su comportamiento respecto al tiempo
Intermitentes
Continuos
Estacionarios
Transitorios
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Clasificacin de los procesos
Segn la forma de alimentacin:
Intermitentes: llamados tambin procesos por carga (batch), en ellos el equipo se carga y por medios qumicos o fsicos se cambia la composicin, temperatura o estado fsico de la carga.
Continuos: en estos procesos las corrientes o flujos de alimentacin y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso.
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Clasificacin de los procesos
Segn el comportamiento respecto al tiempo:
Transitorios: en estos casos, las variables del proceso tales como volumen, temperatura, presin y velocidad de flujo cambian en el tiempo.
Estacionarios: tambin llamados en RGIMEN PERMANENTE, en ellos los valores de las diferentes variables que intervienen en el proceso no cambian en el tiempo.
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Ecuacin general de balances de materia
La ecuacin general de balances de materia se fundamenta en el principio de conservacin de la misma el cual establece que:
La materia no se crea ni se destruye, slo se transforma
Lavoisier (1743-1794)
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Ecuacin general de balances de materia
Para un sistema en particular, este principio se puede representar mediante la siguiente ecuacin general:
Lo que se acumula dentro del sistema
Lo que entra a travs de las fronteras del sistema
Lo que sale a travs de las fronteras del sistema
Lo que se produce dentro del sistema
Lo que se consume dentro del sistema
La ecuacin anterior puede ser simplificada segn sea el caso particular, por ejemplo:
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Ecuacin general de balances de materia
Si el sistema opera en rgimen permanente o estado estacionario NO HAY ACUMULACIN por lo tanto se puede representar la ecuacin general como:
Ahora si adems NO OCURREN REACCIONES QUMICAS en ese sistema, la ecuacin se reduce a:
0
0
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Nmero de ecuaciones independientes en balances de materia
Cuando un sistema contiene el mismo nmero de ecuaciones independientes que de incgnitas, tendr una nica solucin.
La cantidad de ecuaciones independientes de balances, en un equipo en particular, es igual al nmero de especies presentes en ese equipo.
Para el caso que existan N especies involucradas en un equipo, es posible establecer N ecuaciones independientes de balances.
26
Nmero de ecuaciones independientes en balances de materia
As, si se tiene:
Como hay 3 incgnitas (componentes) en la corriente de entrada entonces hacen falta 3 ecuaciones independientes de balances, las cuales pueden establecerse de dos maneras:
EQUIPO SIN RQ
xC1
xC2
xC3
B (peso)
A (peso)
xC1
xC2
C (peso)
xC1
xC3
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Nmero de ecuaciones independientes en balances de materia
A) Se podra establecer una ecuacin de balance para cada una de las especies involucradas, sin incluir el balance total de flujo:
De la especie C1:
Adems se procede con las dems especies, quedara:
De la especie C2:
De la especie C3:
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Nmero de ecuaciones independientes en balances de materia
Se podra elegir las ecuaciones de balance para otras dos cualesquiera de las tres especies presentes
Se podra establecer un balance total de flujo y balances para todas las especies, menos para una:
Balance Total de Flujos:
De la especie C2:
De la especie C3:
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Seleccin de una base de clculo adecuada
La Base de Clculo (BC) es la cantidad (masa o moles) o velocidad de flujo (msico o molar) que se toma como referencia para el clculo de los balances en un proceso.
Su seleccin adecuada facilitar la resolucin del problema planteado.
30
Seleccin de una base de clculo adecuada
No obstante, se pueden resolver los balances de materia con una BC distinta y al final se hace la conversin a la base de clculo deseada, a partir de un FACTOR DE ESCALA O ESCALAMIENTO, luego
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 composicin conocida.
31
Seleccin de una base de clculo adecuada
basta con multiplicar las cantidades o velocidades (mas no las fracciones) por el Factor de Escala para extrapolar a la escala real del proceso
(Ambas referidas a la misma variable)
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Pasos a seguir para realizar problemas
Leer detenidamente el enunciado del problema, entendiendo perfectamente la informacin suministrada y la que se necesita calcular (la ms importante).
2) Realizar un diagrama de flujo con la informacin dada en el enunciado.
3) Elegir una base adecuada para dar inicio a los clculos necesarios.
33
Pasos a seguir para realizar problemas
4) Establecer los lmites del proceso o de cada parte del mismo, donde se realizarn balances.
5) Determinar las correlaciones existentes entre los diferentes flujos de corrientes.
6) Establecer los balances de materia correspondientes, ya sea balance total y/o balance para cada componente, no olvidando la uniformidad de los datos.
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total
cia
sus
de
Cantidad
total
Masa
M
tan
=
=
i
i
M
y
M
*
=
i
i
M
x
M
1
h
m
lb
h
g
m
lb
mol
g
g
mol
g
-
=
-
-
-
68
,
35
1
min
60
*
454
1
*
18
*
min
15
h
m
h
s
cm
m
g
cm
mol
g
g
s
mol
g
3
3
3
972
,
0
1
3600
*
100
1
*
1
1
*
18
*
15
=
-
-
Consumo
Generacin
Salidas
Entradas
n
Acumulaci
-
+
-
=
Consumo
Generacin
Salidas
Entradas
-
+
-
=
0
Consumo
Salidas
Generacin
Entradas
+
=
+
Salidas
Entradas
=
Salidas
Entradas
MasaC
MasaC
1
1
=
)
)
)
C
C
B
C
A
C
x
C
x
B
x
A
1
1
1
*
*
*
+
=
)
)
B
C
A
C
x
B
x
A
2
2
*
*
=
)
)
C
C
A
C
x
C
x
A
3
3
*
*
=
Salidas
Entradas
Flujos
Flujos
=
C
B
A
+
=
)
)
C
C
A
C
x
C
x
A
3
3
*
*
=
usada
clculo
de
Base
pedida
clculo
de
Base
Escala
de
Factor
=