Balance Materia.pptx

operaciones industriales

1. Operaciones Unitarias y Procesos Industriales Unidad 1: Balance de Masa en procesos sin reacción química

2. Log r o Al terminar la sesión, el alumno reconoce y explica el análisis y balance de materia a varios sistemas que incluyen volúmenes de control de flujo estacionario y no estacionario, en procesos sin reacción química. Importancia La materia y Energía se encuentran en constante estado de flujo en la naturaleza, y lo que la humanidad ha hecho es aprovechar esta tendencia para obtener bienestar, alimentos, fuentes energéticas y otras cosas. Los balances de materia son la herramienta con la que se analiza la estabilidad de un proceso y determinar como se distribuyen los componentes en los sistemas o entre los sistemas en contacto directo

3. Contenido general Introducción al balance de materia. Balance de masa en sistemas sin reacción química. Balance de masa en sistemas con reacción química. Análisis de proceso de flujo estacionario y no estacionario.

4. Introducción al balance de materia Introducción Procesos Industriales Operaciones unitarias Procesos Unitarios Clasificación de procesos

5. en Introducción Este módulo está orientado a exponer las bases de los balances de materia y su utilidad para el análisis de los procesos naturales e industriales que suelen presentarse en los estudios de las plantas industriales. No se trata de cubrir las técnicas de resolución de problemas que suelen abordarse en un curso formal de este tema, sino de identificar los aspectos clave en los que se basan dichos balances.

6. en Procesos Industriales Un proceso es comprendido como todo desarrollo sistemático que conlleva una serie de pasos o actividades ordenados u organizados, que se efectúan o suceden de forma alternativa o simultánea, los cuales se encuentran estrechamente relacionados entre sí y cuyo propósito es llegar a un resultado p reciso .

7. en OPERACIONES UNITARIAS Son las operaciones en donde los cambios son físicos, ósea afectan a la materia sin modificar sus propiedades químicas; ejemplo: transmisión de calor, flujo de fluidos, destilación, filtración, extracción, secado, etc. PROCESOS UNITARIOS Son las operaciones donde los cambios implican transformaciones químicas de la materia, que ocurren en el reactor o reacciones químicas; ejemplo: combustión, oxidación, nitración, polimerización, reducción, esterificación, etc. División de los Procesos Industriales Ing. Roger De La Rosa Vicente

8. en Clasificación de las Operaciones Unitarias Con base en transferencia de masa Destilación: Separación de los componentes de una Ing. Roger De La Rosa Vicente Con base en transferencia de calor Con base en transferencia de cantidad de movimiento mezcla liquida por vaporización de la misma. Filtración: Separación de las partículas sólidas en suspensión en un fluido, atreves de un medio filtrante. Trituración: Se usa pare reducir sólidos duros a tamaños menos grandes y más manejables. Cristalización : Proceso físico por el cual un cuerpo adquiere la estructura cristalina. Disolución: Mezcla de dos o mas componentes cuyas propiedades varían al ser modificadas sus proporciones. Extracción: Operación química básica de separación de sustancias disueltas en liquidas. Dilución: Se basa en la adición de una sustancia soluble en el fluido. Decantación: Es la separación por inclinación de un liquido de un sólido. Evaporización: Paso de una sustancia del estado liquido al de vapor, a una temperatura inferior a la de ebullición. Secado: Operación de separar un liquido que acompaña a un sólido. Flujo de fluidos: Traslado de fluidos de un lado a otro Centrifugación: separación de líquidos mezclados o de sólidas en suspensión en liquido usa fuerza centrifuga. Agitación: consiste en crear movimientos turbulentos en un fluido mediante dispositivos mecánicos (agitadores). Precipitación: Aparición de sólidos de una disolución se produce si la concentración de soluto supera lo máximo.

9. en Clasificación de los Procesos Unitarios Primarios Secundarios Oxidación: Proceso una especie química pierde electrones contra la ganancia por otra sustancia. Combustión : Reacción química entre una sustancia comburente y otra combustible. Fermentación : Reacciones de una sustancia orgánica se transforma en otra por microorganismos. Hidrogenación: Reacción entre el hidrogeno molecular y un compuesto orgánico uso de catalizadores. Alogenación: Consiste en insertar un átomo de halógeno en una cadena de compuesto orgánico. Polimerización : Proceso formación productos de alto peso molecuar a partir de materias de bajo peso molar. Reducción : Proceso caracterizado por la aceptación de electrones de una molécula, átomo o ion. Saponificación : Proceso por el cual los esteres se desdoblan en ácidos y alcohol por acción del agua. Sulfhidración : Proceso de adicionar un reactivo que contenga sulfuro de hidrogeno. Caustificación : Proceso que implica al carbonato sódico con cal y la producción electrolítica de soda cáustica. Sulfonización : Introducción del radical sulfúrico en un compuesto orgánico. Electrolisis : Descomponer sustancias que se están disueltas o fundidas al paso de la corriente eléctrica. Nitración: Introducción del radical nitro (NO ) en un compuesto orgánico. Alquiolación: Ingreso de cadena alifática en compuesto cíclico Ing. Roger De La R p o o sa r s Vi u c s en ti t t e ución de hidrogeno por radical alquino.

10. Clasificación de los Procesos Ing. Roger De La Rosa Vicente lo s flujo s de la s cor r ientes que inte r viene n en e l p r oceso ca m bio s de la s va r iables d e p r oceso, co n r elación a l tie m po

11. Balance de Masa en sistemas sin reacción química Introducción al balance de materia. Balance de Materia sin reacción química.

12. Introducción al Balance de Materia Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y ene r g í a ent r e u n d e t er m i n a d o p r oceso in d e u s n tr i al y los al r ed e do r es o entre las distintas operaciones que lo integran.

13. en Principios a recordar

14. C a lcu l e : - C o mp o sición e n fracci ó n mo l a r . Composición en porcentaje en peso. Volumen que ocupan 100 kilogramos de gas a 21 °C y 0,97 atmósferas de presión. Densidad del gas a 21 °C y 0,97 atmósferas, en gramos/litro. E j em pl o práctico El gas natural de un pozo tiene la siguiente composición molar: 60% de metano (CH4), 16% de etano (C2H6), 10 % de propano (C3H8) y 14% de butano (C4H10).

15. S o l u ci ó n : En 100 moles de gas hay: 60 moles de metano 16 moles de etano 10 moles de propano 14 moles de butano 100 moles totales Ing. Roger De La Rosa Vicente a) Fracciones molares: Y metano = = 0.60 Y etano = 0.16 Y propano = = 0.10 Y butano = 0.14 60 moles metano 10 moles totales = 16 moles etano 100 moles totales 10 moles propano 100 moles totales = 14 moles butano 100 moles totales b) Composición en peso: Pesos moleculares: P.M. Metano (CH4) = P.A.(C) + 4 P.A.(H) = 12 + 4 = 16 g/mol P.M. etano (C2H6) = 2 P.A.(C) + 6 P.A.(H) = 2x12 +6 = 30 g/mol P .M. p r o p a n o ( C3H 8 ) = 3 P . A . ( C ) + 8 P . A . ( H) = 3x12 +8 = 44 g/mol P.M. butano (C4H10) = 4 P.A.(C) + 10 P.A.(H) = 4x12 +10 = 58 g/mol Multiplicando por los pesos moleculares se obtiene las cantidades en masa: Metano  60 moles x 16 g/mol = Etano  16 moles x 30 g/mol Propano  10 moles x 44 g/mol Butano  14 moles x 58 g/mol = 960 gramos de metano = 480 gramos de etano = 440 gramos de propano 812 gramos de butano Masa total = 2,692 gramos Porcentaje en peso de cada componente = masa componente masa total x 100% Metano  960 g / 2692 g x 100% = 35.66% de metano Etano  480 g / 2692 g x 100% = 17.83% de etano Propano  440 g / 2692 g x 100% = 16.34% de propano Butano  812 g / 2692 g x 100% Suma total = = 30.16% de butano 100.00%

16. en c. Para calcular el volumen se necesita una ecuación de estado. Como la presión es cercana a la presión atmosférica, y la temperatura es baja, usaremos la ecuación de gas ideal: P V = n R T P = 0,97 atmósferas R = 0,082 litros atmósfera/mol K T = 21 + 273,15 = 294,15 K P = presión R = constante universal de los gases T = temperatura absoluta V = volumen n = número de moles n = 100 kg/P.M. medio = 100.000 g/P.M. medio Peso molecular medio = 16x0.6 + 30x0.16 + 44x0.1 + 58x0.14 = 26.92 g/mol Número de moles  n = 100,000 g = 3,714.7 moles 26.92 g/mol = 3,714.7 moles x 0.082 lt.atm/mol.K x 294.15 K 0.97 atm Volumen  V = nRT P V = 92,370.8 litros d. Densidad del gas (  )   = masa/volumen  = 100,000 g / 92,370.8 lts = 1.08 g/lt

17. 1. Una solución tiene la siguiente composición molar: 32% de pentano (C5H12), 43% de hexano (C6H14) y 25% de heptano (C7H16). Calcule le porcentaje en peso de cada componente. (Rpta.: pentano = 27.1%; hexano = 43.5%; heptano = 29.4%) 2. S i 15 k g d e dim e t il c e t o n a ( P . M . = 58,08, r = 0,7 9 2 g / c m 3 ) se mezclan con 30 kg de agua (r = 0,98 g/cm 3 ) a 20 ° C. Calcule la composición de la mezcla, expresada en: Fracción molar Porcentaje en volumen Molaridad Molalidad (Rpta.: 0,134 dimetilcetona) (Rpta.: 38,2 % dimetilcetona) (Rpta.: 5,21 mol/litro) (Rpta.: 8,61 mol soluto/kg solvente) Ejercicios propuest o Ing. Roger De La Rosa Vicente

18. Balance de Materia sin reacción química Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía por separado. Sin embargo, en las condiciones que se dan en los procesos industriales al no abordarse el caso de los reactores nucleares, no existe transformación de materia en energía o viceversa, con lo que la forma general del balance de materia total a un sistema, será: en

19. en Tipos de Flujos en los Procesos Según su Contenido Transporte S epa r aci ó n Mezclado Según su configuración De Recirculación Flujo con Purga Flujo en derivación Según su arreglo Contracorriente Paralelo o Corriente Flujos Cruzados

20. Configuraciones de flujo Flujos de recirculación e F l u n j os c on purga Flujos en derivación o “by pass”

21. en Según su arreglo Flujo en c o n t r a c orri e n t e B . G .  E1 + E2 = S1 +S2 Flujos cruzados B.G.  E1 + E2 + E3 = S1 + S3 + S4 Flujo en paralelo o en corriente B . G .  E1 + E2 = S1 +S2

22. en Tipos de Balance indica lo que ocurre en un sistema en un momento determinado. Por lo general este tipo de balance se aplica a los sistemas continuos . Si el sistema esta en régimen estacionario , un balance diferencial dará en cualquier instante el mismo resultado. Si el sistema es transitorio , este balance generará un conjunto de ecuaciones diferenciales respecto del tiempo que habrá que resolver. balance diferencial indica lo que le ocurre a un sistema durante dos instantes determinados. Solo informa sobre el comportamiento del sistema durante el intervalo comprendido entre esos dos momentos. Generalmente, los balances integrales se aplican a procesos intermitentes (por lotes) , los cuales tienen condiciones de inicio y finalización bien definidas. balance integral

23. U ni vers id ad T ec nológi c a del Perú Balance por componentes En el proceso de la figura, la materia prima F1 se convierte en los productos F2 y F6. Además, una parte de F6 se recicla y vuelve a entrar en la transformación acompañando a F1, formando F5, y la otra sale del proceso como F2.

24. GR A CIAS H A S T A L A P R Ó X IM A C L A S E

25. Operaciones Unitarias y Procesos Industriales Unidad 1: Balance de Masa S01: Balance de Masa en procesos sin reacción química Unidad 1 Semana 1

26. Imagen Grados de Libertad Un sistema que tiene N componentes permite plantear N ecuaciones independientes. Además, si el proceso está formado por S etapas, es posible escribir S sistemas de ecuaciones independientes. Así, el total de relaciones de balance de materia que podrían plantearse, serán como máximo N – S. GL = N ° variables (flujos, composiciones, temperaturas) - N ° datos (flujos, composiciones, temperaturas) - N ° ecuaciones de balance de materia y energía - N ° datos y/o ecuaciones adicionales GL >  problema indeterminado (se debe buscar más datos o relaciones adicionales, o darse una base de cálculo hipotética) GL <  se escoge las ecuaciones a usar y se descarta las restantes, porque probablemente serán inconsistentes. GL =  el sistema tiene solución y el problema está especificado correctamente. En general los sistemas se resuelven simultáneamente; de no ser así, se resuelven secuencialmente, partiendo por el sistema con el menor número de incógnitas .

27. Balances de masa sin reacción química En esta parte se aborda la resolución de problemas de balance de materias en procesos en estado estacionario no reactivos. Es decir, Ing. Roger De La Rosa Vicente no se consideran p ro c e s os don d e o c u r r a n r ea cci ones q u í m icas de ninguna índole. La ecuación de balance de materia que se aplica para este caso es: Entrada = salida

28. Balance de materia en procesos de una sola unidad En estos procesos de unidades únicas es sencillo plantear el problema. Como hay una sola unidad, el número de ecuaciones es igual al número d e c o m p o n e nt e s ( u n a p o r c a d a c o m p o n e nt e ) , m a s un a e c u a c i ó n de balance global (por unidad).

29. Una corriente de nitrógeno gaseoso N 2 de 280 kg/h se mezcla c o n u n a c o r r ie nte d e h idro g en o g a s e o s os H 2 , e n u n a mezcladora. A la salida de este se obtiene una corriente de 40 Kg mol d e n itró g en o e h idro g en o po r ho r a. Determinar las moles de hidrogeno que deben suministrarse por hora y el fraccionamiento de la corriente de mezcla. Ejemplo práctico Ing. Roger De La Rosa Vicente

30. B. Global : A + B = C  B = C – A B = 40 – 10 = 30 kg mol/hr B. Componentes : N 2  A . Y AN 2 = C . Y CN 2  10 x 1 = 40 x Y CN 2  Y CN 2 = 10 / 40 = 0.25 = 25% H 2  Y C H 2 = 1 - Y C N 2  Y CH 2 = 1 – 0.25 = 0.75 = 75% Solución: = 10 kg mol ¿? # moles N 2 en A = 280 kg . 1 kg mol N 2 28 kg N 2 M e z c l a dor A  N 2  280 kg/h = 10 kg mol/h Y A,N 2 = 100% B  H 2  ¿? 30 kg mol/h Y B,H 2 = 100% C  H 2 N 2  40 kg mol/h Y C,N 2 = ¿? Y C,H 2 = ¿? = 1 - Y C,N 2

31. Ejemplo práctico Una mezcla líquida, de composición molar 20% N 2 , 30% CO 2 y 50% O 2 , se separa en una columna de destilación, dando un flujo de cabeza (N 2 y CO 2 ) y un flujo de cola (2,5% N 2 , 35% CO 2 , y O 2 ). Este flujo alimenta una segunda columna destiladora, dando un producto de cabeza con 8% N 2 , 72% CO 2 y 20% O 2 , y un producto de cola (CO 2 y O 2 ). Para una alimentación de 1000 mol/hora a la primera columna, calcule los flujos y composiciones restantes.

32. I m a g en Calculo del grado de libertad

33. I m a g en

34. ¿Cuántos kg de agua se deben derivar al saturador por cada 10 k g d e ag u a qu e e n t r an al p r oceso? Ejercicio p r opu e s t o Se bombea agua a alta presión a un proceso. Se desea añadir sal hasta que su concentración sea 4% en masa. Por la dificultad de introducir un solido a un liquido en alta presión, se bobea el agua por un saturador donde esta la sal. Pero de allí se debe mezclar luego con agua pura para ajustar la concentración al valor deseado. Si sale del saturador a 17%. Ing. Roger De La Rosa Vicente

35. Corriente N ° 2: 90% en peso de HNO 3 , 10% H 2 O. Corriente N ° 3: 95% H 2 SO 4 y 5% H 2 O. Calcul a r la c a n ti d ad d e c a d a un a d e las c orri e n t e s necesarias para obtener 58,900 kg/h de la mezcla acida. Ejercicio p r opu e s t o Una solución compuesta por una mezcla de ácidos contiene 65% en peso de H 2 SO 4 , 20% en peso de HNO 3 y el resto de agua, se produce a partir de mezclar tres corrientes: Corriente N ° 1: 10% en peso de HNO 3 , 60% H 2 SO 4 y 30% H 2 O.

36. GR A CIAS HASTA L A P R Ó X I M A C L ASE