Balance de Materia y Energía en Operaciones Unitarias: Apuntes de Ingeniería Química, Esquemas de Produção e Gestão de Operação

Baixe Balance de Materia y Energía en Operaciones Unitarias: Apuntes de Ingeniería Química e outras Esquemas em PDF para Produção e Gestão de Operação, somente na Docsity!

Operacione

s y

Procesos

Unitarios

Unidad 1: Balance de materia y

energía en operaciones unitarias.

Balance de materia Profesor: Mg. Ing. Juan Luna Armestar

Variables de Proceso

• Saberes previos
• (^) Diagramas de Flujo de Procesos
• (^) Variables de Proceso
• Ejercicios de Aplicación. Agenda de la sesión

Definiciones Sistema: La totalidad de un proceso o una parte de esta elegida arbitrariamente. Frontera: (^) Superficie tridimensional cerrada que delimita el sistema y lo separa de su entorno. Puede coincidir con superficies físicas reales, como la interfaz entre dos fases, la superficie interna o externa de un recipiente o cualquier otra barrera que separe al sistema de su entorno. Definir claramente la frontera del sistema es crucial para realizar un balance de materia ya que permite identificar qué componentes entran y salen del sistema. Esti es esencial para aplicar la ecuación de balance de materia en su forma general. Sistema Abierto (Contínuo) Es aquel en el que se transfiere material por la frontera del sistema. Puede ser entrada, salida o ambas a la vez. Sistema Cerrado (Por lotes) Es aquel en el que no tiene lugar una transferencia como la anterior, durante un intervalo de tiempo de interés.

Balance de materia: Herramienta de ingeniería utilizada para contabilizar las cantidades de materia que entran, salen, se generan, se consumen y se acumulan en un sistema. Su forma general es: Donde E = Cantidad de material que ingresa al sistema G = Cantidad de material generada dentro del sistema. S = Cantidad d de material que sale del sistema. C = Cantidad de materia consumida dentro del sistema A = Cantidad de materia que se acumula en el sistema Esta ecuación es aplicable para masa total, número de moles total, la masa de un compuesto químico, la masa de una especie atómica, las moles de un compuesto químico, las moles de una especie atómica Estado Estacionario: Condición en la que la cantidad de masa en el sistema no cambian con el tiempo, es decir, la cantidad de materia que entra al sistema es igual a la cantidad de materia que sale sumada a la que se genera y restando la que se consume. No hay acumulación dentro del sistema. Esto lleva a que la ecuación general tome la forma:

La obtención de una solución única para un sistema de ecuaciones lineales que surge en un balance de masa es la condición esperada. Para ello se requiere que el número de variables cuyo valor se desconoce sea igual al número de ecuaciones independientes. La masa de un componente i de una solución se define mediante la expresión: donde es la fracción masa del componente i en F y F es el flujo másico total. En cualquier mezcla de N componentes, existen N variables de la corriente, ya sean N valores de la masa de cada componente o N-1 valores de más la velocidad de flujo de la corriente F. El mismo razonamiento se puede aplicar a la concentración molar. Número de Grados de Libertad.: Es la diferencia entre el número de variables cuyos valores no se conocen y el número de ecuaciones independientes. Si el número de grados de libertad es positivo se requiere de ecuaciones independientes adicionales o especificaciones de variables para obtener una solución única al problema de balance de materia. Si el número de grados de libertad es negativo hay demasiadas ecuaciones o un número insuficiente de variables en el problema. Si en número de grados de libertad es cero, el problema de balance de materia está especificado adecuadamente y tendrá solución única.

BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA

En el procesamiento del pescado para la obtención de la harina de pescado, una vez que se extrae el aceite, la torta de pescado se seca en equipos de tambor rotatorio, se muele finamente y se empaca. El producto resultante contiene 65% de proteína. En un lote dado de torta de pescado que tiene 80% de agua (el resto es torta seca), se eliminan 100 kg de agua, y se determina entonces que la torta de pescado tiene un 40% de agua. Calcule el peso de la torta de pescado que se introdujo originalmente al secador. Ejemplo Secador F = Torta húmeda TBS 20% H 2 O 80% Frontera del sistema 𝑊 = 1 00 𝑘𝑔 B = Torta seca TBS 60% H 2 O 40% Solución: Base de cálculo: 100 kg de agua evaporada. Grados de libertad : 2 variables desconocidas (F y B) y 2 ecuaciones independientes (BMT y BMTBS) Luego, GL = 2 – 2 = 0, entonces solución única.

BMT: 𝐹^ = 𝐵 + 𝑊^ = 𝐵 +^100

BMTBS: 0.2^ 𝐹^ =0,60^ 𝐵

El peso de la torta introducida es de 150 kg

BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA

Actividad Trabajando en clase

Ejercicio 1

• En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en peso de sólidos solubles se mezcla con azúcar (1,22 kg de azúcar/1,00 kg de fruta) y pectina (0, kg de pectina/1,00 kg de fruta). La mezcla resultante se evapora en una olla para producir jalea con 67% en peso de sólidos solubles. Calcule para una alimentación de 1000 kg de fruta macerada, los kilogramos de mezcla obtenida, los kilogramos de agua evaporada y los kilogramos de jalea producida.

Ejercicio 3 El análisis de un combustible reporta 74,0% en peso de C y 12,0% en peso de cenizas (inertes). Se añade aire para la combustión, obteniéndose un gas de salida con 12,4% de CO 2 , 1,2% de CO, 5,7% de O 2 y 80,7% de N 2. Calcule los kg de combustible usados por cada 100 kg mol de gas de combustión de salida y los kg mol de aire empleado. (Sugerencia; calcule primero los moles de O 2 añadidos con el aire, usando el hecho de que el N 2 en este gas es igual al N 2 introducido en el aire, después proceda a un balance de carbono para obtener un total de moles de C añadido).

Conclusiones ¿Qué aprendimos hoy? Repasemos