capitulo 5, balances de materia y energía, dr. antonio valiente

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  • 5/14/2018 Capitulo 5, Balances de Materia y Energ a, Dr. Antonio Valiente

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    CAPiTULO 5

    BALANCES DE MATERIA Y ENERG iAEN M EZCLADO Y EVAPORACION

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    OBJETIVOS

    Al finalizar este capitulo, el lector: a) Sera capaz deplantear y resolver problemas de balances de materiaen flujo de ftuidos. b) Sera capaz de plantear y resolverproblemas de balances de materia en el mezclado.c) Se mostrara al lector la forma de calcular los caloresde mezcla. d) Asimismo la forma de utilizar los diagra-mas de entalpia-concentraci6n para hacer balances deenergfa en procesos de mezclado. e) E I lector, al ter-minar de leer y estudiar este capitulo, estara capacitadopara efectuar balances de energfa en procesos de rnez-clado y de evaporaclon.

    FLUJD DE FLUIDOSDesde las mas remotas epocas, el hombre se ha preocupado por elmanejo y almacenamiento de los fluidos, especial mente por el agua, tanpreciosa para la vida. Asi es como se puede observer que cada pueblo ycultura dedic6 grandes esfuerzos a la construcci6n de diques, canales, ace-quias, acueductos y cloacas,Con el advenimiento de la revoluci6n industrial, el hombre se vio for-

    zado a manejar muchos fluidos nuevos, tanto Hquidos como gaseosos. Ac-tualmente, en cualquier planta de procesos de materiales se tiene siempreflujo de fluidos, ya sea en forma continua 0 intermitente; este flujo serealiza a traves de tuberias con ayuda de bombas y compresoras. La redde tuberias conduce los materiales hasta los equipos en donde son pro-cesados y almacenados. En este capitulo se haran balances de materia re-lacionados con el flujo y almacenarniento de fluidos, a reserva de volversea tratar de nuevo cuando se trate el f1ujo de fluidos desde el punto devista de balances de energfa.EQUIPOS EN usaComo se dijo antes, los fluidos de una planta quimica se transportan ge-neralmente por tuberias, las cuales son de un material que resista el ataque

    [199]

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    COMIlRE,SOR

    200 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIt\,qufmico del fJuido que se transporta.Entre las caracterfsticas mas importantes de las tuberias, aparte del mate-

    rial de que estan hechas, se encuentra el numero de cedula, el diarnetroexterno y el diarnetro interno.

    EJ nurnero de cedu la esta definido por:No. de C :--_:000 PIS

    -+P= presion' de trabajo interno en lb/in"'-J>S = tension perrnisible en Ib/in'

    EJ diarnetro externo se usa para calcular recubrimientos de tuberias ypara determinar [as tarnanos de las aberturas a traves de las cuales debapasar la tuberia. EI diametro interno ID se usa para calcular los gastos.La red de ductos no s610 consta de la tuberia propiamente dicha, sino

    de muy diversos accesorios que permiten el cambia de direccion de latuberia, el control y la rnedicion del flujo.Accesorios mas usados:

    ~ }-i -t> < J - - -codo t.. brlda valvula valvulade eornpuerta de globo- - - - f ' - . J - - - - --1"1- ----{8J- ~

    valvul. valvula trampa vAlviJlade ....lenci6" de mariposa de vapor de control

    Para los fluidos que se desplazan en los ductos, es. necesario can fre-cuencia el usa de bambas (en el caso de liquidas) 0 de compresores 0ventiladores (en el caso de gases).Bombas y ventiladores:

    r - - - - - - - - - - - - - - ~, ',,

    -- .. . _ - - ---- - " . "~ , ,A ... l iql.Jldo a ~"'t~ J;llf:~!t01'rB ~- IIIqu,oG ill ~ II.. , ~I I!!"OI 1o

    80M8A. A - iiJlo II IHI~ j)r.!tIl~1I1oB ... Q.u : i l l I"i'....iI,illn,jJ D"J~sJOn

    A _ liOll.do .a b..~ ~'r$odn8 ~ jJU a alia p .r rs ;.Qn

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    BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA EN MEZClADO 201EI almacenamiento de fluidos se efectua en tanques y cisternas. En eJcaso del almacenamiento de gases 0 de gases licuados, los tanques deben

    diseriarse para soportar altas presiones y contar con dispositivos de segu-ridad.Tanques:

    par. liquido para gases para s6lidCfS

    Para el calculo del volumen de fluido almacenado, es necesario recurrira la geometria del tanque en cuestion. las formas geornetricas mas usadassonEsfera V = 4/3 1t rh =alturaMEZCLADO

    Cilindro V = 1t r hr = radio

    Paralelepfpedo V = J (a) hI= largo a = ancho

    La operacion de mezclado es frecuente en los procesos de ingenierfaqufmica, ya que por regia general en estos se irata mas con rnezclas demateriales que con sustancias puras.EI mezdado se usa para preparar una cornbinacion uniforme de dos 0mas sustancias 0materiales; las sustancias que se mezdan pueden ser so-lidos, liquidos 0 gases.La operacion de rnezclado se utiliza para preparar diluciones, pinturas,

    alimentos, ceramica 0 como medio de aumentar la superficie de contactoentre las fases en otras operaciones como absorcion, extracclon, secado, etc.EQUIPOS EMPLEADOSlos Jiquidos se mezdan casi siempre en tanques provistos de agitadores

    y deflectores.~agitadO(

    i-- defieClor-

    ob

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    202 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIAPara mezclar s61idos se usan equipos mas complicados, que se ajustana fa naturaleza del solido (arenas, pastas, polvos). Estos aparatos sirven tam-bien para mezclar Iiquidos con s6lidos.

    Mezcladore5 de 56lidos:

    ,.-.;,jldao..-I_HIlI"" ~1IIeWOLI1tO or IIOLII$

    .---- '-------_._

    ,,,,,,,, ,.... ~ .JA-tbl ... . , 1 o I ' h o t!II-~"'"

    los gases se mezclan generalmente por medio de toberas 0 burbujea-dores.

    , - - -- ------------_II

    I111I1 IL ,

    A - gas 1B - gas 2C - mezda

    V E N T U R I

    BALANCES DE MASA EN FLUJO DE FlUIDOS

    1--- - -- - - - -- - - - :IIIIIIII1 :0 00 I,II,

    ,---- --- - --- --_jA - Gas

    B U R B U J E A O O R

    La ecuaci6n de la continuidad plantea de manera cuantitativa la ley dela conservaci6n de la materia, euando se aplica a sistemas de fluidos enmovimiento.

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    BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA EN MEZCLADOEn general, para una tuberfa dada

    2 0 3

    1--- --- - - - - - - - -~---,I I

    1

    I I1L, = lzL , = A , p, U ,L , = A1U 1

    En dondeL= flujo rnasicop = densidadU = velocidad del f1uidoA = area seccional de la tuberfa en m'

    o sea,' que la velocidad masica es funcion de la densidad del fluido, lawelocidad promedio dentro de la tuberfa y el area seccional de la misma.5i el balance incluye tanques de almacenamiento, tendremos que:,rapidez de entrada} = = {raPidez de salida} {r~~idez de acumula.}lde masa. de rnasa, + cion de masa.

    1- - - - - - - - - - - ~ ~ - - - - - - - - - - - - - - - - --~1 II ,I 11 II 'I

    1,I ,I__ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -_.

    ES DE MASA EN MEZCLADOEn general, para el rnezclado a regimen permanente se tiene que:frapidez de entrada de materia} {rapidez de salida de materia f

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    20 4 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA- - L - ; - - - - - - - - - - - - - I

    . 'I Ir 1 X'l

    L 3 Y para la sustancia

    En regimen transitorio se tendra que:

    {rapidez de entrada}_ {rapidez de salidade materia. materia.d {raPldez neta de}e} _ acumulaci6n de = 0

    masa.La acumulaci6n podra ser positiva 0 negativa segun que haya incremento

    o decremento de la cantidad de materia acumulada.BALANCES DE ENERGIA EN. MEZCLADOI Rapidez de salida de energfa en ! - 1 Rapidez de entrada de energfa! 0el sistema terrnodinarnico en el sistema terrnodinarnlco

    Lc (Ep + Ec + EPe + U)c - LA (Ep + Ec + EPe + U)A- LB (Ep + Ec + EPe + U)B = 0

    En terrninos de entalpia

    lc (Ep + Ec + H)c - LA (Ep + Ec + H)A - LB(Ep + Ec + H)B=0En los procesos en los que se mezclan corrientes a temperaturas dife-

    rentes, los terrninos Ep y Ec son, en general, despreciables frente a losterrninos de entalpia, por 10 tanto

    LH -LH -LH =0C C A A B B

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    BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA EN MEZCLADOEn general

    205

    To= temperatura base para computar las entalpiasCPc =CPAXA + CPBXBCpa = capacidad calorifica a presi6n constante del fluido AxB = fracci6n masa del compuesto B5i en el proceso hay acumulaci6n

    Mezdas de liquidos realesEn muchos casos, al mezclarse dos liquidos 0 dos soluciones se des-

    prende 0se absorbe calor; cuando esto sucede se dice que hay un calorde disoluci6n. EI carnbio de entalpia que se produce al mezclar dos liquidosa la misma temperatura se denomina calor de disolucion,

    carores integrales estandar de disoluci6nEI calor integral estandar de disolucion se define como el cambio en la

    entalpfa de un sistema cuando un mol de soluto se disuelve en n molesde disolvente manteniendo la temperatura a 25C Y 1 atm de presi6n. .EI valor numerico del calor integral de disoluci6n depende del numero

    de moles de disolvente. AI aumentar la cantidad de disolvente en aumentosiguales, el calor en cada a