balances de materia

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Balances de Materia Elementos

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Page 1: Balances de Materia

Balances de Materia

Elementos

Page 2: Balances de Materia

2.1. Conservación de la materia

Para sistemas que no involucren reacciones nucleares, la ecuación general de conservación de la materia puede ser escrita como:

Salida de materia= Entrada de materia + Generación – Consumo – Acumulación

Para procesos en estado estacionario, es decir si no existe reacción química:

Entrada de materia = Salida de materia

Page 3: Balances de Materia

Ejercicio 2.1. 2000 kg de una solución de hidróxido de sodio al 5% en agua, será preparada por dilución de una solución al 20%. Calcular las cantidades requeridas. Los porcentajes se dan en peso (w/w).

F1=wH20= 1w/w

F2=wNaoH= 0.20w/w

F3= 2000 KgwNaoH= 0.05 w/w

Page 4: Balances de Materia

2.2. Unidades usadas para expresar composiciones

x= fracción molarw = fracción másica: corriente líquidas

Cuando se expresa una composición como un porcentaje, es importante establecer claramente la base: peso, molar o volumen. Las abreviaciones que usaremos: w/w: peso – peso

v/v: volumen – volumen: corrientes gaseosa

Ejercicio 2.2. Ácido clorídrico de grado técnico tiene una concentración de 20% w/w , exprese la concentración como % molar

Page 5: Balances de Materia

2.3. Estequiometría

Estequiometría (stoikeion – elemento ) es la aplicación práctica de la ley de proporciones múltiples. La ecuación estequiométrica de una reacción química, establece sin ambigüedad el número de moléculas de reactantes y productos que intervienen en una reacción.

Ejercicio 2.3. Balancear la ecuación global para la manufactura de cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxígeno.

A(C2H4) + B(Cl2) + C(O2) → D(C2H3Cl) + E(H2O)

Page 6: Balances de Materia

2.4. Selección de fronteras de control

• Las fronteras de control de un sistema define la parte del proceso, sobre la cual se va ha realizar el balance de materia (proceso completo y subdivisiones del proceso).

• Existen unas reglas rápidas y generales acerca de como realizar una selección adecuada de fronteras de control para todos los tipos de balances de materia:– En sistemas complejos, delimitar fronteras al proceso completo y si es

posible calculas los flujos de entrada y salida.– Seleccionar fronteras para subdividir cada uno de los procesos en

etapas simples y hacer los balances de materia para cada etapa por separado.

Page 7: Balances de Materia

Ejercicio 2.4. El diagrama muestra los principales pasos en un proceso para la producción de un polímero. Dados los siguientes datos, calcule los flujos de corriente para una tasa de producción de 10000 kg/h.

Reactor: Rendimiento sobre el polímero 100 % Corriente para polimerización 20 % monómero / H2O

Conversión 90 % Catalizador 1 kg / 1000 kg monómero Agente short - stopping 0.5 kg / 1000 kg monómero no reaccionante.

Filtro: Agua de lavado aproximadamente 1 kg / kg polímeroColumna de recuperación: 98 % recuperación de monómeroSecadero: Alimentación 5% agua, especificación de producto 0.5% H2O.

Pérdidas de polímero en secador y filtro: aprox. 1%Calcular la cantidad de monómero alimentado al proceso.

Page 8: Balances de Materia

V-1Válvula de mezcla

E-1Reactor

P-1Monómero

P-5

P-2

P-4Catalizador

P-3Agua

E-2Mezclador

P-6

P-7Short Step

E-3Filtro

P-8

P-9

P-10

E-5Recuperador de monómero

P-12Efluente

Monómero reciclo

E-4Secadero

P-11Polímero

Pérdidas

Page 9: Balances de Materia

2.5. Selección de la base de cálculo

1. Tiempo. Seleccionar la base de tiempo utilizada para presentar los resultados. Por ejemplo kg / h, Ton / h

2. Para procesos batch, utilizar una unidad batch.3. Seleccionar como base másica la corriente de flujo para la

cual existe mayor información.4. Es más fácil trabajar en moles que en peso cuando no

existen reacciones químicas involucradas.5. Para gases, si las composiciones están dadas en base

volumétrica, usar como base una unidad de volumen. Recordar que las fracciones en volumen son equivalentes a fracciones molares siempre y cuando las presiones sean moderadas.

Page 10: Balances de Materia

2.6. Número de componentes independientes

Sistemas físicos, sin reacción químicaEl número de componentes independientes es igual al número

de especies químicas.

Sistemas químicos, con reacción.El número de componentes independientes puede ser calculado

por la expresión:Nº componentes independientes = Nº de especies químicas – Nº

de ecuaciones químicas

Page 11: Balances de Materia

Ejercicio 2.5. Calcular el número de componentes independientes del siguiente proceso

E-1

P-1P-2

P-3

SO3+H2O→H2SO4

OleumH2SO4/H2O/SO3

HNO3/H2O

H2OHNO3

H2SO4

Page 12: Balances de Materia

2.7 Restricciones sobre el flujo y las composiciones

Los flujos de los componentes en una corriente son completamente definidos especificando cualquiera de los siguientes:

1. El flujo (o cantidad) de cada componente.2. El flujo total (o cantidad) y la composición.3. El flujo de un componente (o cantidad) y la composición.

Recordar que la suma de las fracciones en peso o molares de los componentes de una corriente debe ser igual a 1.

Page 13: Balances de Materia

• Ejercicio 2.6. Una corriente de alimentación a un reactorcontiene: 16% de etileno, 9% de oxígeno, 31% de nitrógeno, y ácido clorhídrico. Si el flujo de etileno es 5000 Kg/h, calcular los flujos individuales y el flujo total. Todos los porcentajes están en peso.

E-5P-20

Fetileno=5000 kg/hwetileno=0.16wO2=0.09wN2=0.31wHCl

P-21

Page 14: Balances de Materia

2.8 Componentes de enlace

• Si un componente pasa a través de una unidad de proceso sin ningún cambio, este puede ser usado para enlazar las composiciones de entrada y de salida.

Ejercicio 2.7. Se añade dióxido de carbono a una velocidad de 5 kg/ h en una corriente de aire y el aire es muestreado a una distancia corriente abajo lo suficientemente grande para asegurar una mezcla completa. Si el análisis muestra 0.45% v/v CO2 , calcular la velocidad de flujo de aire. Contenido de CO2 en el aire = 0.03%.

Page 15: Balances de Materia

Ejercicio 2.8. En un ensayo sobre un horno que quema gas natural (96% de metano, 4% nitrógeno), se obtuvo el siguiente análisis: 9.1% de dióxido de carbono, 0.2% de monóxido de carbono, 4.6% de oxígeno, 86.1% de nitrógeno, todos los porcentajes en volumen.

Calcular el porcentaje de aire en exceso.

Reacción:CH4+2O2 → CO2+2H2O

Page 16: Balances de Materia

2.9 Reactivo en exceso

Ejercicio 2.9: Para asegurar una combustión completa, 30% de aire en exceso es suministrado a un quemador para la combustión de gas natural. La composición del gas (por volumen) es 95% de metano, 5% de etano. Calcular los moles de aire requerido por mol de combustible.

CH4+2O2 → CO2+2H2O

C2H6+(3/2)O2 → 2CO2+3H2O

100tricaestequiomécantidad

tricaestequiomé cantidad - dasuministra cantidad exceso %

Page 17: Balances de Materia

2.10 Conversión y rendimiento

CONVERSIÓN. Es una medida de la fracción de reactivo que reacciona.

Page 18: Balances de Materia

Ejericio 2.10: En la manufactura de cloruro de vinilo (VC) por pirolisis de dicloroetano (DCE), la conversión de un reactor está limitada al 55% para reducir la formación de carbón, el cual puede deteriorar los tubos del reactor. Calcular la cantidad de dicloroetano necesaria para producir 6000 kg / h VC.

C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl

Page 19: Balances de Materia

RENDIMIENTO. Es una medida de la eficiencia de un reactor o una planta.

proceso al salimentado reactivo de moles

tricoestequioméfactor producido producto de moles oRendimient

:planta una Para

convertido reactivo de moles

tricoestequioméfactor producido producto de molesoRendimient

:reactorun Para

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Ejercicio 2.11: En la producción de etanol por la hidrólisis de etileno, se produce dietileter como subproducto. Una composición típica de la corriente de alimentación es: 55% etileno, 5% inertes, 40% agua, y una corriente de producto: 52.26% etileno, 5.49% alcohol, 0.16% eter, 36.81% de agua, 5.28% de inertes. Calcular el rendimiento de etanol y eter basado en etileno.

E-1

C2H4+H2O→C2H5OH2C2H5OH→(C2H5)2O+H2O

C2H4 55%Inertes 5%H2O 40%

C2H4 52.26%C2H5OH 5.49%(C2H5)2O 0.16%H2O 36.81%Inertes 5.28%

Page 21: Balances de Materia

Ejericicio 2.12: En la cloración de etileno para producir dicloroetano (DCE), la conversión de etileno es reportada como 99%. Si 90 moles de DCE son producidos por 100 moles de etileno alimentado, calcular el rendimiento global y el rendimiento del reactor basado en etileno. El etileno que no ha reaccionado no es recuperado.

C2H4+Cl2→C2H4Cl2

Page 22: Balances de Materia

2.11 Procesos con reciclo, purga y derivación

Ejercicio 2.13: Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una mezcla de 50% de benceno y 50% de tolueno. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D), y del reflujo (R) son idénticas porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído D.

Page 23: Balances de Materia

E-7

Producto LíquidoD

Condensador

P-27

P-29

P-30

E-9

Producto BaseW

0.04 Benceno

P-43

P-44

R

Alimentación10000 kg/h

0.5 Benceno0.5 Tolueno

0.95 Benceno0.05 Tolueno

VaporV = 8000 kg/h