REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULARPARA LA EDUCACIN UNIVERSITARIAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALRAFAEL MARA BARALTNCLEO SAN FRANCISCO

UNIDAD II BALANCE DE MASA SIN REACCIN QUMICA

REALIZADO POR:Zenaida Lpez

San Francisco, mayo 2015

BALANCE DE MASAEl balance de masa es una expresin de la conservacin de la materia, tambin se lo conoce como balance de materia. La transferencia de masa se produce en mezclas que contienen diferentes concentraciones locales. Por ejemplo, cuando se echa una gota de tinta en un cubo de agua, el proceso de transferencia de materia es el responsable del movimiento de las molculas de tinta a travs del agua hasta alcanzar el equilibrio y conseguir una concentracin uniforme. La materia se mueve de un lado a otro bajo la influencia de una diferencia o gradiente de concentracin existente en el sistema. Esta expresin establece que la suma de las cantidades o concentraciones de todas las especies que contienen un tomo particular (o grupo de tomos) debe ser igual a la cantidad de ese tomo (o grupo de tomos) introducidos en el sistema. El balance de masa es una expresin que se refiere realmente a la conservacin de los tomos, no de la materia propiamente dicha.Las principales aplicaciones de los balances son: Estudios de operaciones bsicas Proyectar plantas industriales Comprobacin y funcionamiento de los procesos (existencia de posibles fugas)

Tipos de Alimentacin En Los Procesos

Proceso por lotes y ejemplosSe encarga de la alimentacin a un sistema al inicio del proceso, eliminndose posteriormente los productos de una sola vez.Ejemplo: el proceso de formulacin de un jugo, donde se agregan los ingredientes como son la pulpa, azcar cido ctrico y se mezcla por un tiempo para tener como producto un jugo formulado.

Proceso continuoLas entradas y salidas fluyen continuamente a lo largo del proceso, es decir, la cantidad de materia por unidad de tiempo es constante tanto en la entrada como en la salida, como en cualquier punto del proceso. Por ejemplo, el proceso de llenado, enfriado y empacado de un jugo.Definicin del rgimen permanente y rgimen intermitente o transitorioSi los valores de todas las variables de proceso (temperatura, presin, volumen, flujo msico, etc.) en un punto dado del proceso no sufren modificaciones a lo largo del tiempo, a excepcin de pequeas fluctuaciones alrededor de los valores medios constantes, se dice que el proceso est operando en rgimen permanente. Sea algunas de las variables cambia su valor con el tiempo, se dice que existe una operacin o proceso a rgimen transitorio, sta se produce en las puestas en marcha y en cambios intencionales de las condiciones del proceso.

Objetivos del Balance de Masa

1. Definir un sistema y establecer las fronteras del mismo para las cuales se har el balance de materia.2. Explicar la diferencia entre un sistema abierto y un sistema cerrado.3. Escribir el balance general de materiales en palabras, incluyendo los trminos. Ser capaz de aplicar el balance a problemas sencillos.4. Citar ejemplos de procesos en los que no hay acumulacin, en los que no hay generacin ni consumo ni flujo de masa de entrada y salida.5. Explicar las circunstancias en que la masa de un compuesto que entra en el sistema es igual a la masa del compuesto que sale del sistema, y lo mismo en el caso de los moles.Los problemas del balance de materiales consisten de los mismos elementos bsicos, aunque la resolucin puede darse por mtodos que difieren en su aplicacin. El balance de materiales puede aplicarse a un proceso, como un balance general de la masa que entra y la masa que sale; o bien, puede aplicarse a las partes intermedias de un procedimiento continuo. En general, para cualquiera de estos sistemas, se requieren datos relativos a la entrada y a la salida de masa. Algunos datos son la masa en todas las corrientes del material que entra y sale del sistema, as como del que se encuentra presente en ste, tambin se debe tener informacin respecto a la composicin de todas las corrientes que entran y salen del sistema y sobre la composicin del material dentro de l

LEY DE LA CONSERVACIN DE LA MASA

El balance de materia de una reaccin qumica se basa en la ley de la conservacin de la materia o la ecuacin de la continuidad, la cual fue enunciada por Antoinne Lavoisssier. "La suma de las masas de las sustancias reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos. La materia no se crea ni se destruye, slo puede ser transformada. Un balance de materia para el componente en el sistema tendr los siguientes trminos:Es decir, lo que entra alsistema del componente i, unido a la masa de i que aparece por reacciones qumicas en el interior del sistema, debe salir o de lo contrario se est acumulando en su interior. Los trminos de la ecuacin anterior tienen dimensiones de masa, como gramos, kilogramos, gramos mol, si el proceso es continuo o permanente. Si es as, el valor de la masa estar variando con la unidad de tiempo, independientemente de cul sea la unidad.

En los sistemas continuos o permanentes la acumulacin es igual a cero. En los sistemas sin reaccin qumica, la produccin es igual a cero. Para los sistemas llamados cerrados, las entradas y salida son igual cero.Esta ecuacin general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que salga de cualquier proceso, para cualquier especie atmica (balance parcial de para las masas totales de los flujos de entrada y salida (balance total de masa).

ECUACIN DE BALANCE GLOBAL Y DE COMPONENTEElbalance de materiaes unmtodo matemticoutilizado principalmente enIngeniera Qumica. Se basa en laley de conservacin de la materia(la materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma), que establece que lamasade un sistema cerrado permanece siempre constante (excluyendo, lasreacciones nuclearesoatmicasen las que la materia se transforma en energa segn la ecuacin deEinsteinE=mc2, y la materia cuyavelocidadse aproxima a lavelocidad de la luz). La masa que entra en un sistema debe salir del sistema o acumularse dentro de l, as:

Los balances de materia se desarrollan comnmente para la masa total que cruza los lmites de un sistema. Tambin pueden enfocarse a unelementoocompuesto qumico. Cuando se escriben balances de materia para compuestos especficos en lugar de para la masa total del sistema, se introduce un trmino de produccin (que equivale a lo que se genera en la reaccin qumica menos lo que desaparece):

El trmino de produccin puede utilizarse para describir velocidades de reaccin. Los trminos de produccin y acumulacin pueden ser tanto positivos como negativos.Los balances de materia pueden ser integrales o diferenciales. El balance integral se enfoca en el comportamiento global del sistema, mientras que el diferencial lo hace en los mecanismos dentro del sistema (los cuales, a su vez, afectan al comportamiento global). En los casos ms simples, el interior del sistema se considera homogneo (perfectamente mezclado). Para poder hacer un balance integral de materia, primero se deben identificar los lmites del sistema, es decir, cmo el sistema est conectado al resto del mundo y cmo el resto del mundo afecta al sistema. El B alance de masa global o total: se realiza en todo el sistema, considerando las masas totales de cada una de las corrientes de materiales.

CONCEPTOS BSICOSDIAGRAMA DE FLUJOSon un documento clave en el diseo de un proceso. Muestran el arreglo o disposicin del equipo seleccionado para llevarlo a cabo y adems indican la conexin de las corrientes, tasas de flujo, composiciones y condiciones de operacin.El diagrama de flujo constituye un modelo esquemtico del proceso y tiene como funcin servir de base para el diseo de equipo, tubera, instrumentacin y distribucin de planta. Tambin se utilizar en la preparacin de manuales de operacin y entrenamiento de operadores. Durante el arranque y posterior operacin de la planta, provee una base para comparar la eficiencia de operacin de la misma con el diseo que se hizo.El diagrama de flujo se elabora a partir de balances de materia alrededor de cada unidad y del proceso completo. Tambin deben hacerse balances de energa para determinar flujos de ella, as como requerimientos de servicios.Como el diagrama de flujo es el documento definitivo sobre el proceso su presentacin debe ser clara, exacta y completa.

BY PASSUn bypass o derivacin se produce cuando una parte de la alimentacin de un proceso se desva, rodendolo, para juntarse con el producto del mismo proceso.La corriente de bypass es una corriente interna, debido a que no estara incluida en un balance global tomado entre A y F. Para obtener informacin acerca de una corriente interna es necesario tomar balances locales a la pieza del aparato a travs de la cual circulan corrientes internas. Generalmente tambin es necesario tomar un balance en un punto, donde se mezclan corrientes de diferentes composiciones.Silverman invent un proceso para la separacin de estroncio-90 radiactivo contenido en la leche, poniendo est en contacto con un lecho de CaHPO3. El proceso elimina eficazmente todo el estroncio-90; sin embargo, separa tambin el 97% de los iones de calcio. Esto representa un serio problema, ya que, de acuerdo con las especificaciones sanitarias, la leche ha de contener por lo menos 0,05 mg/ de calcio.Leche contenido 4,85 X 10 -14 g/l de estroncio-90 y 1 mg/litro de calcio se pone en contacto con CaHPO3 para separar todo el estroncio que sea posible dentro dela exigencia sanitaria para el contenido de calcio.

Ejemplo El jugo de naranja fresco contiene 12,0% en masa de slidos y el resto es agua, y el jugo de naranja concentrado contiene 42,0% en masa de slidos. Al principio se usaba un solo proceso de evaporacin para concentrarlo, pero los constituyentes voltiles del jugo escapaban con el agua, y el concentrado perda sabor. El proceso actual resuelve este problema derivando (bypass) una fraccin del jugo fresco. El jugo que entra al evaporador se concentra hasta 58 % de slido y se mezcla con la corriente derivada de jugo fresco hasta lograr la concentracin deseada. Estime la cantidad de producto (concentrado al 42%) obtenido por cada 100kg/h de jugo fresco alimentado al proceso y la fraccin de alimentacin que se desva del evaporador.

Purga Es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulacin de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularan en el flujo de reciclaje. Tanto los puntos de mezcla como los puntos de separacin cumplen el principio de conservacin de la masa.

Elementos de CorrelacinEl elemento de correlacin es alguno de los materiales que pasa de una a otra de las corrientes sin cambiar en ningn aspecto, o sin permitir que se le sume o pierda material semejante a l. Siempre es conveniente tomar como base una cifra redonda (100, 10, 1) aunque se disponga de un dato ya fijo, una vez realizado los clculos se pueden transformar los resultados a la base primitiva. P4- Una columna de operacin continua se va a utilizar para separar entre cido actico, agua y benceno. El valor correspondiente a la composicin de benceno en la alimentacin se desconoce. Calcular el flujo de benceno en la alimentacin por hora. El esquema de proceso es el siguiente:

ETAPA DE EQUILIBRIOEs el estado en el que lasactividades qumicaso lasconcentracionesde los reactivos y los productos no tienen ningn cambio neto en el tiempo. Normalmente, este sera el estado que se produce cuando unareaccin reversibleevoluciona hacia adelante en la misma proporcin que su reaccin inversa. Lavelocidad de reaccinde las reacciones directa e inversa por lo general no son cero, pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentraciones de los reactivos o productos. Este proceso se denominaequilibrio dinmico.

BALANCE DE MASA ENUNA OPERACIN DISCONTINUA DE CONTACTO MLTIPLE CONTRACORRIENTE

En la siguiente figura se muestra el diagrama del flujo de proceso por etapas a contracorriente. El sistema de dos fases puede ser gas-lquido, vapor-lquido, lquido-lquido, entre otros.

Flujo total en mol/h Se debe resaltar que los componentes de una etapa determinada se encuentran en equilibrio entre s. Para un balance general de componentes de A, B o C.

PROCESOS UNITARIOS CON BALANCE DE MASA Y ENERGA

Destilacin Un industrial que fabrica por primera vez alcohol para gasohol ha tenido ciertos problemas con una columna de destilacin .La operacin se muestra en la figura. Los tcnicos creen que se pierde demasiado alcohol en las colas(desperdicio). Calcule la composicin de las colas y la masa de alcohol que se pierde en ellas.

Supondremos que el sistema est en estado estacionario, luego no hay reaccin por lo tanto:Entra = Sale en KgEtapas de desarrollo:Pasos 1,2,3,4. Todos los smbolos y datos conocidos se han colocado en la figura. El producto P = 100 Kg (1/10 de la alimentacin)Paso 5. Escogemos como base de clculo la alimentacin dadaBase de clculo: F = 1000 Kg de alimentacinPasos 6,7,8. Las incgnitas son la composicin en agua y alcohol de la cola de destilacin.Hay dos ecuaciones independientes de balance y dos incgnitas9. se resuelven las ecuaciones

F = P + BB = F PB = 1000 100 = 900 Kg

Como verificacin puede usar el balance total para calcular B el balance del alcohol para calcular su masa

Cristalizacin

Un tanque contiene 10,000 kg de una disolucin saturada de Na,CO, a 30C. Queremos cristalizar de esta disolucin 3000 kg de Na2CO3*10 H2O sin agua en exceso. A qu temperatura es preciso enfriar la disolucin?Rta: 26C

HumidificacinLa humidificacin es una operacin que consiste en aumentar la cantidad de vapor presente en una corriente gaseosa; el vapor puede aumentar pasando el gas a travs de un lquido que se evapora en el gas. Esta transferencia hacia el interior de la corriente gaseosa tiene lugar por difusin y en la interfase hay, simultneamente, transferencia de calor y de materia.A grandes rasgos, elprocesoque tiene lugar en la operacin de humidificacin es el siguiente: Una corriente de agua caliente se pone en contacto con una de aire seco (o con bajo contenido en humedad), normalmente aire atmosfrico. Parte del agua se evapora, enfrindose as la interfase. El seno del lquido cede entonces calor a la interfase, y por lo tanto se enfra. A su vez, el agua evaporada en la interfase se transfiere al aire, por lo que se humidifica.

CARTA DE HUMEDAD

Una carta psicromtrica, es una grfica de las propiedades del aire, tales como temperatura, hr, volumen, presin, etc. Las cartas psicromtricas se utilizan para determinar, cmo varan estas propiedades al cambiar la humedad en el aire. Las propiedades psicromtricas del aire que se describen en las ilustraciones de las tablas 13.1, 13.3 y 13.5, han sido recopiladas a travs de incontables experimentos de laboratorio y de clculos matemticos, y son la base para lo que conocemos como la Carta Psicromtrica. Aunque las tablas psicromtricas son ms precisas, el uso de la carta psicromtrica puede ahorrarnos mucho tiempo y clculos, en la mayora de los casos donde no se requiere una extremada precisin. Como se mencion al inicio de este prrafo, la carta psicromtrica es una grfica que es trazada con los valores de las tablas psicromtricas; por lo tanto, la carta psicromtrica puede basarse en datos obtenidos a la presin atmosfrica normal al nivel del mar, o puede estar basada en presiones menores que la atmosfrica, o sea, para sitios a mayores alturas sobre el nivel del mar. Existen muchos tipos de cartas psicromtricas, cada una con sus propias ventajas. Algunas se hacen para el rango de bajas temperaturas, algunas para el rango de media temperatura y otras para el rango de alta temperatura. A algunas de las cartas psicromtricas se les ampla su longitud y se recorta su altura; mientras que otras son ms altas que anchas y otras tienen forma de tringulo. Todas tienen bsicamente la misma funcin; y la carta a usar, deber seleccionarse para el rango de temperaturas y el tipo de aplicacin. En este texto, utilizaremos una carta psicromtrica basada en la presin atmosfrica normal, tambin llamada presin baromtrica, de 101.3 kPa 760 mmHg. Esta carta cubre un rango de temperaturas de bulbo seco (bs) de -10o C hasta 55oC, y un rango de temperaturas de bulbo hmedo (bh) desde -10o C hasta 35o C. Est hecha con datos basados a la presin atmosfrica normal de 101.325 kPa, y las unidades son las del Sistema Internacional, S.I. Las temperaturas estn en grados centgrados; el volumen en m/kg; la humedad relativa en porcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpa y la entropa estn en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Un kJ/kg = 0.239 kcal/kg = 0.430 btu/lb. En una carta psicromtrica se encuentran todas las propiedades del aire, de las cuales las de mayor importancia son las siguientes: 1. Temperatura de bulbo seco (bs). 2. Temperatura de bulbo hmedo (bh). 3. Temperatura de punto de roco (pr) 4. Humedad relativa (hr). 5. Humedad absoluta (ha). 6. Entalpa (h). 7. Volumen especfico. Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otras pueden determinarse a partir de la carta.

Temperatura de Bulbo Seco.- En primer trmino, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como ya sabemos, es la temperatura medida con un termmetro ordinario. Temperatura de Bulbo Hmedo.- Es la segunda propiedad del aire de nuestra carta psicromtrica. Corresponde a la temperatura medida con un termmetro de bulbo hmedo. Temperatura de Punto de Roco.- Es otra propiedad de aire incluida en una carta psicromtrica. Esta es la temperatura a la cual se condensar la humedad sobre una superficie. La escala para las temperaturas de punto de roco es idntica que la escala para las temperaturas de bulbo hmedo; es decir, es la misma escala para ambas propiedades. Sin embargo, las lneas de la temperatura de punto de roco, corren horizontalmente de izquierda a derecha.

Humedad Relativa.- En una carta psicromtrica completa, las lneas de humedad relativa constante, son las lneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia la derecha. Se expresan siempre en porciento, y este valor se indica sobre cada lnea.Humedad Absoluta.- La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua en el aire. Tambin se le conoce como humedad especfica. La escala de la humedad absoluta, es la escala vertical (ordenada) que se encuentra al lado derecho de la carta psicromtrica.Entalpa.- Las lneas de entalpa constantes en una carta psicromtrica, son las que se muestran en la figura 13.18. Debe notarse que estas lneas, son meramente extensiones de las lneas de bulbo hmedo; puesto que el calor total del aire, depende de la temperatura de bulbo hmedo.

Volumen Especfico.- En la figura 13.19, se muestran las lneas del volumen especfico constante en una carta psicromtrica. Estas lneas estn en un ngulo aproximado de 60o con la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha. Por lo general, el espacio entre cada lnea, representa un cambio de volumen especfico de 0.05 m/kg. Cualquier punto que caiga entre dos de estas lneas, naturalmente debe ser un valor estimado.

BIBLIOGRAFA

Ernest J. Henley & Edward M. Rosen. Clculo de Balances de Materia y Energa. Editorial Revert

Armando Patio. Introduccin a la Ingeniera Qumica (Balances de masa y energa). Tomo I. Universidad Iberoamericana

Luz Palacios. Mtodos y Algoritmo de Diseo de Ingeniera Qumica. Universidad de Antioqua.

Octave Levenspiel. Ingeniera de las Reacciones Qumicas. Editorial Revert.

Captulo 13. PSICROMETRIA.

www.wikipedia.com