Balance de materia y energía en procesos metal

7/25/2019 Balance de materia y energa en procesos metal

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS

ESCUELA DE INGENIERIA METALRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALESPROGRAMA DE INGENIERA METALRGICA

BALANCE DE MATERIA Y ENERGAEN PROCESOS METALRGICOS

PROFESOR: PEDRO DELVASTOPRIMER SEMESTRE 2015

EMAIL: [email protected]

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Descripcin y Propsito de la Asignatura

Es una asignatura de carcter estrictamente prctico, pues requiere de la adquisicin, por parte delestudiante, de habilidades de clculo que le permitan conjugar informacin fisicoqumica de un procesometalrgico con el fin de caracterizar como fluyen y cambian las materias primas que ingresan a dichoproceso y qu productos se obtienen de ste.

La teora en la que se fundamenta el curso es bien conocida por el alumno, pues viene dada en cursos

fundamentales de fsica y qumica, de manera que en esta asignatura se aplicarn estos conocimientos de unamanera prctica y, sobre todo, muy til de cara al planteamiento y caracterizacin de los procesosmetalrgicos.
mailto:[email protected]:[email protected]


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Evaluacin de la AsignaturaTemas del proyecto Final:

Tema 1. Obtencin del Ferronquel a partir de minerales laterticos y mediante pirometalurgia.

Tema 2. Produccin de aleaciones de aluminio en hornos de reverbero, considerar reciclaje de latas y composicin del combustible.

Tema 3. Produccin de cobre blister.

Tema 4. Horno calcinador de piedra caliza. Eficiencia energtica, manejo de combustibles alternativos (aceites gastados, plsticos,neumticos).

Tema 5. Uso de fuentes alternativas de energa en hornos elctricos de arco para la produccin de acero. (quemadores oxifuel yPostcombustin, combustin de polvo de coque, neumticos y plstico)

Tema 6. Procesamiento de luminarias fluorescentes gastadas (manejo del mercurio).

Tema 7. Produccin de arrabio en el alto horno. Balance de cargas y balance energtico.

Tema 8. Produccin de ferromanganeso en hornos de reduccin por arco elctrico. Incorporacin de pilas alcalinas gastadas en elproceso. elctricos de arco.

Tema 9. Reciclaje de Zinc y Plomo: Manejo de polvos de acera ricos en Zn y Pb mediante el proceso WAELZ.

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Los talleres se organizan en grupos de 5 personas, al igual que el proyecto computacional.

El proyecto computacional se debe defender con una exposicin de 10 minutos. Debe entregarse una memoria escrita de10 pginas y la presentacin una semana antes de la fecha de entrega. La investigacin de los temas asignados comienzadesde la primera semana. El desarrollo del proyecto toma todo el semestre.

Sntesis escrita del proyecto Breve descripcin de las etapas y equipamiento involucrado. Diagrama de flujo de procesos

Balance de masa y energa tpico del proceso seleccionado. De 1 a 5 referencias bibliogrficas. Atender normas APA en el manejo de ellas.

IMPORTANTE: En caso de faltar a un examen o taller, el estudiante deber hacer todo el procedimiento formal dejustificacin de la inasistencia. Una vez obtenido el justificante avalado por las instancias universitarias pertinentes, seproceder a recuperar la(s) prueba(s) faltante(s) durante la ltima semana del semestre (semanas de examen).

Evaluacin de la Asignatura


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Horario de Clases de la Asignatura

Asignatura Balance de Materiales (Grupo 1). Saln 103 Industrial.

Lunes 3:00 pm a 4:00 pm.Mircoles 3:00 pm a 5:00 pm.

Asignatura Balance de Materiales (Grupo 2). Saln 103 Industrial.

Lunes 4:00 pm a 5:00 pm.Viernes 2:00 pm a 4:00 pm.

Horarios de Consulta (Sala de Profesores Metalurgia)

Martes 3:00 pm a 4:00 pm.Mircoles 11:00 am a 11:45 amMircoles 2:00 pm a 2:45 pm

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Semana Inicio de la Semana Actividad

01 16 Marzo

02 24 Marzo

-- 30 Marzo Semana Santa

03 06 Abril

04 13 Abril Taller 15 % Da mircoles 15 de Abril

05 20 Abril Quiz 10 % da Lunes 20 Abril

06 27 Abril 28 AbrilUltimo da carga de 1era. Nota ensistema

07 04 Mayo

08 11 Mayo

09 18 Mayo

10 25 Mayo Taller 5% da Mircoles

11 01 Junio

12 08 Junio

13 15 Junio Examen Parcial 25 % Da Mircoles

-- 22 de Junio al 06 de Julio Vacaciones Personal Docente

14 07Julio

15 13 Julio

16 20 Julio Defensa del Proyecto Lunes y Mircoles

17 27 Julio Examen Parcial 30 % Mircoles

18 03 Agosto Recuperaciones (Solo casos Justificados) Lunes.

Crono

gramade

actividadesGrupo1

Lunes -Mircoles


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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICAPROGRAMA DE INGENIERA METALRGICA

TEMA 1. CONCEPTOS BSICOS: INTRODUCCINA LOS CLCULOS EN INGENIERA DE PROCESOS

EN METALURGIA

PROFESOR: PEDRO DELVASTOPRIMER SEMESTRE 2015

EMAIL: [email protected]

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DIMENSIONES, UNIDADES YFACTORES DE CONVERSIN

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CONCEPTO DE DIMENSIN

UNA DIMENSIN ES CUALQUIER PROPIEDAD DE UN SISTEMA SUSCEPTIBLE DE SER CUANTIFICADA MEDIANTE:

MEDICIN DIRECTA

RELACIN MATEMTICA ENTRE OTRAS PROPIEDADES (DERIVADAS)

DIMENSIONES DEMEDICIN DIRECTA

LONGITUD

MASA

TIEMPO

DIMENSIONES DERIVADAS

VELOCIDAD

REA

DENSIDAD

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CONCEPTO DE UNIDAD

UNA UNIDAD ES UNA REFERENCIA (ESTNDAR), ADOPTADA POR CONVENCIN, QUE OTORGA UNA CUANTIFICACINRELATIVA A UNA DIMENSIN EN PARTICULAR. DE MANERA ANLOGA, LAS UNIDADES PUEDEN SER

DE BASE: CUANDO CUANTIFICAN DIMENSIONES MEDIBLES DE FORMA DIRECTA

DERIVADAS: PROVENIENTES DE LA RELACIN MATEMTICA ENTRE OTRAS UNIDADES

UNIDADES DE BASE

METRO

KILOGRAMO

SEGUNDO

UNIDADES DERIVADAS

METRO POR SEGUNDO

METRO CUADRADO

KILOGRAMOS POR METRO CBICO

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SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

DEBIDO A QUE LAS UNIDADES SE ADOPTAN POR CONVENCIN, PUEDEN VARIAR DE UNA SOCIEDAD A OTRA, DE UNACULTURA A OTRA, DE UN PAS A OTRO O INCLUSO DE UNA POCA A OTRA. EN LA ACTUALIDAD, EL CONCIERTO DE LASNACIONES SE HAN PUESTO DE ACUERDO ALREDEDOR DEL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (S. I.). ESTESISTEMA GARANTIZA COHERENCIA A LA HORA DE DERIVAR UNIDADES A PARTIR DE RELACIONAR LAS UNIDADES BASEDEL S. I.

DIMENSIN DE BASE NOMBRE DE LA UNIDAD SMBOLO UTILIZADO

LONGITUD METRO m

MASA KILOGRAMO kg

TIEMPO SEGUNDO s

CORRIENTE ELCTRICA AMPERE A

TEMPERATURA

TERMODINMICA(ABSOLUTA)

KELVIN

K

CANTIDAD DE SUSTANCIA MOL mol

INTENSIDAD LUMINOSA CANDELA cd

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SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

EJEMPLOS DE UNIDADES S.I. DERIVADAS, EXPRESADAS EN TRMINOS DE LAS UNIDADES S.I. DE BASECORRESPONDIENTES

CANTIDAD DERIVADA NOMBRE DE LA UNIDAD SMBOLO UTILIZADO

REA METRO CUADRADO m2

VOLMEN METRO CBICO m3

VELOCIDAD METRO POR SEGUNDO m/s

ACELERACIN METRO POR SEGUNDOCUADRADO

m/s2

DENSIDAD MSICA KILOGRAMOS POR METROCBICO

kg/m3

VOLUMEN ESPECFICO MTRO CBICO PORKILOGRAMO

m3/kg

CONCENTRACIN DE UNASUSTANCIA

MOL POR METRO CBICOmol/m3

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SISTEMA INTERNACIONAL DEUNIDADES

EJEMPLOS DE UNIDADES S.I. DERIVADAS QUE CUENTAN CON SMBOLOS Y NOMBRES ESPECIALES

CANTIDAD DERIVADA NOMBRE DE LAUNIDAD

SMBOLOUTILIZADO

EXPRESADA EN TRMINOS DEOTRAS UNIDADES S.I.

EXPRESADA ENUNIDADES S.I. DE BASE

FRECUENCIA HERTZ Hz S-1

FUERZA NEWTONN mkgs-2

PRESIN O ESFUERZO PASCALPa N/m2

m-1kgs-2

ENERGA, TRABAJO,CALOR

JOULEJ Nm m

2

kgs

-2

POTENCIA WATT W J/s m2kgs-3

CANTIDAD DE CARGAELCTRICA

COULOMBC sA

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MANEJO DE PREFIJOS EN UNIDADES DELSISTEMA INTERNACIONAL

UNA VENTAJA DEL SISTEMA INTERNACIONAL ES QUE SU BASE ES DECIMAL. DE ESTA MANERA, LOS MULTIPLOS Y SUBMLTIPLOS DE CADA UNIDAD EN PARTICULAR SE ESTABLECEN EN FORMA DE PREFIJOS. LOS MS COMUNES SON:

PREFIJO ABREVIATURA ORDEN DE MAGNITUD

TERA T 1012

GIGA G 109

MEGA M 106KILO k 103

- - 1

CENTI c 10-2

MILI m 10-3

MICRO 10-6

NANO n 10-9

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EJEMPLO 01

CALCULE LA MASA Y EL PESO EN UNIDADES S.I. DE UN BLOQUE DE ALUMINIO CUYO VOLUMEN ES DE 0,1500 M 3.

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EJEMPLO 01

CALCULE LA MASA Y EL PESO EN UNIDADES S.I. DE UN BLOQUE DE ALUMINIO CUYO VOLUMEN ES DE 0,1500 m 3.

DATOS: LA DENSIDAD DEL ALUMINIO ES 2702 kg/m3Y LA ACELERACIN DE LA GRAVEDAD ES 9,8066 m/s2

D

RESPUESTA: LA MASA ES 405,3 kg Y EL PESO CORRESPONDIENTE ES 3975 N. 20


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EJEMPLO 02

CON LOS MISMOS DATOS DEL PROBLEMA ANTERIOR, SUPONGA QUE EL BLOQUE DE ALUMINIO SE SUPENDE DE UNCABLE DE ACERO CUYO DIMETRO ES 0,5000 cm. CALCULE EL ESFUERZO AL QUE SE VE SOMETIDO ESE CABLE.

2

RESPUESTA: EL REA DEL CABLE ES 1,964 x 10 -5m2 Y EL ESFUERZO AL QUE SE SOMETE EL CABLE ES DE 2,024 x 108Pa.21

MANIPULACIN MATEMTICA DE CANTIDADESDIMENSIONALES

LA MAGNITUD DE UNA DIMENSIN DADA ES TAN IMPORTANTE COMO LA UNIDAD EN LA QUE SE PRESENTA DICHAMAGNITUD, POR TANTO SON INSEPARABLES A LA HORA DE REPORTARSE COMO DATOS EN UN PROBLEMA. SIEMPRELA MAGNITUD (CIFRA) DEBE IR ACOMPAADA DE LA UNIDAD. ESTO HACE QUE LAS UNIDADES SE VEAN AFECTADASPOR LAS OPERACIONES MATEMTICAS A LAS QUE SE SOMENTEN LAS MAGNITUDES A LAS QUE ACOMPAAN. EN SUMANIPULACIN MATEMTICA SE DEBEN CONSIDERAR LAS SIGUIENTE REGLAS:

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1. LA SUMA O RESTA DE CANTIDADES EXPRESADAS EN LAS MISMAS UNIDADES PRODUCE UN RESULTADOEXPRESADO EN DICHAS UNIDADES.

2. LA MULTIPLICACIN O DIVISIN DE CANTIDADES EXPRESADAS EN UNIDADES DIFERENTES PRODUCE UNRESULTADO CUYAS UNIDADES CORRESPONDEN CON EL PRODUCTO O EL COCIENTE DE DICHASUNIDADES.

3. LA DIVISIN DE CANTIDADES EXPRESADAS EN LAS MISMAS UNIDADES GENERA COMO RESULTADO UNNMERO ADIMENSIONAL.

4. EL PRODUCTO DE CANTIDADES EXPRESADAS EN LAS MISMAS UNIDADES TIENE POR RESULTADO UNACANTIDAD CUYAS UNIDADES SON LA MISMA UNIDAD ELEVADA A LA POTENCIA APROPIADA.


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CONVERSIN DE UNIDADES

LA CONVERSIN DE UNIDADES ES FUNDAMENTAL PARA RELACIONAR DIMENSIONES CUANTIFICADAS EN SISTEMAS DEUNIDADES DIFERENTES. LA CONVERSIN DE UNIDADES SE PUEDE HACER DE DOS FORMAS:

MULTIPLICANDO O DIVIDIENDO LA UNIDAD INICIAL POR UN FACTOR PARA LLEVARLO A LA UNIDAD DESEADA

USAR UN FACTOR DE CONVERSIN SOBRE LA UNIDAD INICIAL PARA LUEGO SUMAR O RESTAR UN TRMINOADICIONAL

LOS FACTORES DE CONVERSIN SE ENCUENTRAN NORMALMENTE AGRUPADOS EN TABLAS

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OPERACIONES DE CONVERSIN DE UNIDADES

ES MS FCIL MANEJAR LOS FACTORES DE CONVERSIN USANDO LO QUE SE CONOCE COMO TABLA DIMENSIONAL.ESTE MTODO PERMITE IR CANCELANDO UNIDADES COMUNES CUANDO SE MULTIPLICAN O DIVIDEN FACTORES DECONVERSIN HASTA OBTENER EL SET DE UNIDADES QUE SE DESEA.

CUNTOS km/h hay en 1 m/s ?

1

3,6

LA MEJOR MANERA DE VISUALIZAR ESTO ES CONUN EJEMPLO:

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OPERACIONES DE CONVERSIN DE UNIDADES

CUANDO LAS UNIDADES SE ESTABLECEN DE MANERA RELATIVA, EN ESCALAS, SU CONVERSIN EN OTRAS UNIDADESREQUERIR, ADEMS DE UN PRODUCTO O UNA DIVISIN, DE LA SUMA ALGEBRAICA DE UNA CANTIDAD ADICIONAL.ESTO OCURRE CON LA TEMPERATURA Y, EN ALGUNOS CASOS, CON LA PRESIN. EN ESTE CASO, SE EMPLEANFRMULAS DE CONVERSIN.

Para convertir grados centgrados a grados Fahrenheit se usa lasiguiente frmula.

t F 1,8 32

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CONSISTENCIA DIMENSIONAL EN ECUACIONES

LO VISTO HASTA AHORA PERMITE ESTABLECER QUE SI SE TRABAJAN ECUACIONES EN LAS QUE ESTAN INVOLUCRADASCANTIDADES DIMENSIONALES, A AMBOS LADOS DE LA ECUACION LAS UNIDADES DEBEN SER LAS MISMAS. A ESTEPRINCIPIO SE LE DEMOMINA CONSISTENCIA DIMENSIONAL.

SI OBSERVAMOS NUEVAMENTE LA ECUACIN DE CONVERSIN DE

GRADOS FAHRENHEIT A CENTGRADOSt F 1,8 32

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QU UNIDADES DEBE TENER EL FACTOR 1,8 Y EL TRMINO 32 PARA QUE LA ECUACIN SEA DIMENSIONALMENTECONSISTENTE?


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EJEMPLO 03

LA CAPACIDAD CALORCA MOLAR DEL COBRE ES UNA FUNCIN LINEAL DE LA TEMPERATURA ENTRE 300 K Y 600 K.EST DADA POR LA SIGUIENTE RELACIN (SIENDO T LA TEMPERATURA ABSOLUTA, EN KELVIN)

22,30 0,00720 [

]

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QU UNIDADES DEBE TENER EL FACTOR 22,30 Y EL TRMINO 0,00720 PARA QUE LA ECUACIN SEA DIMENSIONALMENTECONSISTENTE?

RESPUESTA: 22,30 ESTA EN J/(mol*K) Y 0,00720 EN J/mol*K2

EJEMPLO 04

LA CAPACIDAD CALORCA MOLAR DEL COBRE ES UNA FUNCIN LINEAL DE LA TEMPERATURA ENTRE 300 K Y 600 K.EST DADA POR LA SIGUIENTE RELACIN (SIENDO T LA TEMPERATURA ABSOLUTA, EN KELVIN)

22,30 0,00720 [

]

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SI SE QUIERE CONVERTIR LA ECUACIN ANTERIOR PARA QUE QUEDE EN FUNCIN DE GRADOS CENTGRADOS (C), QUVALORES VAN A TOMAR LAS CONSTANTES DEL LADO DERECHO DE LA IGUALDAD? SE SABE QUE T(K)=t(C) + 273,15

RESPUESTA: 24,27 LA PRIMERA Y LA SEGUNDA QUEDA IGUAL PARA QUE EL Cp QUEDE EN J/(mol*C)


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Dimensiones para describir flujos

Un flujo se define como el paso continuo (o discontinuo) de una cierta cantidad de sustancia en un tiempo dado. Ladimensin de dicha cantidad de sustancia puede tomar valores de masa, volumen o moles, pero siempre se refiere aun intervalo de tiempo determinado. Los flujos de materia son cantidades muy importantes a la hora de describir laentrada de materias primas o la salida de productos en procesos qumicos.

Algunas unidades que describen flujo de sustancias

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EJEMPLO 05

Una recuperadora de metales tiene un horno que produce 1025 toneladas cortas de metal fundido diariamente.Calcular la produccin en kg/s. Una tonelada corta es una unidad de masa del sistema ingenieril americano quecontiene 2000 libras, es decir, 907,185 kg.

RESPUESTA: 10 kg/s 30


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EJEMPLO 06

Una termoelctrica quema 1041,67 kg de carbn mineral por hora. Cada tonelada mtrica de carbn contiene 1 g demercurio (Hg). Calcule la cantidad de mercurio, expresada en kg, que la planta emite a la atmsfera operando demanera continua durante un ao. Se conoce que 1 tonelada mtrica (ton) equivale a 1000 kg.

RESPUESTA: 9,125 kg 31

EL MOL COMO UNIDADPARA REPRESENTAR UNA CANTIDAD QUMICA DE

MATERIA. DEBIDO A QUE TOMOS DE DIFERENTES ELEMENTOS TIENEN DISTINTAS MASAS, SE NECESITA UN CONCEPTO QUE

DEFINA LA CANTIDAD DE UNA SUSTANCIA EN TRMINOS QUMICOS, PARA PODER PLANTEAR ECUACIONES DEREACCIN QUE RESULTEN FCILES DE REPRESENTAR. EL MOL, COMO UNIDAD, ESPECIFICA LA CANTIDAD ENTIDADESINDIVIDUALES DE UNA SUSTANCIA PRESENTES EN UNA MASA DADA.

CUANDO SE UTILIZA EL MOL COMO UNIDAD, DEBE INDICARSE EL TIPO DE ENTIDAD INDUVIDUAL QUE REPRESENTA ALA SUSTANCIA, DE MODO QUE SE PUEDE TENER MOL DE TOMOS, MOL DE MOLCULAS, MOL DE ELECTRONES, MOLDE PROTONES, MOL DE IONES, ETC.

EL CONCEPTO DE MOL EST NTIMAMENTE RELACIONADO CON UNA CONSTANTE LLAMADA EL NMERO DEAVOGADRO (NA), EL CUAL ESTABLECE QUE EN UN MOL DE UNA SUSTANCIA DADA, SIEMPRE SE ENCUENTRAN6,02x1023ENTIDADES INDIVIDUALES DE DICHA SUSTANCIA, i.e., TOMOS, MOLCULAS, IONES, SEGN SEA EL CASO.LAS UNIDADES DEL NMERO DE AVOGADRO SON mol -1

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MANEJO DE DATOS QUE IMPLICAN CONOCER LADENSIDAD

LA DENSIDAD MSICA (), O SIMPLEMENTE DENSIDAD ES LA MASA CONTENIDA EN UN VOLUMEN DADO DE MATERIA.

EN SISTEMA INTERNACIONAL, SUS UNIDADES ESTN DADAS EN kg/m3, AUNQUE ES COMN MANEJARLA EN OTRASUNIDADES, TALES COMO g/cm3.

IMPORTANTE: LA DENSIDAD DEL AGUA EN CONDICIONES NORMALES ES UN VALOR CONOCIDO, CERCANO A 1000kg/m3 1 g/cm3. ESTO CONVIERTE EL AGUA UN UNA REFERENCIA PARA MEDIR LA DENSIDAD DE OTRAS SUSTANCIAS.SE DEFINE ENTONCES UN NMERO ADIMENSIONAL LLAMADO GRAVEDAD ESPECFICA DE UNA SUSANCIA (g.e.), MUY

UTILIZADO PARA REPORTAR VALORES DE DENSIDAD. LA GRAVEDAD ESPECIFICA DEL AGUA ES 1.

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g. .

EJEMPLO 09

DETERMINACIN DE LA DENSIDAD DE UNA MEZCLA LQUIDO SLIDO EN SUSPENSIN (LODO).

SUPONGA QUE SE MEZCLAN 100 kg DE MAGNETITA (Fe3O4), UN XIDO DE HIERRO MAGNTICO CUYA DENSIDAD ES5180 kg/m3, CON 1000 kg DE AGUA PARA FORMAR UN LODO. CALCULAR LA DENSIDAD DEL LODO OBTENIDO.

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RESPUESTA: 1079 kg/m3, PARA CALCULAR, DEBEN SUPONERSE VOLUMENES ADITIVOS, ESTO ES CIERTO YA QUE LAMAGNETITA NO ES SOLUBLE EN EL AGUA


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MANEJO DE DATOS QUE IMPLICAN CONOCER LADENSIDAD

LA DENSIDAD DE CONJUNTO (BULK DENSITY) ES OTRA PROPIEDAD IMPORTANTE EN PROCESOS QUMICOS. LADENSIDAD REAL DE LAS SUSTANCIAS SLIDAS (QUE SE ENCUENTRA TABULADA) SE CORRESPONDE CON MUESTRASMACIZAS, NO POROSAS, DE MATERIAL.

MUCHOS SLIDOS SE MANEJAN DE MANERA GRANULADA, ES DECIR, EN FORMA DE PARTCULAS, COMO LA ARENA,LAS PIEDRAS O LA SAL. CUANDO UN SLIDO GRANULAR SE CONFINA EN UN RECIPIENTE DE VOLUMEN CONOCIDO,QUEDAN MUCHOS ESPACIOS VACOS (OCUPADOS POR AIRE, CUYO PESO PUEDE CONSIDERARSE DESPRECIABLE). ESTOHACE QUE EL SLIDO OCUPE UN VOLUMEN MAYOR AL QUE SU MASA DEBERA OCUPAR, DISMINUYENDO LADENSIDAD APARENTE DEL SLIDO CUANDO STE SE PRESENTA COMO UN CONJUNTO DE PARTCULAS.

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1 *

En este caso, es un nmero entre cero y uno que representa la fraccin de espacio vaco en el conjunto, es decir, elvolumen de los espacios vacos dividido entre el volumen total del conjunto.

EJEMPLO 10

EN UN PUERTO SE RECIBE UN CARGAMENTO DE MAGNETITA (Fe3O4) SECA CUYA DENSIDAD DE CONJUNTO EQUIVALEAL 60 % DE LA DENSIDAD TERICA DE ESTE MINERAL. DETERMINE:

LA FRACCIN DE ESPACIO VACO EN EL CONJUNTO .

CUNTO ESPACIO DE ALMACENAMIENTO (m3) SE REQUIERE PARA ALMACENAR 150 TONELADAS MTRICAS DE ESTAMATERIA PRIMA.

40

RESPUESTA: 48,3 m3, = 0,40.


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MEZCLAS Y SOLUCIONES

EN PROCESOS QUMICOS, NORMALMENTE LAS SUSTANCIAS NO SE EMPLEAN PURAS, SINO MS BIEN CON CIERTOGRADO DE PUREZA. CUANDO DOS O MS SUSTANCIAS SE MEZCLAN, PUEDEN DAR LUGAR A MEZCLAS HETEROGNEASO A SOLUCIONES.

EN UNA MEZCLA, LOS COMPONENTES SON DIFERENCIABLES Y ES FACTIBLE SEPARARLOS POR ALGN MEDIO FSICO. LAMEZCLA PUDIERA LLEGAR A SER DE NDOLE MICROSCPICA, PERO AN AS, LOS COMPONENTES PUEDEN LLEGAR ADIFERENCIARSE. EJEMPLO UNA SUSPENSIN DE ARCILLA EN AGUA.

EN UNA SOLUCIN, UNO DE LOS COMPONENTES, DENOMINADO SOLUTO, (NORMALMENTE PRESENTE EN MENORPROPORCIN) PENETRA Y SE ACOMODA ATMICA O MOLECULARMENTE EN UNA ESTRUCTURA FORMADA POR LAS

MOLCULAS DEL OTRO COMPONENTE, DENOMINADO SOLVENTE (NORMALMENTE PRESENTE EN MAYORPROPORCIN). LA NATURALEZA QUMICA DE LA SOLUCIN ES DIFERENTE A LA DE SUS COMPONENTES PORSEPARADO. EJEMPLO AADIR SAL AL AGUA GENERA UNA SOLUCIN TRANSPARENTE DE AGUA SALADA, EL AGUACAMBIA DE SABOR Y SE VUELVE CONDUCTORA DE LA CORRIENTE ELCTRICA.

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COMPOSICIN QUMICA Y CONCENTRACIN

LA COMPOSICIN QUMICA DE UNA SUSTANCIA ES UNA DIMENSIN DE PARTE-POR-PARTE. ES DECIR, EN UN TODO,CUNTAS PARTES DE ESE TODO SON DE UNO DE LOS COMPONENTES Y CUNTAS PARTES SON DEL OTROCOMPONENTE.

LA CONCENTRACIN, POR SU PARTE, EST BASADA EN UNA CANTIDAD DE SUSTANCIA (MASA O MOLES) DE UNO DELOS COMPONENTES, QUE SE ENCUENTRAN EN UN VOLUMEN DADO DE TODA LA MEZCLA. ESTO GENERA UNADIMENSIN QUE MIDE LA CANTIDAD DE SUSTANCIA POR UNIDAD DE VOLUMEN DEL SISTEMA.

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UNIDADES PARA DEFINIR LA COMPOSICIN QUMICA

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Fraccin msica (de A)

+ +

+ +

( )

( )

porcentaje msico (de A) % ( ) ( )*100

Dada una mezcla de componentes A, B Y C, se tiene que:


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Fraccin molar (de A)

+ +

porcentaje molar (de A) %

+ + *100

Dada una mezcla de componentes A, B Y C, siendo n el nmero de moles, se tiene que:


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Se puede obtener la fraccin molar de A (xA), a partir de las fracciones en peso de cada uno de los componentes de lamezcla (wi), conocidas las masas molares de los componentes, utilizando la siguiente frmula:

Anlogamente, se puede obtener la fraccin msica del componente A (wA) conociendo las fracciones molares y lasmasas molares de cada componente, usando esta otra frmula:

EJEMPLO 11

CALCULE LA MASA DE CROMO, NIQUEL Y HIERRO QUE SE NECESITA PARA PRODUCIR 1 kg DE UNA ALEACIN QUECONTIENE 20 % MOLAR DE Cr Y 10 % MOLAR DE Ni.

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RESPUESTA: 1 kg DE ESTA ALEACIN CONTIENE 106 g DE Ni, 188 g DE Cr Y 706 g DE Fe.


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DEFINICIN DE FACTOR GRAVIMTRICO

EL FACTOR GRAVIMTRICO ES UN PARMETRO MUY TIL EN BALANCES DE MASA Y DERIVA DE LOS CONCEPTOSDADOS EN LAS LMINAS PREVIAS. INDICA EL PORCENTAJE EN PESO DE UN DETERMINADO TIPO DE TOMO PRESENTEUN UNA MOLCULA CONFORMADA POR DOS O MS TIPOS DE TOMOS. ES MEJOR ILUSTRARLO CON UN EJEMPLO.

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EJEMPLO 11

CALCULAR EL PORCENTAJE MSICO DE AZUFRE QUE HAY EN EL CIDO SULFRICO (H 2SO4).

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RESPUESTA: 32,7%


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UNIDADES PARA DEFINIR LA CONCENTRACIN DESOLUTO EN UNA SOLUCIN

RECORDEMOS QUE LA CONCENTRACIN SE USA PARA CARACTERIZAR UNA SOLUCIN DICIENDO CUNTA SUSTANCIAHAY EN UN CIERTO VOLUMEN DE SOLUCIN. TAMBIN SE SUBDIVIDEN EN TRMINOS MSICOS O MOLARES.

EN TRMINOS MSICOS: (GRAMOS DE A/ LITROS DE SOLUCIN) (MILIGRAMOS DE A / LITRO DE SOLUCIN),TAMBIN LLAMADO ppm (PARTES POR MILLN)

EN TRMINOS MOLARES: MOLARIDAD (MOLES DE A/LITROS DE SOLUCIN), ES LA UNIDAD MS UTILIZADA.

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EJEMPLO 12

UNA MUESTRA DE COMBUSTIBLE DIESEL CONTIENE 0,68 % MSICO DE AZUFRE. LA DENSIDAD DE ESTE COMBUSTIBLEES 0,85 kg/L. CONVIERTA LA CONCENTRACIN DE ESTA IMPUREZA A mg/L Y A MOLARIDAD (mol/L).

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RESPUESTA: 5780 ppm Y 0,18 mol/L


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COMPOSICIN DE MEZCLAS DE GASES

A DIFERENCIA DE SLIDOS Y LQUIDOS (FASES CONDENSADAS), LOS GASES SON MUY DIFCILES DE PESAR. ESTO HACEQUE PARA ESTABLECER SU COMPOSICIN SE NECESITE CONFINARLOS EN UN VOLUMEN DADO, A UNA TEMPERATURACONOCIDA.

POR TAL MOTIVO, LA COMPOSICIN DE LOS GASES SUELE DARSE EN TRMINOS DE FRACCIN (O PORCENTAJE)VOLUMTRICO O FRACCIN (O PORCENTAJE) MOLAR. SI LOS GASES OBEDECEN LA LEY DE GASES IDEALES (LO CUAL ESCIERTO EN BUENA PARTE DE LAS APLICACIONES DE INGENIERA), LA FRACCIN VOLUMTRICA (v) Y LA FRACCINMOLAR (x) DE UN GAS SON IGUALES.

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=

EJEMPLO 13

MUCHAS VECES LOS GASES CONTIENEN VAPOR DE AGUA, EL CUAL SE CONTABILIZA DENTRO DE SU COMPOSICINQUMICA. EN CIERTOS CASOS, SE OBVIA ESTE PASO, Y SE REPORTA LA COMPOSICIN DE TODOS LOS GASES DE UNAMEZCLA, EXCLUYENDO AL AGUA. A ESTO SE EL DENOMINA COMPOSICIN EN BASE SECA.

UNA MUESTRA DE GAS EXTRADA DE LA CHIMENEA DE UN INCINERADOR DE RESIDUOS SLIDOS MUNICIPALES SEANALIZA SIN DEJAR QUE CONDENSE NINGN VAPOR, OBTENINDOSE ESTE RESULTADO (% VOLUMTRICOS).

70 % N2; 10 % CO2; 5,5 % CO; 4,5 % H2; 10 % H2O

CALCULE LA COMPOSICIN DEL GAS EN BASE SECA

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RESPUESTA: 77,8 % N2; 11,1 % CO2; 6,1 % CO; 5 % H2


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TALLER DE EVALUACIN EJERCICIO 1

Qu cantidad de glucosa, C6H12O6, se necesita para preparar 100 cm3de disolucin 0,2 molar?

R=3,6 gramos

EJERCICIO 2

En 40 g de agua se disuelven 5 g de cido sulfhdrico, Masa molar del (H2S)=34 g/mol. La densidad de la disolucin formada es 1,08 g/cm3.

Calcular:

a) El porcentaje en masa de cido en la solucin. R= 11,11%b) La molaridad de la solucin de cido. R= 3,53 moles/litro

EJERCICIO 3

Una destiladora se alimenta con un flujo que contiene 0.4 H2O, 0.3 C2H5OH, 0.1 CH3OH y CH3COOH (fracciones msicas), a razn de 1000 kg/h.

Convierta estas variables a:

Flujos molares de cada una de las sustancias qumicas. R= (en moles/hora) 22.222,22 H2O, 6.521,74 C2H5OH, 3.125 CH3OH y 3.333,33 CH3COOHFracciones molares de cada una de las sustancias en la alimentacin, en base seca (libre de agua). R= 0,0 H 2O; 0,50 C2H5O; 0,24 CH3OH y 0,26CH3COOH

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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERIA METALRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

PROGRAMA DE INGENIERA METALRGICA

REPASO DE ESTEQUIMETRA:

GASES IDEALES Y ECUACIONES QUMICAS

PROFESOR: PEDRO DELVASTOFEBREROMARZO 2015

EMAIL: [email protected].: 314 477.93.29

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LEY DE GASES IDEALES

El volumen ocupado por una cierta cantidad de moles de un gas depende de lapresin y de la temperatura a la que se somete dicho gas, de acuerdo con lasiguiente ecuacin:

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P*V

Aqu, P es la presin absoluta del gas, V es el volumen ocupado por el gas, T esla temperatura absoluta y n es el nmero de moles de gas

LA CONSTANTE R

Tambin llamada la constante universal de los gases ideales, puede tomarmuchos valores, dependiendo de las unidades de las dems variables. Su valorms tpico es:

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R 0,08206

Otros valores, perfectamente equivalentes y usados, son:

R 8,31447

1,98721

0,06236


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CONDICIONES ESTNDAR DE PRESIN Y TEMPERATURA

Para facilitar los clculos que involucran moles de gases ideales, se suelenreferir los clculos a una presin y a una temperatura constantes. Dichosvalores de referencia con el de la congelacin del agua, por convencin. Hayotras convenciones, pero sta es la ms corrientemente utilizada.

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T 0 273,15 1 101,325

En tales condiciones, un mol de gas ideal siempre ocupa un volumen fijo de22,4 L valor que constituye un parmetro muy fcil de memorizar y til a lahora de desarrollar balances de masa.

CAMBIOS DE PRESIN Y TEMPERATURA

Siempre que se tenga el mismo nmero de moles de un gas ideal, resulta fcilrecalcular el volumen ocupado si se modifican las condiciones de presin ytemperatura, debido a que:

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LEY DE DALTON

DERIVADA DE LA LEY DE GASES IDEALES, LA LEY DE DALTON PERMITE DEFINIR PROPIEDADESDE MEZCLAS DE GASES IDEALES. CONSIDERE UNA MEZCLA DE DOS GASES IDEALES, A Y B.ENTONCES:

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PT= pA+pB

pA= PT* xA pB= PT* xB

ADICIONALMENTE DEBE RECORDARSE QUE, EN EL CASO DE LOS GASES IDEALES, SE CUMPLE

QUE: % VOLUMETRICO = % PRESIONES = % MOLAR, POR ENDE, TAMBIN SE TIENE QUE:

EJEMPLO 14

DEMUESTRE QUE EN CONDICIONES ESTANDAR DE PRESIN Y TEMPERATURA (0C, 1 atm), UN MOL DE GAS IDEAL OCUPA UN VOLUMEN DE 22,4 LITROS. SI SEMANTIENE LA PRESIN Y SE ELEVA LA TEMPERATURA HASTA LOS 100 C,CALCULE EL NUEVO VOLUMEN OCUPADO POR ESE MISMO MOL.

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RESPUESTA: 30,6 L


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EJEMPLO 15

LA CMARA DE UN REACTOR TIENE UN VOLUMEN DE 6,28 m3. DENTRO CONTIENE AIRE SECO, ELCUAL SE ENCUENTRA A UNA TEMPERATURA DE 302 K Y UNA PRESIN DE 760 mmHg. ESTE AIREDEBE EXTRAERSE DE LA CMARA CON UNA BOMBA, HASTA QUE LA PRESIN INTERNA ALCANCE1 mmHg. CALCULE LA MASA DE AIRE QUE SER REMOVIDA POR LA BOMBA. SE CONOCE COMODATO QUE LA MASA MOLAR DEL AIRE SECO ES 0,02897 kg/mol. La temperatura no cambia luegodel bombeo.

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RESPUESTA: La bomba retira 253,1 moles de aire, cuya masa es 7,33 kg.

EJEMPLO 16

UNA MEZCLA DE GASES IDEALES CUYA MASA MOLAR ES 0,03761 kg/mol FLUYE A TRAVS DE UNDUCTO A RAZN DE 10 kg/s. EN ALGN PUNTO DEL TRAYECTO, EL DUCTO SE ENSANCHA Y PASA DEUN REA TRANSVERSAL DE 2 m2A 3 m2. AGUAS ARRIBA DEL PUNTO DE ENSANCHE, LASCONDICIONES DEL GAS SON 120 kPa Y 402 K. AGUAS ABAJO, LAS CONDICIONES SON 101 kPa Y 382 K.CALCULAR LA VELOCIDAD LINEAL DEL GAS ANTES Y DESPUS DEL PUNTO DE ENSANCHAMIENTO.

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RESPUESTA: ANTES DEL ENSANCHE, EL FLUIDO FLUYE A RAZN DE 265,9 mol/s, Y SU CAUDAL (VOLUMEN) ES 7,406 m3/s.

CONSIDERANDO EL REA (CAUDAL = A*velocidad), LA VELOCIDAD ANTES DEL ENSANCHE ERA 3,70 m/s. DESPUES DEL ENSANCHE, EL FLUIDO FLUYE A RAZN DE 8,36 m3/s (SE CALCULA USANDO LA ECUACIN DE CAMBIO DE

CONDICIONES DEL GAS IDEAL). ESTO DA UNA VELOCIDAD LINEAL DE 2,79 m/s.


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MANEJO DE DATOS QUE IMPLICAN CONOCER LA HUMEDADDEL AIRE

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En ciertos procesos, se debe conocer la cantidad de agua que hay en el aire(humedad). Se conoce por el nombre de PSICROMETRA a la medicin o larepresentacin de la cantidad de humedad en el aire.


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La presin de vapor del agua, entre 273,15 K y 373,15 K, viene dada de manera aproximada,por la siguiente expresin:

, kPa = - (2256/T) + 8,061

Si se desea el resultado en otras unidades, tenga en cuenta que:

Para torr ( mmHg) se suma 0,875 al resultado

Para atm, se resta 2,006 al resultado

Para bar, se resta 2 al resultado.


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MANEJO DE DATOSQUE IMPLICAN

CONOCER LAHUMEDAD DEL AIRE

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Tabla de Presiones de vapor delagua a diferentes temperaturas(presiones en bar, 1 bar =750,062mmHg Torr = 0,986923 atm =100.000 Pa)


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La humedad relativa es la relacin porcentual entre la presin de agua en fase gaseosa quehay en un volumen dado de aire, a cierta temperatura, y la presin de saturacin (presin devapor) del agua, a esa misma temperatura.

Humedad relativa

%

*100

Una humedad relativa del 100 % implica que el agua condensar para generar gotas. Latemperatura a la que esto ocurre se denomina punto de roco.


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LA ECUACIN QUMICA

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a moles de la sustancia A reaccionan con b moles de la sustancia B para formar c moles de la sustancia C

a, b y c se denominan coeficientes estequiomtricos, y deben escogerse de tal suerte que garanticen la misma cantidad detomos a ambos lados de la igualdad, la cual se representa con una flecha que indica la direccin de la reaccin (de reactivos

hacia productos)

TIPOS DE REACCIONES

NORMALMENTE, A LAS SUSTANCIAS REACCIONANTES SE LES PUEDE INCLUIR UN SUBNDICE QUE INDICA EL ESTADO DE AGREGACIN DE LA SUSTANCIA (s) PARA SLIDO, (l)PARA LQUIDO Y(g) PARA GAS.

SE DICE QUE UNA REACCIN ES HOMOGNEACUANDO TODOS LOS REACTIVOS SON

GASES O LQUIDOS MISCIBLES ENTRE S.

UNA REACCIN ES HETEROGNEA, CUANDO UNO DE LOS REACTIVOS ES UN GAS Y OTRODE LOS REACTIVOS UN SLIDO O LQUIDO. EN ESTE TIPO DE REACCIONES, LA REACCINOCURRE SOBRE UNA SUPERFICIE, DENOMINADA SUPERFICIE DE REACCIN.

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BALANCEO DE ECUACIONES QUMICAS(TANTEO)

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2() 2() 3()

ESCOJA UNO DE LOS COEFICIENTES COMO IGUAL A 1, POR EJEMPLO, EN EL LADO DE LOSPRODUCTOS, DIGAMOS QUE c = 1. ESTO HACE QUE SE TENGA 1 TOMO DE AZUFRE Y DOS

TOMOS DE OXGENO. LOS MISMOS NMEROS DE TOMOS DEBEN ESTAR DEL LADOIZQUIERDO DE LA IGUALDAD.

ESTO AUTOMOMTICAMENTE FIJA a=1/2 Y b=3/2

BALANCEO DE ECUACIONES QUMICAS(PLANTEO DE ECUACIONES)

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2() 2() 3()

SE BALANCEAN LOS ATOMOS DE AZUFRE: ESTO ARROJA QUE 2 a = c SE BALANCEAN LOS TOMOS DE OXGENO: 2 b = 3 c SE ESCOJE UNA BASE DE CLCULO, ES DECIR, ARBITRARIAMENTE SE COLOCA UN NMERO DE

MOLES A ALGUNO DE LOS COEFICIENTES. POR EJEMPLO SEA c = 1.

ENTONCES, DESPEJANDO, b =3/2 Y a= 1/2


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UN CASO ESPECIAL DE ESTEQUIMETRA:

ESTUDIO DE LA COMBUSTIN

Sustancias Combustibles

La combustin consiste en la combinacin qumica de loselementos oxidables contenidos en el combustible con eloxgeno del aire, con el objeto de obtener calor a partir de

dichas reacciones.

(21% de O2y 79% N2envolumen)

Aire

Algunas veces, si elaire es hmedo

contendr una cantidad

dada de vapor de H2O

Productos decombustin y calor

Slidos: carbn, coque, lea

Lquidos: gasleos, kerosenos,gasolinas, alcoholes, aceites

Gaseosos: Metano (CH4),propano(C3H8), etc.

C, H,N, S, H2O,SiO2,etc.

Gases:

1) Formados de acuerdo a las reacciones

2) Gases liberados directamente del combustible(ejm. N agua de composicin)

3) Nitrgeno del aire4) Oxgeno si la combustin se lleva a cabo con

exceso de aire

5) Agua de la humedad del aire

Slidos:

Cenizas: Materiales no combustiblespresentes,normalmente impurezas minerales (SiO2, Al2O3,CaO, y carbono no reaccionado

Es el calor sensible contenido en los gasesproducto de la combustin el que empleamospara elevar la temperatura de los procesos


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Combustin

A menos que se indique, los procesos de combustinde hidrocarburos se considerarn completos, es

decir, que las siguientes reacciones de oxidacintoman lugar:

C + O2= CO2

2H2+ O2= 2H2OS + O2= SO2

EJERCICIO COMPLETO DE COMBUSTIN

Enunciado: Se tiene un carbn mineral cuyo anlisis qumico (en peso) es elsiguiente:

C 72 %

H 4 %

O 8%

N 1 %

H2O 3 %Cenizas 12 %

Se pide encontrar el volumen (en Nm3) de aire necesario para quemartotalmente 1 kg de este carbn. Indicar, adems, la composicin y el volumende los gases resultantes de la combustin.


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a) Para comenzar, debemos fijarnos en los componentes delcombustible que son susceptibles de oxidarse y los que no,para poder establecer las reacciones que transcurren.

Resolucin

El contenido de cenizas (12 %) , el nitrgeno (1 %) y el agua(3 %) del carbn no se oxidan, por ende no participan de lacombustin.

El carbn contiene oxgeno (8 %), este elemento s participade la reaccin pero sumndose al oxgeno del aire que seutiliza para quemar al carbn.

Solamente se oxidarn el carbono (72 %) y el hidrgeno (4%) ya que el carbono carece de azufre en su composicin.Entonces tendremos las siguientes reacciones:

OH2O2H

COOC

222

22

hidrgenodeg40ycarbonodeg720contienecarbndekg1Adems,

b) Utilizaremos la estequiometra de las reacciones y la leyde los gases ideales para determinar el volumen (Nm3) de O2que necesitamos para las reacciones de oxidacin delhidrgeno y del oxgeno, esto nos da que:

720 gr de C requieren de 1,344 Nm3 de O2

40 gr de H requieren de 0,224 Nm3de O2

En total: 1,568 Nm3 de O2

Empero, como el propio carbn contiene oxgeno (0,08 kg de Opor cada kg de carbn), esto es un aporte de oxgeno que

equivale a 0,056 Nm3de O2

El aire, por tanto, solamente deber proporcionar 1,568 0,056= 1,512 Nm3de O2

Esto significa un volumen terico de aire de: 1,512 / 0,21= 7,2 Nm3de aire

Recordemos que el airecontiene (en volumen)21% O2y 79 % N2


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c) Para determinar la composicin y el volumen de los gasesproducidos (digamos, gases producto de la combustin,gases que salen de la chimenea, etc.), Utilizaremos laestequiometra de las reacciones y la ley de los gases idealespara determinar el volumen (Nm3) de cada uno. Debemostambin considerar que del propio carbn genera gases queno participan de la reaccin pero si salen expelidos durante lacombustin y que del aire se obtiene un gran volumen denitrgeno. Entonces:

De las ecuaciones:

Se producen 1,34 Nm3 de CO2

Se producen 0,448 Nm3 de H2O

Del Carbn:

Se expelen 0,037 Nm3 de H2O

Se expelen 0,008 Nm3 de N2

Del aire:

Pasan sin reaccionar 5,72 Nm3de N2

En total se producen: 7,553 Nm3de gases como consecuenciade la combustin de 1 kg de carbn.

Por tanto, la composicin de los gases producto de lacombustin ser:

Gas Volumen(Nm3)

%

CO2 1,34 17,7

H2O 0,485 6,5

N2 5,73 75,8


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TALLER DIRIGIDO DE ESTEQUIOMETRA

EJEMPLO 19

EN UNA PLANTA DE BENEFICIO DE COBRE, LA MATERIA PRIMA CONSTA UNA MEZCLA DE TRES MINERALES,CALCOPIRITA (CuFeS2), PIRITA (FeS2) Y SLICE (SiO2). EL LABORATORIO DE LA EMPRESA REPORT EL ANLISIS QUMICODE LA MATERIA PRIMA (% EN PESO) COMO: 29,8 % DE Cu Y 30,2 % DE Fe. CALCULAR LA FRACCIN MSICA DE CADAMINERAL EN LA MATERIA PRIMA

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RESPUESTA: 86,1 % DE CALCOPIRITA (CuFeS2), 8,6 % DE PIRITA (FeS2) Y 5,3 % DE SLICE (SiO2).


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EJEMPLO 20

A NIVEL INDUSTRIAL, SE DEFINE COMO HUELLA DE CARBONO A LA CANTIDAD DE CO2EXPRESADA EN kg, QUE SEGENERA EN UN PROCESO. SE CONOCE QUE PARA PRODUCIR HIERRO, ES NECESARIO HACER REACCIONAR EL MINERALDE HIERRO CON CARBN SLIDO, DE ACUERDO CON LA SIGUIENTE REACCIN:

4 Fe2O3+ 9 C = 8 Fe + 6 CO + 3 CO2

EFECTUANDO LOS CLCULOS ESTEQUIOMTRICOS CORRESPONDIENTES, DETERMINE LA CANTIDAD DE CO2QUE SEGENERA (EXPRESADA EN kg Y EN m3A CONDICIONES ESTNDAR) POR CADA TONELADA DE HIERRO PRODUCIDA.

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RESPUESTA: 300,82 m3DE CO Y 150,41 m3DE CO2

EJEMPLO 21

UNA PIEDRA CALIZA QUE CONTIENE (% MSICO) 56 % DE CaO Y 44 % DE CO2SE CALCINA EN UN HORNO ROTATORIO,GENERANDO UN PRODUCTO CALCINADO QUE ES CaO PURO. POR CADA kg DE CALIZA QUE INGRESA AL HORNO, SEQUEMAN 0,15 kg DE UN ACEITE COMBUSTIBLE QUE CONTIENE (% MSICO) 85% DE CARBONO Y 15 % DE HIDRGENO.EL VOLUMEN DE AIRE USADO PARA QUEMAR ESE ACEITE COMBUSTIBLE ES 2,1 m 3 (MEDIDO A CONDICIONESESTANDAR). EL COMBUSTIBLE SE QUEMA COMPLETAMENTE CON EL OXGENO DEL AIRE PARA FORMAR CO2Y H2O, LOSCUALES SE MEZCLAN CON EL CO2EXPELIDO POR LA PIEDRA CALIZA.

CALCULE EL VOLUMEN EN m3(MEDIDOS A CONDICIONES ESTNDAR) DE LOS GASES QUE SALEN DEL HORNO.

DETERMINE EL % VOLUMTRICO DE CADA UNO DE LOS GASES QUE SALEN DEL HORNO.

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RESPUESTA: DEL HORNO SALEN 109,4 MOLES DE GAS, ES DECIR, 2,45 m3SI SE MIDEN A CONDICIONES ESTNDAR.LA COMPOSICIN VOLUMTRICA DEL GAS ES: 18,8 % CO2; 10,2 % H2O; 3,2 % O2Y 67,8 % DE N2


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Problema 1. Produccin de plomo a partir de la galena.

La principal mena de plomo es un sulfuro denominado galena y cuya frmula es PbS. Se puede producirplomo metlico a partir de este sulfuro en un horno de cuba, a travs dos reacciones, una entre lagalena y el PbO y otra entre la galena y el PbSO4. Ambas reacciones transcurren de manera simultnea ytienen como productos Pb (metal) y SO2 (dixido de azufre, gas). Como dato, se tiene que se produce apartir de la primera reaccin (PbS + PbO) tres veces ms plomo metlico que a partir de la segunda (PbS+ PbSO4). Se sabe, adems, que la masa total de PbS que se utiliza en ambas reacciones juntas es 6600kg. Se pide:

a) La masa total (kg) de Pb metlico que generan ambas reacciones y la masa (kg) y volumen (Nm3)

de de SO2 producido.

b) El porcentaje (en peso) de PbO y de PbSO4 contenidos en la mezcla PbO-PbSO4-PbS que se trata enel horno de cuba.

EJEMPLO 22

Problema 2. Produccin de aluminio.

El aluminio se produce a partir de la descomposicin electroltica de la alumina (Al2O3). Este procesotranscurre en una celda en la que tanto el nodo como el ctodo estn hechos de materiales carbonososy el electrolito est constituido por una mezcla de sales fundidas y almina. El oxgeno de la almina selibera durante la electrlisis y se combina con el carbono del nodo para formar CO y CO2. Si se asumeque el 85 % del xigeno de la almina se combina con el carbono del nodo para formar CO y el 15 %

restante forma CO2 y, adems, que la produccin diaria de aluminio en una celda dada son 400 lb(libras) de aluminio, se pide:

a) La reaccin qumica global que ocurre, balanceada con nmeros enteros (mnimos enteros).b) Las libras de Al2O3 consumidas diariamente en la celda.c) Los pies cbicos (ft3) de CO y CO2 que se liberan a la atmsfera, diariamente.

EJEMPLO 23


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Problema 3. Desulfuracin de acero lquido a travs de la formacin de escorias.

Un mtodo usual para disminuir las impurezas del acero lquido consiste en la adicin al bao metlico (acerolquido) de sustancias que faciliten la formacin de una mezcla de xidos, denominada escoria, la cual flotasobre el bao e interacta qumicamente con ste, retirando e inmovilizando los elementos indeseables queestn disueltos en el acero, entre ellos el azufre. El azufre puede estar contenido en el acero en forma desulfuro de hierro (FeS) y se puede retirar aadiendo cal viva (CaO) y ferrosilicio, de tal forma que la reaccinque toma lugar es la siguiente:

2CaO + 2FeS + FexSi = SiO2 + 2CaS + (x + 2) Fe

Quedando el azufre inmovilizado dentro de la escoria en forma de sulfuro de calcio. En dicha ecuacin FexSirepresenta al ferrosilicio y se describe de esa forma ya que existen diferentes grados (composiciones) deferrosilicio a nivel comercial. Con base a estos datos, se pide:

a) El valor de x en la ecuacin si se conoce que el ferrosilicio comercial utilizado contiene 50 % de Fe y 50 %de Si.b) Cuntas libras (lb) de cal viva y cuntas libras de ese ferrosilicio han de aadirse para remover 100 lb deazufre?

EJEMPLO 24

Problema 4. El procesamiento pirometalrgico de los sulfuros metlicos para obtener cobreimplica la fusin de estos sulfuros para dar lugar a un fundido que se conoce como "mata".Normalmente, las menas sulfurosas de cobre contienen al mismo tiempo sulfuro de cobre (Cu2S)y sulfuro de hierro (FeS). La forma de eliminar el FeS de la mata fundida consiste en oxidar lamata en un horno convertidor, mediante el soplado de aire a la misma. En dicho proceso el FeSse oxida siguiendo la reaccin:

2FeS + 3O2 = 2FeO + SO2

Lo que da lugar a una escoria de FeO que flota sobre el sulfuro de cobre fundido, lo cual permite laseparacin y obtencin de Cu2S de mayor pureza, a partir del cual se extrae el cobre metlico.

Si el referido horno convertidor recibe 60 toneladas de una mata que contiene 54 % en peso de FeS,calcule:

el volumen total de aire necesario para oxidar todo el sulfuro de hierro.

El volumen total de dixido de azufre que se produce.El peso total de la escoria formada, si se considera que est formada en un 65 % por FeO.

EJEMPLO 25


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Problema 5. Reduccin de xidos de hierro: La hematita (Fe2O3) es un xido de hierro natural yconstituye la principal mena de hierro explotada en la actualidad. La reduccin de la hematita,

para obtener hierro metlico,puede llevarse a cabo en un horno de arco elctrico al cual seaade una fuente de carbono elemental, usualmente en forma de coque metalrgico (un tipo decarbn procesado industrialmente). En dicho horno sucede la siguiente reaccin:

4Fe2O3 + 9C = 8Fe + 6CO + 3CO2

Se pide calcular:

el nmero de kilogramos de Fe2O3 que deben reducirse para obtener 1 tonelada de Fe.

El nmero de kilogramos de coque requerido suponiendo que este est compuesto en un 100 % porC.

El nmero de Nm3 de CO y CO2 que se producen por tonelada de Fe producida.Los kilogramos de CO y CO2 que se producen.

EJEMPLO 26

Problema 6.Reduccin del xido de Zn:Un horno de reduccin se carga con 70 kg de unconcentrado de zinc que viene de la planta de tostacin. Este concentrado est constituido en un45 % por zinc, en forma de ZnO. La reaccin de reduccin del Znes la siguiente:

ZnO + C = Zn + CO

Se conoce que un quinto del ZnO no se reduce en el proceso. El Zn metlico que se produce lo hace en estadovapor, este gas sale del horno junto con el CO producido en la reduccin. Estos gases entran a uncondensador en el que el Zn es recogido y el CO se oxida con el oxgeno del aire para formar CO2, el cualsale a la atmsfera a travs de una chimenea. Se sabe que el CO entra al condensador a 300 C y 700 mmHg de presin.

Se pide calcular:

el volumen de CO en metros cbicos que entra al condensador. i) medido a condiciones estndar (0 C, 760 mmHg) y ii) en las condiciones reales dadas en el enunciado.

El peso de CO producido en kilogramos.

El volumen de CO2 que se forma cuando el CO se quema, medido a las condiciones de salida del condensador(750 C, 765 mm Hg)

El volumen en condiciones estndar y el peso del aire utilizado para quemar el CO.

EJEMPLO 27


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7)Fusin de bronce:en una fundicin se funde bronce en un horno de crisol. Como combustiblese emplea coque metalrgico de la siguiente composicin:

82 % C4 % H2 % H2O

12 % ceniza

Las cenizas que quedan luego de la combustin constituyen el 15 % en peso del coqueaadido.Se sabe que para la combustin se emplea un exceso de aire que equivale al 60 % dela cantidad terica necesaria.

Se pide calcular:

El volumen de aire terico necesario para quemar 1 kg de ese coque.

El volumen de aire real que se gasta considerando el exceso, por kg de coque.

El volumen de los productos de combustin cuando solo se usa la cantidad terica necesaria.

El volumen de los productos de combustin, cuando se usa el exceso de aire.

Nota: En los clculos tericos considere el coque que no se consume, para tener la cantidad de coque que en verdad se quema

EJEMPLO 28

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERA METALRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

PROGRAMA DE INGENIERA METALRGICA

DIAGRAMAS DE FLUJO Y LEY DECONSERVACIN DE LA MASA

PROFESOR: PEDRO DELVASTOFEBREROMARZO 2015

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Ingeniera de Procesos

Es una rama de la ingeniera con conocimientos suficientes en ciencia ytecnologa, para aplicarlas en el diseo, simulacin, optimizacin, innovacin,logstica y gestin de los procesos, con base en el estudio de aquellos denaturaleza fisicoqumica y biotecnolgica, y una tica empresarial que promueva laproteccin del ambiente y la seguridad industrial.

Ingeniera de Procesos

El Ingeniero de Procesos, gracias a su enfoque sistmico y a sus conocimientosde gestin, puede no slo operar ptimamente los procesos industriales sino quetambin est en capacidad de introducirles modificaciones para lograr una mayoreficiencia, calidad, productividad y rentabilidad. Por otro lado, su actitudinnovadora le permite desarrollar nuevos productos, procesos y equipos,cuidando de no generar impactos negativos sobre el ambiente.


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Los diagramas de flujo como gua para la comprensin deprocesos en ingeniera metalrgica y elaboracin de los

balances de masa

Diagrama de Flujo o de cajas (Procesos)


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Planta de trituracin de piedras (ridos) para construccin y para pavimentacin de carreteras. Esta planta espequea y desmontable. Es capaz de procesar entre 40 y 60 TPH de materias primas.


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101

MinMina

Criba Fija

+ 250 mm

- 250 mm Trituradora

Mandbula

TrituradoraRodillo - 60 mm

Apilador

Pilas Homogeneizacin

Recuperador

SecadorElectrofiltro

Chimenea

Peletizador

Alimentacinde Carbn

Recepcin deCarbn

TrituradoraRodillo

Criba Vibratoria+ 20 mm

- 20 mm

- 20 mm

TrituradoraConoPila Seca

Calcinador

Electrofiltro

Chimenea

Escoria

MetalHorno de

Fusin

O2, CaO

Cuchara

Horno Cuchara

Fe-Ni% Ni: 20 - 25

Escoria de Refino

O2, CaO,FeSi, CaSi

Almacn de Fe-Ni

Diagrama de Planta (Layout)Materials Recovery Facility(nfasis en Vidrio)


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Sistemas y Procesos

Un SISTEMA es un agrupamiento de procedimientos, acciones, sustancias einfraestructuras equipos que se conjugan en una operacin o actividad.

Una caracterstica del SISTEMA es que est definido por quien lo idea, crea yutiliza.

Por tales razones, un SISTEMA no es ms que una regin aislada del universoque cuenta con lmites claros y definidos, es decir, se conoce que entra, sale, secrea o se destruye dentro de ese sistema.

Sistemas y Procesos

Un SISTEMA puede ser de varios tipos:

AbiertoCerradoAislado

Basndose en la capacidad de intercambio de materia y de energa de esesistema con el resto del universo (alrededores)

En los procesos de la ingeniera ambiental, los sistemas son siempre, en algnmomento, abiertos, ya que como usuarios necesitaremos introducir materiasprimas y sacar productos terminados.


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Sistemas y Procesos

Un PROCESO es toda interaccin coordinada u organizada que ocurre entrepartes del sistema para dar lugar a la obtencin de un producto, se ste elproducto final o un producto intermedio, necesario para conseguir el productofinal.

PROCESO

(+/-) Acumulacin de Masa Energa

Entrada(de Masa Energa)

Salida(de Masa Energa)

Sistemas y ProcesosEl material o la energa que fluye hacia un proceso o fuera de ste se denominacorriente.

Las cajas negras del proceso pueden ser un equipo, un conjunto de equipos, unaparte de la naturaleza, etc. Lo nico que implica dicha caja es un cambio demateria prima a producto

PROCESO


Corriente de entrada(materia prima)

Corriente de Salida(Producto)


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Sistemas y Procesos

Dependiendo del proceso, las corrientes pueden ser:

Homogneas (Una sola fase)

Heterogneas (Ms de dos fases)

PROCESO


Corriente de entrada(materia prima)

Corriente de Salida(Producto)

Sistemas y Procesos

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS

De acuerdo al mtodo de entrada de materias primas ysalidas de productos

INTERMITENTE O POR LOTES (BATCH)

CONTINUO

SEMICONTINUO


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Sistemas y Procesos

PROCESO INTERMITENTE

LAS MATERIAS PRIMAS SE CARGAN (INTRODUCEN) EN UNRECIPIENTE AL INICIO DEL PROCESO Y, TRANSCURRIDO CIERTOTIEMPO, SE RETIRA EL PRODUCTO DEL PROCESO.

Sistemas y Procesos

PROCESO CONTINUO

LAS CORRIENTES DE ALIMENTACIN DE MATERIAS PRIMAS Y DEDESCARGA DE PRODUCTOS FLUYEN DE FORMA PERMANENTEDURANTE TODO EL TIEMPO QUE DURA EL PROCESO.


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Sistemas y Procesos

PROCESO SEMI-CONTINUO

CASO INTERMEDIO ENTRE LOS DOS ANTERIORES

Sistemas y Procesos

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS

De acuerdo a la estabilidad en el tiempo de las variables que lo describen.

ESTACIONARIO : Las variables del proceso no cambian en el tiempo,mantenindose constantes o ligeramente fluctuantes alrededor de un valor medio(flujos de masas, temperaturas, presiones, etc)

TRANSITORIO O NO-ESTACIONARIO: Las variables cambian con el tiempo.


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Caractersticas idneas que deben tener losdiagramas de flujo

Deben contener dibujos o representaciones sencillas de los equipos o procesos, si son bienconocidos, entonces bastan cajas.

Deben establecerse las propiedades de las corrientes del proceso: Anlisis qumico,granulometras, velocidades de flujo msico, propiedades termodinmicas (T, P, densidad, etc.)

Localizacin aproximada de las entradas y salidas de cada uno de los sub-procesos.

Condiciones operativas de cada sub proceso (temperatura, presin velocidad de agitacin, etc.)

Ejemplos de construccin de diagramas de flujo(abstraccin de problemas y sistemas)


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Descripcin de un sistema de limpieza fsica de gases (captura departculas)


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Descripcin de un sistema extraccin de lodos en agua residual


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Descripcin de un sistema para reciclaje de plsticos PET(obtencin de hojuelas de PET)


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Ley de Conservacin de la Masa


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Enunciado general de la ley de conservacin dela masa

Ejemplo 29:

Cada ao llegan 50.000 personas a la ciudad, emigran de sta 75.000, se registran 22.000 nacimientos y 19.000defunciones. Escriba un balance de la poblacin de la ciudad expresada en personas/ao.

Respuesta: cada ao la poblacin de la ciudad disminuye en 22.000 personas


En un sistema cerrado, cuando hay continuidad del proceso en el tiempo, setiene que:

Velocidad deentrada de masa

Velocidad degeneracin de

masa

Velocidad desalida de masa

Velocidad dedestruccin de masa

Velocidad deacumulacin de masa


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Anlisis de situaciones:

Suponga que el gas metano ( CH4) es un componente de las corrientes de alimentacin y de salida de una unidad de procesocontinuo. En un esfuerzo por determinar si la unidad se encuentra operando correctamente, se conectan flujmetros (medidorde caudal de flujo) y cromatgrafos (medidor de concentracin de gases en flujos) en cada corriente, encontrndose que el flujomsico de metano en la corriente de entrada es diferente al flujo msico de metano a la salida, es decir:

Unidad de proceso continuo

Entrada de metano(kg/h)

Salida de metano(kg/h)

mmomedesalidaomedeentrada

tantan

Analizando la ley de conservacin de masa, indique cuatro posibles explicaciones para esta diferencia.

Enunciado general de la ley de conservacin de

la masaAnlisis de situaciones:

Unidad de proceso continuo

Entrada de metano(kg/h)

Salida de metano(kg/h)

mmomedesalidaomedeentrada

tantan

1. El metano se consume como reactivo o se genera como producto dentro de la unidad.2. El metano se acumula dentro de la unidad, quizs adsorbido en las paredes o atrapado en recovecos de la mquina.3. Hay fugas de metano en la unidad.4. Las mediciones son incorrectas.


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En un sistema cerrado carente de reacciones qumicas o nucleares, no se generan nuevas especies ni se

destruyen las especies pre-existentes. Por tanto, la ley de conservacin de la masa se puede escribir como:


Masa queentra

Masa quesale

Masa que seacumula

Velocidad deentrada de masa

Velocidad desalida de masa

Velocidad deacumulacin de masa

Y cuando hay continuidad:


En un proceso continuo en estado estacionario, no se acumula masa, por tanto:

Masa que entra

Unidad de tiempo

Masa generada

Unidad de tiempo+ =

Masa que sale

Unidad de tiempo

Masa destruida

Unidad de tiempo+

En procesos continuos, la unidad de tiempo suele ser minutos u horas. En procesos intermitentes(Batch) o semi continuos, la unidad de tiempo es ms larga (das, semanas, meses)

Lo que entra debe salir

Masa que entra

Unidad de tiempo=

Masa que sale

Unidad de tiempo

Y si no existen reacciones qumicas que destruyan o generen nuevas especies:


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Ejemplo 30:

Cada hora se separan, por destilacin en dos fracciones, 1000 kg de una mezcla de solventes, benceno (B) y tolueno (T).Esta mezcla contiene 50 % de T y 50 % de B. el destilador consta de dos salidas, una superior y otra inferior. La velocidadde flujo msico de Benceno en la corriente superior es 450 kg B/h y la de Tolueno en la corriente inferior es de 475 kg T/h.

Construya el diagrama de flujo de proceso y escriba los balances de tolueno y de benceno para calcular las velocidades deflujo msico desconocidas de los componentes en ambas corrientes de salida.

Respuesta: por la salida superior fluyen 25 kg de tolueno por hora. Por la salida inferior fluyen 50 kg de benceno porhora.


Ejemplo 31:

Se tienen dos mezclas de metanol agua en recipientes diferentes (tanques). El primero contiene 40 % msico de metanol,mientras el segundo contiene 70 % en peso de metanol. Si se combinan 200 kg de la primera mezcla con 150 kg de lasegunda

Elabore un diagrama de flujo de la operacin.

cules seran la masa y composicin del producto?

Elabore tambin un balance de masa de agua en el proceso.

Verifique todos los balances.

Respuesta: 350 kg de producto, el cual contiene 52,9 % msico de metanol y, por tanto, 165 kg de agua.


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Ejemplo 32:

Una industria descarga sus residuos lquidos en un ro que tiene un caudal mnimo en verano de 10 m3/s. Contaminanteprincipal descargado es una sustancia orgnica no reactiva llamada P. La corriente residual tiene un caudal de 0,1 m 3/s y laconcentracin de P en dicha corriente es de 3000 mg/L. Si la concentracin de P en el ro antes del punto de descarga esde 20 mg/L y el lmite mximo permitido por la legislacin local es de 100 mg/L, indique si la industria puede descargar elefluente sin establecer previamente un tratamiento apropiado. Suponga que en el ro ocurre una mezcla total e inmediatade P en el agua.

Respuesta: si se puede, pues luego del punto de descarga hay 49,5 mg/L de P.

Balance de materia y energía en procesos metal

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