UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” AREA DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA UNIDAD CURRICULAR: PRINCIPIO ING. QUÍMICA PROFESOR: ING. YOLIMAR FERNÁNDEZ DE JIMÉNEZ
TEMA Nº 02: BALANCE DE MATERIA EN ESTADO ESTACIONARIO SIN REACCIÓN QUÍMICA INTRODUCCIÓN En la INGENIERÍA DE PROCESO, se aplican los principios procedentes de las ciencias físicas y químicas aunadas con los principios derivados de la economía y de las relaciones humanas en campos que permanecen a los proceso, gracias a los cuales se trata la materia, para efectuar sobre ella un cambio, ya sea en su estdo, en su composición o en su contenido energético.
Para poder entender lo que significa un BALANCE DE MATERIA debemos entender ciertos conceptos que son muy familiares para nosotros, para ello este material está desarrollado con la finalidad de presentar estos nuevos conceptos que necesitamos manejar en la unidad curricular PRINCIPIOS DE INGENIERÍA QUÍMICA para la resolución de problemas asociados con balances de masa.
Entre los objetivos finales de esta unidad temática, debemos estar en la capacidad de aplicar de LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA en la resolución de los problemas de balance de masa comunes en las industrias químicas, identificando el tipo
de
proceso
que
se
presenta,
clasificando los sistemas y estableciendo sus fronteras, esbozar el diagrama de flujo del proceso y seleccionar la base de cálculo adecuada para la resolución del problema.
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2.1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE PROCESOS LOS PROCESOS son una serie de acciones, operaciones o tratamientos que provocan un cambio físico o químico a un material o mezcla de materiales, para producir un resultado o producto. Entonces, de acuerdo a éstos tenemos que los procesos pueden ser:
Secador rotatorio
Procesos físicos: los cuales tienen como característica que los materiales no sufren cambios
químicos
(no
hay
reacciones
químicas) pues solo requieren operaciones tales
como:
molienda,
evaporación,
separación, entre otras; haciendo cambios físicos en la materia como cambios de estado, concentración, presión y temperatura; también se le llaman Operaciones Unitarias.
Procesos químicos: en los cuales si ocurren cambios químicos o reacciones químicas, en base a esto se define lo siguiente: procesos unitarios, son aquellos que requieren de una o más operaciones reacciones
químicas,
por
ejemplo:
con
combustión,
polimerización, nitración, obtención de vinos, obtención de licores, obtención de alcoholes, etc.
Sin embargo, en la realidad es más común que nos encontremos con procesos que tienen tanto operaciones físicas como químicas…
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CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS: los procesos químicos en general se clasifican en: Intermitentes (batch), la alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después. No existe transferencia de masa en las fronteras del sistema entre el tiempo en que se realiza la alimentación y el tiempo en que se extrae el producto.
Continuos, las entradas y las salidas fluyen continuamente durante el proceso.
Semicontinuos (semi-intermitente o semi batch), cualquier proceso que no es ni intermitente ni continuo.
Los procesos también se pueden clasificar según su régimen en: Permanente y no Permanente.
Proceso en Régimen Permanente o en Estado Estacionario, proceso en el cual las variables como temperatura, presión, velocidades de flujo, etc., no cambian con el tiempo, excepto posiblemente, por fluctuaciones pequeñas alrededor de valores promedios constantes.
Proceso en Régimen No Permanente o en Estado No Estacionario, es aquel en el cual cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo.
Por su naturaleza los procesos intermitentes y semiintermitentes En función de lo descrito podemos considerar:
son
operaciones
en
régimen
no
permanente, mientras que los procesos continuos pueden ser transitorios o en régimen permanente, en estos la acumulación es igual a cero.
entradas salidas producción consumo 0
El PROCESO INTERMITENTE se utiliza
comúnmente
cuando se
producen
cantidades
relativamente pequeñas de producto en una única ocasión, mientras que para velocidades de producción grandes es mejor utilizar PROCESOS CONTINUOS.
Estos se llevan a cabo
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usualmente tan cerca como se pueda de un régimen permanente; las condiciones de un régimen no permanente (transitorio) existen durante el arranque de un proceso y en los cambios subsecuentes en las condiciones de operación del proceso.
2.2. DEFINICIÓN Y TIPOS DE SISTEMAS El SISTEMA es cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis o estudio. Las fronteras del sistema constituyen la delimitación alrededor del proceso a fin de delinear con exactitud el sistema
para cada
problema que intente resolver. TIPOS DE SISTEMAS. Dentro de los tipos de sistemas se encuentran:
Sistemas Abiertos, donde se transfiere material por la frontera del sistema, en los dos sentidos.
Sistemas Cerrados, donde no tiene lugar una transferencia durante el intervalo de tiempo de interés. En estos sistemas las entradas y las salidas son iguales a cero.
Para representar los procesos que se desean evaluar lo ingenieros deben utilizar una herramienta de fácil comprensión, es algo así como su lenguaje o código de igual forma para los arquitectos, ingenieros civiles o electricistas lo son sus planos…
2.3. DIAGRAMAS DE FLUJO LOS DIAGRAMAS DE FLUJO son dibujo ampliamente usados en ingeniería química, que ayudan a entender como se lleva a cabo el flujo de materiales o energía en un proceso o en un equipo.
La nomenclatura depende de la naturaleza del documento que se este
desarrollando y de la empresa ejecutora, pero en general a nivel industrial se emplean la nomenclatura ISA.
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Para elaborar los diagramas de flujo se usan símbolos, cuadros, etc., los cuales guardan cierto parecido con los equipos empleados y líneas rectas con puntos de flechas para indicar líneas de transferencia y la dirección de la misma. Los diagramas de flujo deben etiquetarse de la siguiente manera: 1. Escribir los valores y las unidades de todas las variables conocidas de los flujos sobre el diagrama o en una tabla resumen. 2. Indicar las incógnitas de los flujos y sus unidades. TIPOS DE DIAGRAMAS DE FLUJO. Algunos de los diferentes tipos son: Diagrama de bloque o cajas, diagrama de flujo de procesos (DFP, con equipos), diagrama de tuberías e instrumentación.
Diagrama de bloque o cajas: En el se representa el proceso en sus diferentes partes, por medio de cajas o rectángulos que tienen entradas y salidas, sobre el rectángulo se suele poner la indicación de lo que esta representa y sobre las líneas que representan corrientes de entrada o salida se indica la naturaleza de estas corrientes
(sustancia,
flujo,
temperatura,
presión, concentración, etc.).
Diagrama de Flujo de Procesos: Se utiliza para concentrar una mayor proporción de la información; es más completo que el diagrama
de
bloques
y
normalmente
involucra los balances de materia y energía, propiedades de los fluidos en las diferentes corrientes
debidamente
numeradas,
condiciones de operación y propiedades termodinámicas.
Estos muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por medio de líneas de unión. Para los equipos, se emplean dibujos que representan los equipos del proceso. El diagrama UNEFM. UNIVERSIDAD PARA EL DESARROLLO INTEGRAL DEL ESTADO FALCÓN. APRENDIZAJE DIALÓGICO INTERACTIVO (ADI).E-MAIL: FERNANDEZYOLY@HOTMAIL.COM- PRINCIPIO DE INGENIERÍA QUÍMICA.
de flujo de proceso también se puede considerar como un instrumento clave para definir, refinar y documentar un proceso químico.
Diagrama de Tuberías e Instrumentación: Son útiles para determinar los requerimientos para el control y la instrumentación de una planta.
2.4. BASE DE CÁLCULO LA BASE DE CÁLCULO, es la referencia escogida para el cálculo de los balances en un proceso y la selección adecuada de dicha base permitirá la resolución del problema con mayor facilidad.
Para escoger la base de cálculo se deben considerar los siguientes
aspectos: 1. Información disponible para iniciar. 2. ¿Qué se desea obtener? 3. ¿Cuál es la base más conveniente?
La base de cálculo es útil en problemas donde no se han dado cantidades iniciales y la respuesta esperada es una razón o porcentaje.
Es útil también en sistemas de flujo
continuo. El balance de materiales en sistemas continuos se hace
asumiendo
como
base
de
cálculo
un
tiempo
determinado.
2.5. ELEMENTOS DE CORRELACIÓN EL ELEMENTO DE CORRELACIÓN, es un componente que puede ser usado para relacionar la cantidad de corriente de un proceso con otra corriente, este usualmente no cambia durante el proceso, como ejemplo de esto tenemos: sólidos en procesos de deshidratación y secado. Nitrógeno en los procesos de combustión. Componente presente sólo en una corriente de entrada y en una corriente de salida (sin participar en reacciones químicas).
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Componentes que entran a un reactor y no participan en la reacción ni como reactivos ni como productos, es decir, lo que conocemos como sustancias inertes.
2.6. TIPOS DE ARREGLOS DE CORRIENTES EN LOS PROCESOS En los sistemas se pueden presentar diferentes arreglos de las corrientes involucradas en el proceso, los más importantes son presentados a continuación: Configuraciones de entradas y salidas de flujo que se emplean en los procesos, los cuales pueden ser de tres formas básicas: 1. Flujo a contracorriente. E1
S1
ETAPA
E2
S2
2. Flujos paralelos o co-corriente. E1
S1
ETAPA
E2
S2
3. Flujos cruzados. S1
S3
S1 E1
1
2
E2
E3
S4
Recirculación y purga -
Recirculación, o corriente de reciclo es una corriente del proceso que regresa material desde un punto aguas debajo de una unidad de proceso a la entrada de dicha unidad o aguas arribas de la misma, permite; aumentar el rendimiento de un proceso, enriquecer un producto (destilación), ahorrar energía (secado).
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-
Purga, es una corriente que se utiliza para evitar la acumulación de sustancias inertes o indeseables de un proceso, que de otra manera se acumularía a través de las corrientes de recirculación.
CON BY PASS
2
2
1
5
4
3
6 RECIRCULACIÓN SIN REACCIÓN QUÍMICA
2
1
3
5
Recirculación
4 RECIRCULACIÓN CON REACCIÓN QUÍMICA
6
1
Purga
5
2
RXN
3
4
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2.7. BALANCE DE MATERIA EN EE SIN REACCIÓN QUÍMICA Cuando
en
un
proceso
se
evalúa
únicamente el material a nivel de su estado, composición y transformaciones químicas, podemos decir que estamos realizando un BALANCE DE MATERIA.
EL BALANCE DE MATERIA, es una contabilización de material que entra y que sale de un proceso, en el cual éste sufre un cambio físico, químico e inclusive fisicoquímico. Los balances de materia, se fundamentan en la ECUACIÓN GENERAL DE LA LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA. LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA Posiblemente muchas veces hemos escuchado hablar de esta Ley, y quizás la recordemos de esta forma:
“La materia no se crea ni se destruye, sólo sufre transformaciones”. LA LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA, fue enunciada por Lavoisier de la siguiente manera: “En cualquier proceso, ya sea químico o físico, la masa total del material que entra en el proceso es la misma que la del material que sale del proceso, siempre y cuando no tenga lugar una acumulación”
Entrada – Salida + Generación – Consumo = Acumulación De esta forma podemos tener la ecuación general de balance de materia, ésta puede expresar la materia en unidades de masa o de moles. En esta ecuación, las entradas representan toda la materia que se alimenta al proceso, las salidas toda aquella materia que se obtiene al final del proceso, la generación la materia que se crea o produce por la transformación de especies reactivas alimentadas (lo que conocemos como productos), el consumo es la materia que se transforma de las especies reactivas en nuevas especies (que llamamos reactivos), y la acumulación representa la materia que queda almacenada dentro del proceso en un periodo de tiempo. UNEFM. UNIVERSIDAD PARA EL DESARROLLO INTEGRAL DEL ESTADO FALCÓN. APRENDIZAJE DIALÓGICO INTERACTIVO (ADI).E-MAIL: FERNANDEZYOLY@HOTMAIL.COM- PRINCIPIO DE INGENIERÍA QUÍMICA.
Podemos pensar en la siguiente analogía, al comparar el balance de materia, con el balance de nuestras cuentas bancarias: LAS ENTRADAS EL CONSUMO LA GENERACIÓN LAS SALIDAS
los depósitos efectuados las compras con débito los intereses obtenidos los retiros efectuados
por lo tanto LA ACUMULACIÓN quedará representada mediante el ahorro. En general los cálculos de balance de materia son ca si siempre un requisito previo para todos los demás cálculos al RESOLVER PROBLEMAS DE INGENIERÍA QUÍMICA tanto sencillos como complejos; la forma de plantear la ecuación dependerá del tipo de proceso que este evaluando. Generalmente, en el desarrollo de esta unidad temática, realizaremos los balances de los procesos partiendo del criterio que estamos bajo un RÉGIMEN PERMANENTE O ESTADO ESTACIONARIO, por lo que el término acumulación de la ecuación general se hace igual a cero, quedando:
Entrada – Salida + Generación – Consumo = 0 Esta ecuación se cumple para el proceso general, llamándose balance global y para cada componente que participe en dicho proceso, llamándose balance por componente o por especies moleculares. A su vez, debemos considerar el tipo de proceso que tenemos, en función si es físico o químico, porque la forma de enfocar estos balances no es del mismo sentido. En sistemas estacionarios, se pueden estudiar varios casos, por ejemplo:
Sistemas sin reacción química o balance de materia sin reacción química.
Sistemas con reacción química o balance de materia con reacción química.
Sistemas mixtos o balances de materia combinados, donde ocurren ambos casos y se emplean ambas formas de la ecuación, trabajando por lazos. En estos sistemas no se puede aplicar balance global.
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En la siguiente tabla se muestran los tipos de balance que se pueden desarrollar de acuerdo al sistema estudiado. * Puede ser que sí, si la relación es 1:1. Tabla Nº 1: Tipos de balances de materia de acuerdo al sistema Tipo de Balance BA LANCES TOTALES Masa total Moles totales BA LANCE POR COMPONEN TE Masa de un compuesto puro Moles de un compuesto puro Masa de una especie atómica Moles de de una especie atómica
Sin Reacción Química
Con Reacción Química
Si Si
Si No*
Si Si Si Si
No* No* Si Si
Fuente: Himmelblau, D. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química
2.8. BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA En SISTEMAS SIN REACCIÓN QUÍMICA, no se alimenta al proceso especies que bajo las condiciones del mismo puedan ser reactivas, así pues, éstas no pueden consumirse o reaccionar para generar producción de nuevas especies. En pocas palabras, no tenemos ni consumo ni generación, por lo que la ecuación general queda resumida de la siguiente forma:
Entrada = Salida Ecuación que representa el balance global de materia del proceso, y si conociéramos que A es un componente o especie que entra al proceso, podríamos realizar un balance guiándonos a partir del balance global, pero considerando sólo la participación de dicho componente en el proceso. Entonces, tenemos su balance por componente:
Σ Entrada de materia A = Σ Salida de materia A Debemos recordar también que la cantidad de materia de un componente (A) en una corriente de proceso (cuando está en mezcla) viene dada por: Masa:
Masa A = Fracción másica A * Masa total de la corriente
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Moles:
Mol A = Fracción molar A * Moles totales de la corriente
Realicemos este ejemplo práctico Ejercicio: Una disolución de celulosa contiene 5,2% peso de celulosa en agua. ¿Cuántos Kg de solución al 1,2% se requieren para diluir 100 Kg de disolución al 5,2% a 4,2?
MEZCLADOR 100 Kg A 5,2% celulosa 94,8 % agua
C=? 4,2% celulosa 95,8 % agua
B=? 1,2% celulosa 98,8 % agua
Frontera del sistema
Tenemos 2 elementos de correlación: Celulosa y agua Realizando los balances, tenemos: Balance global: masa que entra al proceso debe ser igual a la masa que sale
A B C 100 Kg B C 100 C B ( I Ecuación) Balance de componente: masa del componente entra debe ser igual a la masa que sale del componente. En una corriente la masa del componente depende de su composición. Celulosa:
0,052 * 100 0,012 * B 0,042 * C 5,2 0,042 * C 0,012 * B ( II Ecuación) UNEFM. UNIVERSIDAD PARA EL DESARROLLO INTEGRAL DEL ESTADO FALCÓN. APRENDIZAJE DIALÓGICO INTERACTIVO (ADI).E-MAIL: FERNANDEZYOLY@HOTMAIL.COM- PRINCIPIO DE INGENIERÍA QUÍMICA.
Resolviendo el sistema de ecuaciones, se tiene:
B = 33,33 Kg C = 133,33 Kg Entonces: se requiere 33,33 Kg de solución al 1,2 % para diluir 100 Kg de disolución al 5,2 % a 4,2 %.
Autoevaluación En el proceso que se presenta a continuación, se alimenta (F) 100 Kg/h de una mezcla con la siguiente composición másica (%): 50% etanol, 40% agua y 10% metanol. Se obtienen dos corrientes de salidas (S1 y S2) de las que no conoces la cantidad de masa que sale por ahí, pero si tenemos las composiciones específicas de cada salida. Realizando cálculos de balances de materia en este proceso sin reacción química, determine ¿Cuáles serían los valores de las corrientes desconocidas, sabiendo que la corriente S1 tiene una composición de 91% etanol y el resto es agua y S2, 78% agua y el resto metanol?
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