BALANCE DE MATERIA.
Los balances de materia no son más que la aplicación de la ley de conservación de la masa: “La materia no se crea ni se destruye”. 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 Balance de Materia 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.
CONCEPTOS PRINCIPALES:
v
PROCESO.
Es una serie de acciones, operaciones o tratamientos que producen un resultado [producto].
SISTEMA.
Se refiere a cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis.
v SISTEMA ABIERTO (O CONTINUO).
Es aquel en que se transfiere material por la frontera del sistema; esto es, entra en el sistema, sale del sistema o ambas cosas.
v SISTEMA CERRADO (O POR LOTES).
Es aquel en el que no tiene lugar una transferencia semejante durante el intervalo de tiempo de interés
Clasificación de los procesos.
DIAGRAMA DE FLUJO.
Es una representación gráfica de un proceso. Cada paso del proceso se representa por un símbolo diferente que contiene una breve descripción de la etapa de proceso. El diagrama de flujo ofrece una descripción visual de las actividades implicadas en un proceso. Muestra la relación secuencial entre ellas, facilitando la rápida comprensión de cada actividad y su relación con las demás.
En problemas sencillos el diagrama de flujo está constituido por un rectángulo u otros símbolos que representan la unidad de proceso y se utilizan flechas para indicar las entradas y salidas del mismo. Por ejemplo:
Ejercicio de balance de materia en lo que no intervienen reacciones químicas.
Se alimenta una solución de NaOH al 1% a un evaporador a través de una corriente de 1000 kg/h. Si el producto final va a tener una concentración del 1,5%. Determinar:
a) ¿Cuál es la razón de evaporador del sistema?
b) ¿Cuál es el flujo másico de la corriente de producto?
Objeto: Determinar la razón de evaporación del sistema y el flujo másico de la corriente de producto.
Esquema:
Cálculos:
1)
Conclusión:
La razón de la evaporación del sistema es de 333,33 kg/h y el flujo másico de la corriente de producto es de 666,67 kg/h.
Balance de materia en los que
intervienen reacciones químicas.
Un gas combustible que contiene 97% en volumen de metano y 3% en volumen de nitrógeno se quema en un horno para calderas en presencia de un 200% de aire en exceso. 85% del metano del metano se transforma en dióxido de carbono, 10% en monóxido de carbono y 5% permanece sin quemarse. Calcule la composición del gas de chimenea.
1.
Objeto: Determinar
la composición del gas de chimenea.
2.
Esquema:
1.
Conclusión: La composición del gas de la chimenea es
de CH4= 0,17%, O2= 13,99%, CO2= 2,87%,
H2O= 6,41, CO= 0,34% Y N= 76,22%.
Múltiples
sistemas (o subsistemas)
En sistemas de múltiples unidades se puede formular un conjunto
más amplio de ecuaciones de balance. Por cada unidad del proceso es posible
plantear tantas ecuaciones de balance por componentes como componentes hay (una
ecuación por cada componente) más una ecuación de balance global (por unidad).
Por cada frontera que agrupe dos o más unidades también se puede hacer lo
mismo, así como para el sistema total.
Es importante determinar cuántas incógnitas hay en el problema y
cuáles ecuaciones son independientes. Hay que verificar que el subsistema (o
sistema total) analizado tiene cero grados de libertad, antes de escribir las
ecuaciones. La idea sigue siendo comenzar a resolver el problema formulando las
ecuaciones de balance que involucren el menor número de incógnitas.
Ejercicio de Balance
de Materia en los que intervienen múltiples subsistemas.
En
un sistema de obtención de aceite de semilla por cargas, como el del diagrama
de flujo, se procesan 1000 kg de semilla por operación. Calcular la cantidad de
harina seca que se obtiene por carga y la concentración de proteína que contiene.
1.
Objeto: Determinar la cantidad de harina seca y
la concentración de proteína.
1.
Esquema:
Conclusión:
La cantidad de harina seca que se obtiene
por carga es de 726,69 kg y la concentración de proteína que contiene es de
38,08 kg.
Reciclaje,
derivación y purgado.
El reciclaje implica regresar el material (o energía) que sale
de un proceso una vez más al proceso para un procesamiento ulterior. En el
reciclaje puede participar toda una ciudad, como ocurre con el reciclaje de
papel periódico y latas, o una sola unidad, como un reactor.
Un flujo de reciclaje denota un flujo de proceso que devuelve
material desde un punto corriente abajo de la unidad de proceso a dicha unidad
(o a una unidad situada corriente arriba de esa unidad).
En muchos procesos industriales se emplean flujos de reciclaje.
En algunas operaciones de secado, la humedad del aire se controla reciclando
parte del aire húmedo que sale del secador. En algunas reacciones químicas, el
catalizador que sale se regresa al reactor para reutilizarlo. Otro ejemplo de
reciclaje es el de las columnas fraccionadoras en las que parte del destilado
vuelve por reflujo a la columna para mantener la cantidad de líquido dentro de
la misma.
Se presenta derivación (o bypass) cuando una fracción de la
alimentación a una unidad del proceso se desvía de la unidad y se combina con
el flujo de salida de la misma o de otra unidad posterior. Generalmente, la
finalidad de utilizar la desviación es influir en la composición y las
propiedades del producto.
Se presenta purga
cuando una fracción de la recirculación
se extrae del proceso para
eliminar una acumulación de materiales inertes o indeseados.
Los cálculos de reciclaje,
derivación y purga se realizan de la misma manera: se dibuja y se etiqueta el
diagrama de flujo y se usan los balances generales, los balances de las
unidades del proceso y los balances alrededor del punto de mezclado para
determinar las incógnitas del problema.
EJERCICIO:
Para
concentrar el jugo de naranja se parte de un extracto que contiene 12,5% de
sólidos. El jugo se pasa a los evaporadores que trabajan al vacío y parte se
deriva, para luego diluir el jugo concentrado que sale del evaporador con 58%
de sólidos hasta la concentración final del 42% de sólidos. La finalidad es
mejorar el sabor del jugo, ya que durante la evaporación pierde ciertos
saborizantes volátiles.
Calcule el peso de agua evaporada por cada 100 kg/s de jugo diluido que entra al proceso. Calcule también la cantidad derivada de jugo.
Conclusión:
El peso de agua evaporada por cada 100
kg/s de juego diluido que entra al proceso es 70,24 kg/seg y la cantidad
derivada de jugo es de 10,46 kg/seg.
Los balances de materia pueden ser en
estado estacionario o en estado no estacionario. El balance de materia en
estado no estacionario o transitorio se lo utiliza en los procesos continuos y
semicontinuos, los procesos continuos también pueden ser en estado estacionario,
pero los semicontinuos son exclusivamente no estacionarios, este balance de materia
se lo aplica para resolver problemas en las industrias como en la iniciación de
un equipo dentro de un proceso, para una renovación en una variable de un
proceso y para reducir el tiempo de cálculo.
Un tanque elevado tiene una capacidad de 8 m3 y se
encuentra en la parte superior de un edificio de tres pisos. El tanque
inicialmente tiene almacenado 2 m3 de agua. Considerando que se está
alimentando por la tubería de la red pública agua a razón de 0,25 m3/min y que
al mismo tiempo el consumo por los inquilinos de los departamentos del edificio
se mantiene constante a razón de 0,10 m3/min, determine el tiempo necesario
para que el tanque llegue a su máxima capacidad.
Objeto: Determinar el tiempo necesario para que el tanque llegue a su máxima capacidad.
Esquema:
Cálculos:
Conclusión:
El tiempo para que el tanque se llene
es de 40 min.
De
manera general, se puede definir energía como la capacidad de producir un
efecto sobre un cuerpo. En física, se dice que la energía es la capacidad para
producir un trabajo. A su vez, el trabajo puede definirse como la productividad
que la energía puede proporcionar al ser aplicada sobre un cuerpo por unidad de
tiempo.
La
energía no es un estado físico real sino una cantidad escalar (no tiene
dirección) que se le asigna a determinado estado del sistema al encontrarse en
ciertas condiciones. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía
cinética nula está en reposo
La
cantidad de energía que tiene un sistema no se puede determinar, por lo tanto
se suele medir la cantidad de energía de un sistema con respecto a un valor
“arbitrario” de referencia. En realidad lo que más interesa es conocer los cambios
en los niveles de energía que puede experimentar un sistema, y no la energía
absoluta en un momento determinado.
La
unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades es el Julio o Joule
(J), el cual tiene las siguientes equivalencias:
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) o 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.
Calor (Q): energía que fluye como resultado de una diferencia
de temperatura entre el sistema y sus alrededores. La dirección de este flujo
es siempre de la mayor temperatura a la menor temperatura. Por convención, el
calor es positivo cuando la transferencia es desde los alrededores al sistema
(o sea, el sistema recibe esta energía).
Trabajo (W): energía que fluye como consecuencia de cualquier
fuerza impulsora diferente a un gradiente de temperatura, tal como una fuerza,
una diferencia de voltaje, etc. Por ejemplo, si un gas en un cilindro en su
expansión mueve un pistón venciendo una fuerza que restringe el movimiento,
este gas efectúa un trabajo sobre el pistón (la energía es transferida desde el
sistema a los alrededores (que incluyen el pistón) como trabajo.
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).
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
Un kilogramo de
vapor a una presión de 1 bar, que está contenido en un cilindro de área
transversal de 1.69 m2, soporta libremente a una cubierta móvil hermética, de
un determinado peso. Se calienta externamente al cilindro, para elevar la
temperatura del vapor de 100℃ hasta 300℃. Suponiendo que no hay pérdidas de
calor hacia los alrededores, calcule la cantidad de calor que requiere el
proceso.
Objeto: Determinar la cantidad de calor que requiere el proceso.
Esquema:
Cálculos:
Conclusión:
La
cantidad de calor que se requiere en el proceso es de 304,57 Kj.
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