tema balances materia web

Download Tema Balances Materia Web

Post on 08-Jun-2015

7.421 views

Category:

Documents

6 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Tema 1.- Balances de materia

Balances de materiaPrograma Balances de materia en rgimen estacionario Sin reaccin qumica Con reaccin qumica Recirculacin Purga

Balances de materiaTrminos utilizados Proceso: cualquier operacin o serie de operaciones que producen un cambio fsico o qumico en una sustancia o en una mezcla de sustancias. Alimentacin (entrada) Corriente de salida Flujos de entrada / salida

Balances de materiaProceso de obtencin de gluconato sdico

Balances de materia Velocidad de flujo Velocidad de flujo msico

(m)

(kg/h) /=/ masa/tiempo

Velocidad de flujo volumtrico volumen/tiempo

(V )

(m3/h) /=/

Relacin entre ambas velocidades de flujo, densidad (kg/m3) ()

Balances de materiaClasificacin de los procesos Segn la forma de alimentar el proceso 1. Proceso continuo 2. Proceso semicontinuo 3. Proceso discontinuo Variable tiempo 1. Proceso estacionario 2. Proceso no estacionario

Balances de materia Proceso continuo

T-1

Balances de materia Proceso semicontinuoRespecto a la alimentacin

T-2

T-3

T-4

Respecto a la alimentacin y a la salida

Balances de materia Proceso discontinuo (proceso batch)La alimentacin se introduce al sistema al comienzo del proceso y todos los productos se extraen juntos una vez acabado el proceso.concentracinT-5

tiempo

Balances de materiaEn funcin de la variable tiempo Proceso estacionarioCuando todas las variables que intervienen en el proceso, (temperatura, presin, flujo entrada, flujo salida,....) son constantes a lo largo del tiempo

Proceso no estacionarioCuando alguna de las variables del proceso cambia con el tiempo

Balances de materia Procesos semicontinuo y procesos discontinuos son procesos no estacionarios ej,.: reactor discontinuo (fermentacin)

Los procesos continuos pueden ser o no estacionarios

Balances de materia Composicin corrientes entrada/salida Las corrientes pueden contener varias sustancias (A, B, C) Concentracin molar (moles/L) Concentracin en masa (kg/L) Fraccin molar (x):xA = moles A moles A = moles totales moles A + moles B + moles C

1 = x A + xB + xC

Balances de materia Fraccin en masaxA = kg A kg A = kg totales kg A + kg B + kg C

Porcentaje en masa %A% A(masa ) = kg A 100 kg totales de mezcla

Porcentaje en moles %A

% A(moles ) =

moles A 100 moles totales de mezcla

Balances de materia Relacin entre fraccin en masa y fraccin molar Masa molecular de cada sustancia de la mezcla (M) x A ( masa ) MA x A ( moles ) = xC ( masa ) x A ( masa ) xB ( masa ) + + MA MB MC

x A( masa ) =

x A( moles ) M A x A( moles ) M A + xB ( moles ) M B + xC ( moles ) M C

Balances de materia Masa molecular media de una mezcla Mmezcla

M mezcla = x A( moles ) M A + xB ( moles ) M B + xC ( moles ) M C Ej.: peso molecular medio del aire MN2 = 28 g/mol; xN2(moles)= 0,79 MO2 = 32 g/mol; xO2(moles) = 0,21

Balances de materia Balance de materia: es una expresin matemtica de la Ley de conservacin de la materia

Masa total de entrada = Masa total de salida

Balances de materia Recinto de controlPorcin del espacio que delimitamos mediante una envoltura y a la cual aplicamos el balance de materia

Proceso Entrada salida

recinto de control

Balances de materia

Balances de materia

Balances de materia

Balances de materiaBalance macrocspico

Proceso Entrada

me

.

salida

ms

.

recinto de control

Balances de materiaBalance macrocspico

Proceso Entrada

me

.

salida

ms

.

recinto de control

me

.

=

ms

.

Balances de materiaCausas que hacen que el flujo de entrada y salida no sea igual: Los medidores de flujo no funcionan bien Hay una fuga Se consume parte en el interior de la unidad Se acumula en el interior de la unidad

Balances de materiaSi descartamos las dos primeras, el balance de materia a una sustancia que entra a este recinto sera:

Proceso Entrada salida

A B Crecinto de control

A B C

Entra = Sale + Consume + Acumula - Produce

Balances de materiaSi consideramos la variable tiempoVelocidad de entrada de A

=

Velocidad de salida de A

+

Velocidad de consumo de A

+

Velocidad de acumulacin de A

-

Velocidad de formacin de A

Este balance se puede plantear A cualquier sustancia que entre o salga Al proceso global o a una unidad del proceso A la masa total de esa sustancia

Balances de materia Acumulacin: la magnitud considerada se va acumulando en el sistema, y vara con el tiempo.d(masa A ) acumulacin = dt

Consumo: tiene lugar cuando en el proceso (unidad) considerada se produce una reaccin, el reactivo va desapareciendo. Formacin: caso anterior, formacin de producto en una reaccin.

Balances de materia Proceso continuo estacionario SIN REACCIN QUMICA Consumo = 0 Formacin = 0 No acumulacinFtorre de rectificacin

A

B

Velocidad de entrada de A

=

Velocidad de salida de A

Balances de materia Ej.: torre de separacin que opera en continuoA

F

torre de rectificacin

B

Alimentacin: 1000kg/h de benceno y tolueno al 50%. Por cabezas se obtienen 450 kg/h de benceno, y por colas 475 kg/h de tolueno.

Balances de materiaEstrategias a seguir en el clculo de balances de materia Hacer el diagrama de bloques del proceso Identificar todas las corrientes Identificar todos los datos que da el problema Definir una base de clculo La del problema, si la especifica Si no especifica, fijar una base de clculo Anotar el nmero de incgnitas y el nmero de ecuaciones Pasar los flujos volumtricos a flujos msicos Poner todos los datos en las mismas unidades

Balances de materiaEstrategias a seguir en el clculo de balances de materia Procesos con varias unidades Igual resolucin que lo visto hasta ahora, pero con la diferencia: Se pueden plantear los balances: Al proceso global A cada unidad A cada punto de unin de corrientes A varias unidades

Balances de materia Balances de materia con recirculacin

evaporador

cristalizador

filtro

Corriente de recirculacin

Balances de materiaBalances de materia con recirculacin Por qu se introduce una corriente de recirculacin Devolver al reactor un reactivo que no ha reaccionado Recuperar catalizadores Diluir un flujo de un proceso Controlar una variable del proceso (ej.: en una reaccin exotrmica, gran cantidad de calor, difcil de controlar,

diluir los reactivos con la corriente de salida del reactor

Balances de materia con reaccinREACCIN QUMICA Balance de materia proceso continuo estacionarioA Consideraciones Trmino de generacin de producto Trmino de consumo de reactivo Estequiometra de la reaccin Restricciones sobre las cantidades relativas de producto y reactivos

B

Balances de materia con reaccinREACCIN QUMICABalance de materia proceso continuo estacionario Balance al reactivo AVelocidad de entrada de A

=

Velocidad de salida de A

+

Velocidad de consumo de A

Balance al producto BVelocidad de entrada de B

+

Velocidad de formacin de B

=

Velocidad de salida de B

Balances de materia con reaccinReactivo limitante (Reacciones Irreversibles) Dos reactivos estn en proporciones estequiomtricas cuando la relacin entre la cantidad de uno y otro es igual a la relacin entre sus coeficientes estequiomtricos.

2 SO2 + O2 2 SO3 50 moles SO2 y 25 moles O250 moles SO 2 2 moles SO 2 = 25 moles O 2 mol O 2 50 moles SO 2 2 40 moles O 2 1

Sin embargo si existen 50 moles SO2 y 40 moles O2

hasta que se consuma el SO2, y quedar O2 sin reaccionar

20 moles SO2 y 8 moles O2

Balances de materia con reaccinReactivo limitante: Es el reactivo que desaparece primero cuando se realiza una reaccin completa. Los otros reactivos se dice que estn en exceso Un reactivo es limitante si est presente en menor cantidad que su proporcin estequiomtrica con respecto a cualquier otro reactivo.

Balances de materia con reaccinFraccin de reactivo en exceso n: moles presente nd: moles segn la proporcin estequiomtrican nd Fr. exceso = nd% Exceso = Frac. exceso100

Balances de materia con reaccin Conversin fraccionariaConversin de un reactivo es la relacin entre los moles consumidos y los moles suministradosmoles consumidos X= moles suministrados

Fraccin de reactivo que no ha reaccionado: 1- X

Balances de materia con reaccinReaccin reversibleC2H4 + H2O C2H5OH

Equilibrio qumico Velocidad de reaccin directa = velocidad de reaccin inversa

[C2 H 5O] K equilbrio (T ) = [C2 H 4 ][H 2O]Posibles problemas, conocidos: Constante de equilibrio, y las concentraciones de partida de los reactivos determinar los moles reaccionados Constante de equilibrio, y conversin de equilibrio determinar las concentraciones de partida de reactivos

Balances de materia con reaccinBalances con reaccin qumica: varias posibilidades de resolucin Balance a cada reactivo (en moles)Entran (moles A) = consumen(moles A) + salen (moles A)

Balance a cada producto (en moles)Entran (moles B) + producen (moles B) = salen (moles B)

Balance total en kgentran (kg totales) = salen (kg totales)

Balances de materia con reaccinRecirculacin y purga en sistemas con reaccin

reactor

separador

X=

moles consumidos moles suministrados

conversin global =

entrada reactivos proceso salida de reactivos