guia balance de materia

7/23/2019 Guia Balance de Materia

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Prof: ESP. GLORIA ESMERALDA SANDOVAL MARTINEZ IEM

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIAS INGENIERIAELECTROMECANICA

MODELAMIENTO DE PROCESOS INDUSTRIALES

BALANCE DE MATERIA

FELDER, R.M. y ROUSSEAU, R.W., Principios Elementales delosProcesos Qumicos. Wiley (3a ed.), Nueva York, (2003). Parte 2 y 3

HIMMELBLAU, D. M., Basic Principles and Calculations in ChemicalEngineering. 6 ed. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.Traduccin al castellano, 6 ed.: Balances de materia y energa.

Prentice-Hall Inc. (1999).

Qu son los balances?

Los clculos de balance se basan en los principios de conservacin demateria y energa

Sirven para determinar los flujos, composiciones y temperaturas detodas las corrientes que intervienen en el proceso a partir deinformacin especfica o supuesta sobre el funcionamiento de algunos

equipos del proceso o de las propiedades de algunas corrientes.

Los balances de materia son la base del diseo de procesos.

Un balance de materia sobre un proceso completo determinar lascantidades de materias primas que se requieren y los productos que seproducen.

Los balances sobre unidades de proceso individuales nos dan los flujosde las corrientes, sus composiciones y temperaturas.

Para qu sirven?

1. Los balances de materia y energa son tiles para:

Evaluar composiciones finales tras un mezclado Determinar rendimientos y eficacias en procesos de:

separacin,reaccin, mezcla Diseo de equipos.

2. La informacin sobre las corrientes de E y S de la unidad de proceso esfundamental de cara al diseo de la misma. Adems, debido a la

imposibilidad prctica de medir todas las corrientes de un proceso, apartir de informacin conocida de algunas de ellas y mediante balances,se pueden calcular el resto.

3. Los balances de energa sern esenciales por ejemplo para el diseo desistemas que impliquen calentamientos y enfriamientos, para asegurarque los fluidos utilizados en el intercambio de calor son dimensionadosadecuadamente para cumplir las especificaciones del diseo.


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4. La aplicacin conjunta de ambos tipos de balances se usarn en el casoen que durante el proceso existan variaciones de fase o aparicin deotras nuevas (evaporaciones, condensaciones, etc)


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ALGUNOS PROCESOS UNITARIOS

EVAPORADOR: al aumentar la T, el agua se evapora y por tanto el slido seconcentra.

CRISTALIZADOR: una disminucin de T hace que comience el crecimiento delos cristales

CENTRFUGA: se produce la separacin de los cristales y de una disolucincompuesta por agua e impurezas hidrosolubles

SECADERO: por ltimo, los slidos que mantenan una cierta humedad sonsecados con aire seco que se carga de humedad.


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EJERCICIOS RESUELTOS EN CLASE

1. En el tratamiento primario de un agua residual sta se hace pasar porun sedimentador para eliminar los slidos en suspensin. El procesotrabaja en continuo y en rgimen estacionario. A partir de los datos deldiagrama de flujo determinar las velocidades msicas de los flujos desalida

2. La sal contenida en un petrleo crudo debe eliminarse antes de serutilizado en una refinera. Para ello se introduce en un mezclador elcrudo junto con una corriente de agua en proporcin msica 4:1(crudo/agua) y posteriormente se trasvasan a un separador de fases. Elcrudo alimentado contiene un 5 % en sal y el agua salada retirada delseparador un 15 % (porcentajes msicos). Hallar la concentracin de salen el crudo lavado.

3.

Un material que contiene 75% de agua y 25% de slidos se alimenta aun granulador a razn de 4000 kg/h. La alimentacin se mezcla en elgranulador con un producto reciclado de una secadora que sigue algranulador (a fin de reducir la concentracin de agua en el material delgranulador a 50% de agua, 50% de slido). El producto que sale delsecador tiene 16.7% de agua. En el secador, se hace pasar aire sobre elslido que se est secando. El aire que ingresa en el secador contiene3% en peso (masa) de agua, y el aire que sale del secador contiene 6%en peso (masa) de agua.

a) Cul es la razn de reciclaje al granulador?

b) Cul es la velocidad de flujo de aire al secador en base seca?


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4.

En una columna de destilacin se separa una mezcla de 3 componentes

consistente de: 7% de acetona, 61.9% de cido actico y 31.1% deanhdrido actico. La columna est diseada de tal manera que lacorriente de fondo no contenga acetona y el destilado contenga 10% deacetona y 88% de cido actico. Si la columna opera de tal manera queel 60% de la corriente de tope retorna como reflujo, calcule todos losflujos suponiendo que las composiciones son molares y se producen 700mol/h de destilado.

BALANCE EN SISTEMAS REACCIONANTES

La estequiometra es la teora de las proporciones en las que secombinan entre s las especies qumicas.

La ecuacin estequiomtrica de una reaccin qumica es una afirmacinacerca de la cantidad relativa de molculas o moles de reactivos yproductos que participan en la reaccin.

Reactivos en proporciones estequiomtricas: la relacin moles presentesigual a la relacin entre los coeficientes estequiomtricos. Si la cantidadde reactivos es distinta a la relacin estequiomtrica,

El reactivo presente en menor proporcin que la estequiomtrica es elreactivo limitante.

El que est presente en mayor proporcin que la estequiomtrica es elreactivo en exceso.

Conversin:Las reacciones qumicas no se llevan a cabo en forma instantnea, esms, muchas de ellas son muy lentas. Por esta razn en muchos casos,no resulta prctico disear un reactor para una conversin completa delreactivo limitante.

EJEMPLO 1 RESUELTO EN CLASE:

En una planta industrial se lleva a cabo la reaccin entre el metanol y eloxgeno para formar formaldehdo y agua, producindose cinco millonesde kilogramos de formaldehdo por ao, operando 350 das al ao, 24horas al da. El oxgeno alimentado al reactor se halla en un 25% deexceso respecto de la cantidad requerida tericamente para la reaccincon la alimentacin de metanol, y la conversin de metanol es de 95%.Calcular la alimentacin de oxigeno requerida en kg/h.


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CONVERSION GLOBAL Y POR PASO


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BALANCE ATOMICOComo los tomos no pueden crearse ni destruirse en una reaccinqumica, los balances sobre especies atmicas pueden formularsesimplemente como:

Los balances sobre especies atmicas son recomendables cuandoocurren varias reacciones en forma simultnea

EJEMPLO 2. RESUELTO EN CLASE

Se produce xido de etileno mediante la oxidacin cataltica de etileno


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Una reaccin competitiva indeseable es la combustin del etileno:

La alimentacin al reactor (no la alimentacin fresca al proceso)contiene 75% molar de C2H4 y el resto de O2. La conversinfraccionaria de etileno en el reactor es 20%, y el rendimiento del xidode etileno, en base al etileno consumido, es de 80%. Se emplea una

unidad de separacin para separar los productos: se recirculan el C2H4y el O2 nuevamente al reactor; el C2H4O se vende como producto,mientras que el CO2 y el H2O se descartan.


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REACCIONES DE COMBUSTIN


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EJEMPLO 3 RESUELTO EN CLASE:Se quema hexano con exceso deaire, un anlisis del gas producto de la siguiente composicin molar enbase seca.

Calcular el exceso porcentual de aire alimentado al reactor y laconversin fraccionaria de hexano

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