ALCIRA SOCARRÁS SOCARRÁS CÁRDENAS FEBRERO 2016
Bala Ba lanc nce e de mate materi ria a Proceso: Es cualquier operación que inolucra un ca!"io qu#!ico $#sico% qu#!ico o $#sico&qu#!ico en un !a'erial o !e(cla )e !a'eriales* Ali!en'ación +a'eria ,ri!a
PROCE SO
,ro)uc'os )esea)os - secun)arios
Sistema: ,orción )el unierso a es'u)iar* Can'i)a) )e !a'eria $i.a so"re la cual se en$oca la a'ención )e es'u)io* Alrededores: /o)o lo que es' $uera )el sis'e!a* Frontera: L#!i'e i!ainario o real que separa el SIS/E+A )e los ALREDEDORES ALREDEDORES** biertos: INTERCAMBIA materia con los alrededores alrededores Clasifcación Cerrados: NO INTERCAMBIA materia con los alrededores alrededores de los sistemas diabáticos: NO INTERCAMBIA calor con los alrededores Aislados: NO INTERCAMBIA ma Ejemplos: Abiertos:
Cerrados:
Adiabáticos:
Aislados:
2
Balanc Balance e de materi materia a Clasi$icación )e los procesos Tipo de Clasificación
Clasificación •In'er!i'en'es BA/C3% por cara4
Se5n la $or!a )e ALI+EN/AR RE/IRAR los !a'eriales
Definición
Se ali!en'an los !a'eriales
INICI O •Con'inuo
•Se!i&Con'inuo
TRANSFORMA CIÓN
Flujo de Alimenta ción Constante
Se re'iran los pro)uc'os
FIN Flu jo De Produc tos Constante
Balance de materia Clasi$icación )e los procesos
Ti o de Clasificación
Clasificació
Definició Las aria"les que )e$inen NO CA+BIAN con respec'o al 'ie!po*
•Es'acionario Se5n las CONDICIONE S )e ,roceso
Aluna )e las aria"les en el proceso CA+BIAN con respec'o al 'ie!po*
• No Es'acionar io
Se5n la Inenier #a 7u#!ica
•Separación
,rocesos )e se aración $#sica Des'ilación A"sorción A)sorción 3u!i)i$icación% Fil'ración% +e(cla)o% Li8iiación% Seca)o% Cris'ali(ación% /a!i(a)o% en're o'ras*
•Reac'ios
,rocesos con reacción qu#!ica Reac'ores Discon'inuos% Reac'ores Con'inuos% Reac'ores I)eales% no I)eales% Reac'ores Ca'al#'icos% 3o!o9neos o :e'ero9neos% Reac'ores !ono$sicos% !ul'i$sicos* !
Balance de materia EC;ACI
“La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma” “La cantidad de materia del Unierso es constante” Matemáticamente esto si"nifca #$e: %ero como:
dmUNIVERSO =0 dt
UNIVERSO = SISTEMA + ALREDEDORES
dmSISTEMA + dm ALREDEDORES &$ede entonces = dt #$e: 0 dt Entonces( la razón de camio de materia en el sistema se debe a: =Flu.o )e !a'erial que entra al sis'e!a =Flu.o )e !a'erial que sale )el sis'e!a =+a'erial que se consume reac'ios4 en la reacción qu#!ica en ca)a ins'an'e =+a'erial que se produce pro)uc'os4 en la reacción qu#!ica en ca)a ins'an'e
No C$mple Ra'ón de cambio
Balance de materia EC;ACI
Fe
Fs
SISTEMA
Si a la ra!ón de cam"io )e !a'eria en el sis'e!a la lla!a!os ACU#ULAC$%&% en'onces% la ecuación eneral )e "alance )e !a'eria pue)e escri"irse co!o
)
ENTRADA ! "ENERACIÓN # CONS$MO # SA%IDA & AC$M$%ACIÓN %ara $n sistema( la ec$ación #$edará: F' F( ))
SISTEMA
Fn
n
m
Fn!' Fm#( )) F*
*i
p
m
masa o moles tiempo
m
+ . Ac$m$lación Entradas + ,eneración + - Cons$mo+ 1alida +./+./+./
+n0/
+./
Dn)ole $or!a !a'e!'ica a la e8presión an'erior * i ,ENERACIONE1 ,i de i
ENTRA4A1
CON13MO1 de i
Ci * i
1A5I4A1
6 dmi dt
/o!an)o en cuen'a que la can'i)a) o $lu.o )el co!pues'o i en una corrien'e es >? corrien'e i? co!pues'o Don)e F' i? Can'i)a) ó $lu.o !sico o !olar4 )el co!pues'o i en la corrien'e F > (' i? Co!posición )el co!pues'o i en la corrien'e F >
7
F' ? can'i)a) o $lu.o !sico o !olar4 )e la corrien'e F >
)*i ? @eneración )el co!pues'o i en la reacción . C*i ? Consu!o )el co!pues'o i en la reacción . Ai ? Acu!ulación )el co!pues'o i
Tipos de +alances de #ateria +alance de #ateria Total m-sico. !
F + ( @eneraciones −
∑
∑
i
∑
)
n
Consu!os −
i=1 EN/RADAS
∑
n
i i= 1
)!SIS/E+A
i
)/
i=!+1 SALIDAS
+alance de #ateria por componente m-sico.
∑8
F =
∗ Fi + (∑
@eneración
i
−∑
i
n
)− ∑ 8
Consu!o
∗
Fi
i i= 1
EN/RADAS
)! i
= )/
SALIDAS
+alance de #ateria Total molar. !
∑
i
F +
( )∑
n
@eneraciones −
∑
Consu!os −
i=1 EN/RADAS
∑
)n i
F =
i=!+ 1 SALIDAS
+alance de #ateria por componente molar. n
- ∗ F + (
n
SIS/E+A
)/
Consu!o
∑ i 1 =
i
EN/RADAS
i
∑
)− i
∑-
∗ F
=
i
)n i
∑ i 1 =
i
SALIDAS
i
)/ 8
Balance de materia Consideraciones en el +alance de #ateria ENTRADAS ! "ENERACIONES + CONS$MOS + SA%IDAS & AC$M$%ACIONES Si el proceso es en /stado /stacionario ENTRADAS ! "ENERACIONES + CONS$MOS + SA%IDAS & , Como no ocurren reacciones -u.micas/ entonces0 ENTRADAS ! , + , + SA%IDAS & , 0esultando entonces la ecuación: ENTRADAS & SA%IDAS
/strate1ias para resoler pro"lemas de +alance de #ateria '1 ENTIENDA claramente el Prolema 9 5ea el %roblema detenidamente 9 Responda pre"$ntas como: ; <&$= tipo de proceso es> ; ; ; <&$= s$stancias entran @ c$ales salen>
Balance de materia Consideraciones en el +alance de #ateria
(1 DI2$3E un Dia4rama de Flujo0 Represente el proceso en $n 4ia"rama #$e incl$@a: Todas 9 las 3nidades de %roceso Cada 9 corriente 4efna 9 el 1istema por medio de $na *rontera
PROCESO
51 ETI6$ETE el Dia4rama de Flujo0 Rot$le con smbolos sobre el 4ia"rama: 9 5as ariables conocidas: D$jos @ composición: *i( ( iA 9 5as ariables desconocidas: D$jos @ composición: *i( ( iA 9 InFormación adicional del %roceso como Ec$aciones 9 Eprese los datos o relaciones proporcionadas por el problema a traG=s de ec$aciones matemáticas
F'& ',, 7489 A0 :, ;
:, ;
Balance de materia A 0 =(A & =
Consideraciones en el +alance de #ateria
2 0 =(2 & ' # = Relación dada0
F
1
A0 >?/( ;
F3
kg H
2. /sco*a una +AS/ D/ C3LCUL4 : = Es'a Base )e Clculo sie!pre ser una ARIABLE E/ENSIA* = ,ara encon'rar los $lu.os reales )e un Balance )e +a'eria se requiere al !enos una aria"le e8'ensia% en caso con'rario solo se po)rn encon'rar aria"les in'ensias 'e!pera'ura% presión% co!posición% en're o'ras4* = Se pue)e u'ili(ar una Base )e Clculo )i$eren'e a la su!inis'ra)a por el pro"le!a una e( resuel'o 9s'e% se )e"en correir los alores )e los $lu.os )e ca)a corrien'e !e)ian'e un $ac'or )e escala* C-lculo del Factor de /scala
FE =
Bp Bc
+p:alor )el Flu.o en la Base ,e)i)a +c :alor )el Flu.o en la Base u'ili(a)a para los clculos A!"as Bp - Bc )e"en per'enecer a la !is!a corrien'e*
567 Formular ecuaciones de "alance independientes 867 Traducir cual9uier información adicional a ecuaciones 677DDeetteerrmmiinnee elementos de ccoorrrreellaacciióó nn o inculantes ;67
Balance de materia Ta"la de +alance de #ateria Los Balances )e +a'eria pue)en ser presen'a)os en una /a"la que po)r#a 'ener siuien'e $or!a
Descripción Componente A Componente + Componente C Componente D /ntra Consume Forma Sale E.e!plo Supona!os un proceso de separación sencillo% en estado estacionario Acu!ulación ? 04% )on)e par'icipan 'res sus'ancias A, + y C * Se ali!en'an F> masa. )e una !e(cla )e las 'res sus'ancias% con una co!posición !sica ?>A, ?>+, y ?>C respec'ia!en'e* /o)os los $lu.os )e sali)a F@ y F. son !sicos* Los Flu.os !olares es'n relaciona)os con los Flu.os !sicos por
*/JmolarK */JmásicoKLMM/ *2JmolarK *2JmásicoKLMM2 *JmolarK * JmásicoKLMM
. . .
Balance de materia Ta"la de +alance de #ateria Don)e ++1% ++2 - ++ son las !asas !olares pro!e)io )e los $lu.o F 1% F2 - F respec'ia!en'e
/
Ejemplo: ;na !e(cla que con'iene Benceno - /olueno en peso4 se ali!en'a a una 'orre )e )es'ilación% la corrien'e superior 'iene un concen'ración )el G Benceno !ien'ras que el H )el "enceno que se ali!en'a a la 'orre sale con la corrien'e in$erior* Si el $lu.o )e ali!en'ación es )e 2000J:* Se requiere que para es'e proceso a4 Di"u.e - e'ique'e el )iara!a )e $lu.o )el proceso* "4 De'er!inar el $lu.o )e la corrien'e superior - los $lu.os !sicos )el Benceno - /olueno en la corrien'e in$erior 1ol$ción: >67 ,roceso con'inuo% es'acionario% sin reacción qu#!ica% )e separación @ y 67 Di"u.ar - E'ique'ar Des'ila)o pro)uc'o )e ca"e(a4 *2 G Benceno /olueno
F1?2000J: Benceno /olueno
) e s ' i l
a c i ó n
*
Resi)uo pro)uc'o )e $$oonn))oo44 B%?0%0HKF1KB%1 /%
/2
567 Balance )e +a'eria /O/AL +ASICO4 En'ra)as @eneración M Consu!o M Sali)as ? Acu!ulación Sus'i'u-en)o qquuee))aa En'ra)a M Sali)a ? 0
Entonces:
*/- *2-* . */ . *20 * J/K Balance de Materia J%or COMPONENTE MA1ICOK Entrada . 1alida %ara Benceno: (!)*/ . ((HH))**2 0 B*J2K %ara Tol$eno: ())*/ . ()*2 0 T* @) InFormación adicional:
JK
H )el Benceno que se ali!en'a sale en la corrien'e in'erior Benceno ali!en'a)o a la 'orre ? 0%KF 1 ?0%K100J: ? J:
B* . (!) "L . (7 "BLJ!K 1$stit$@endo la ec$ación J!K en la ec$ación J2K obtenemos: (!)*/ . (H)*2 0(7 "L J)K
/
Sus'i'u-en)o los alores )e F 1 100 J:4 en ecuación 4 (!)/"L . (H)*2 0 (7 +"L .P *2. !() "L 1$stit$@endo el Galor en la ec$ación J/K obtenemos el Galor de * * . / "L- !()
,ara calcular la co!posición )e 'olueno en la corrien'e in$erior se u'ili(a la ecuación 4
0%K 0%K100J: & 0%0K = 0%0K F + K F → F = %HJ:
= 0%G62
/
2
T
T
)7(!2"L E5 %ROB5EMA IN4ICA &3E 5A A5IMENTACIQN E1 4E 2 "L por lo tanto es necesari cambiar de base
/B/0C$C$4 P04PU/ST4: Un proceso de Destilación Se )es'ilan 100 >J: )e una !e(cla que con'iene par'es iuales )e E'anol - Aua en !asa* La eloci)a) )e $lu.o )e pro)uc'o en el 'ope es )e H%H >J: - el resi)uo )e la )es'ilación con'iene %11 )e E'anol en !asa * ,ara es'e proceso a4Di"u.e - e'ique'e el )iara!a )e $lu.o )el proceso* "4Calcule la co!posición !sica )el pro)uc'o en el 'ope*
/!
