Seminario de Quimica

PowerPoint-presentatie

TEMA 1:BALANCE DE MATERIA SIN REACCIN QUMICA

PRINCIPIOS DE INGENIERA QUMICA

1

Contenido:

Formas de expresar la composicin de mezclas. Unidades de concentracin

Conversin de composiciones

Procesos tpicos usados en la ingeniera qumica

Clasificacin de los procesos

Ecuacin general de balance de materia

Nmero de ecuaciones independientes en balances de materia

Seleccin de una base de clculo adecuada

Pasos a seguir para realizar problemas

2

Formas de expresar la composicin de mezclas.

Existen varias formas de expresar la composicin de las diferentes corrientes de flujo que pueden entrar o salir de un proceso determinado, las ms comunes son:

Fracciones o porcentajes en masa o peso (x o %x)

Fracciones o porcentajes molares (y o %y)

Fracciones o porcentajes en volumen

Concentracin mol/l

Concentracin msica

Molalidad (m)

Partes por milln (ppm)

3

Conversin de composiciones:

Para llevar a cabo las conversiones es necesario tomar en consideracin algunas propiedades de las sustancias involucradas tales como:

Densidad (): es la masa por unidad de volumen de la sustancia. Unidades: kg/m3, g/cm3, lb-m/pie3

Volumen especfico (V): es el volumen por unidad de masa de la sustancia. Unidades: m3/kg, cm3/g, pie3/lb-m

4


Tambin se tiene para una mezcla de sustancias:

Masa molecular promedio (M): es el cociente entre la masa total de una mezcla y la cantidad de sustancia total de la misma. Unidades: kg/kg-mol, lb-m/lb-mol

Conociendo las fracciones molares o msicas de sus componentes:

5


La masa molecular y la densidad pueden usarse como factores de conversin para transformar entre cantidad de sustancia, masa y volumen:

CANTIDAD DE SUSTANCIA

MASA

VOLUMEN

MASA MOLECULAR

DENSIDAD

6

Conversin de composiciones

Por ejemplo, en caso de tener una corriente de agua cuya masa molecular es 18 g/g-mol y densidad 1 g/cm3:

Si desea convertir 15 g-mol/min a lb-m/h

Si desea convertir 15 g-mol/s a m3/h

7

Tipos de arreglos de flujos

1) Flujos en contracorriente

PROCESO

E1

S1

E2

S2

2) Flujos en paralelo o en co-corriente

PROCESO

E1

S1

S2

E2

8

Tipos de arreglos de flujos

3) Flujos cruzados

ETAPA 1

E1

S1

S3

S2

ETAPA 2

E3

S4

E2

9

Procesos tpicos usados en la ingeniera

Los BMSRQ tienen su campo de aplicacin en las operaciones unitarias, las cuales son aquellas que se caracterizan porque los materiales no sufren cambios qumicos, aunque s cambios fsicos.

A continuacin se dar una muy breve descripcin de algunas operaciones unitarias:

10


Molienda: es la operacin mediante la cual se logra reducir el tamao de los granos de un material hasta una granulometra determinada.

MOLINO

Slido fino

Slido grueso

11


Secado: en esta operacin se separa total o parcialmente el lquido voltil que contiene un cuerpo no voltil.

SECADOR ROTATORIO

Aire hmedo

Aire caliente

Slido seco o semiseco

Slido hmedo

12


Absorcin: es utilizada para transferir materia de una fase gaseosa a una fase lquida.

La operacin inversa se denomina Desorcin

TORRE

DE

ABSORCIN

Lquido pobre en soluto

Agua

Gas pobre en soluto

Aire + poco NH3

Gas rico en soluto

Aire + mucho NH3

Lquido rico en soluto

Agua + NH3

13


Destilacin: su funcin es separar mezclas de dos o ms lquidos miscibles, atendiendo a la diferencia en sus temperaturas de ebullicin.

TORRE

DE

DESTILACIN

Mezcla lquida

T Tebullicin

Sustancias ms voltiles

Producto de tope

Vapor

Sustancias ms pesadas

Producto de fondo o cola

Lquido

14


Destilacin:

Tambin puede ser as:

TORRE

DE

DESTILACIN

Mezcla lquida

T Tebullicin

Sustancias ms voltiles

Producto de tope

Vapor

Sustancias ms pesadas

Producto de fondo o cola

Lquido

Rehervidor

Condensador

Lquidos

Vapores

Lquidos

Gases

15


Evaporacin: es utilizada ampliamente en la industria para concentrar soluciones, separando en forma de vapor una parte del solvente. Opera aplicando calor y vaco para facilitar la separacin de las fases.

EVAPORADOR

Solucin concentrada

Solucin diluda

Vapor (Solvente)

16


Cristalizacin: esta operacin permite separar de una solucin un soluto slido. Por lo general, ella es la etapa siguiente a la evaporacin o concentracin. Los cristalizadores pueden trabajar por enfriamiento, por vaco y/o por siembra de cristales.

CRISTALIZADOR

Solucin concentrada

Solucin saturada

Cristales

17


Filtracin: tiene por objeto separar de una suspensin lquida o gaseosa las partculas slidas que contiene mediante el paso de la solucin a travs de un medio poroso.

FILTRO

Suspensin lquida o gaseosa

Lquido o gas

Partculas slidas

18


Por lo general estas tres ltimas operaciones trabajan en forma conjunta en un arreglo como:

EVAPORADOR

T2

A, Solucin

T1

B, Solucin Saturada

T2

CRISTALIZADOR

T3

C, Solucin Saturada

T3

Recirculacin de C

T3 T2

T1 T2

FILTRO-SECADOR

E, Cristales H2O

G, H2O

F, Cristales Secos

D, H2O

Punto de Mezcla

19


Se entiende por procesos al conjunto de operaciones que permiten la obtencin de un producto, y estos pueden clasificarse as:

PROCESOS

Segn su forma de alimentacin

Segn su comportamiento respecto al tiempo

Intermitentes

Continuos

Estacionarios

Transitorios

20


Segn la forma de alimentacin:

Intermitentes: llamados tambin procesos por carga (batch), en ellos el equipo se carga y por medios qumicos o fsicos se cambia la composicin, temperatura o estado fsico de la carga.

Continuos: en estos procesos las corrientes o flujos de alimentacin y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso.

21


Segn el comportamiento respecto al tiempo:

Transitorios: en estos casos, las variables del proceso tales como volumen, temperatura, presin y velocidad de flujo cambian en el tiempo.

Estacionarios: tambin llamados en RGIMEN PERMANENTE, en ellos los valores de las diferentes variables que intervienen en el proceso no cambian en el tiempo.

22

Ecuacin general de balances de materia

La ecuacin general de balances de materia se fundamenta en el principio de conservacin de la misma el cual establece que:

La materia no se crea ni se destruye, slo se transforma

Lavoisier (1743-1794)

23


Para un sistema en particular, este principio se puede representar mediante la siguiente ecuacin general:

Lo que se acumula dentro del sistema

Lo que entra a travs de las fronteras del sistema

Lo que sale a travs de las fronteras del sistema

Lo que se produce dentro del sistema

Lo que se consume dentro del sistema

La ecuacin anterior puede ser simplificada segn sea el caso particular, por ejemplo:

24


Si el sistema opera en rgimen permanente o estado estacionario NO HAY ACUMULACIN por lo tanto se puede representar la ecuacin general como:

Ahora si adems NO OCURREN REACCIONES QUMICAS en ese sistema, la ecuacin se reduce a:

0

0

25


Cuando un sistema contiene el mismo nmero de ecuaciones independientes que de incgnitas, tendr una nica solucin.

La cantidad de ecuaciones independientes de balances, en un equipo en particular, es igual al nmero de especies presentes en ese equipo.

Para el caso que existan N especies involucradas en un equipo, es posible establecer N ecuaciones independientes de balances.

26


As, si se tiene:

Como hay 3 incgnitas (componentes) en la corriente de entrada entonces hacen falta 3 ecuaciones independientes de balances, las cuales pueden establecerse de dos maneras:

EQUIPO SIN RQ

xC1

xC2

xC3

B (peso)

A (peso)

xC1

xC2

C (peso)

xC1

xC3

27


A) Se podra establecer una ecuacin de balance para cada una de las especies involucradas, sin incluir el balance total de flujo:

De la especie C1:

Adems se procede con las dems especies, quedara:

De la especie C2:

De la especie C3:

28


Se podra elegir las ecuaciones de balance para otras dos cualesquiera de las tres especies presentes

Se podra establecer un balance total de flujo y balances para todas las especies, menos para una:

Balance Total de Flujos:

De la especie C2:

De la especie C3:

29


La Base de Clculo (BC) es la cantidad (masa o moles) o velocidad de flujo (msico o molar) que se toma como referencia para el clculo de los balances en un proceso.

Su seleccin adecuada facilitar la resolucin del problema planteado.

30


No obstante, se pueden resolver los balances de materia con una BC distinta y al final se hace la conversin a la base de clculo deseada, a partir de un FACTOR DE ESCALA O ESCALAMIENTO, luego

Si el enunciado indica la cantidad o velocidad de flujo de una corriente es conveniente tomarla como BC, sino se puede suponer un valor arbitrario preferiblemente de una corriente de composicin conocida.

31


basta con multiplicar las cantidades o velocidades (mas no las fracciones) por el Factor de Escala para extrapolar a la escala real del proceso

(Ambas referidas a la misma variable)

32


Leer detenidamente el enunciado del problema, entendiendo perfectamente la informacin suministrada y la que se necesita calcular (la ms importante).

2) Realizar un diagrama de flujo con la informacin dada en el enunciado.

3) Elegir una base adecuada para dar inicio a los clculos necesarios.

33


4) Establecer los lmites del proceso o de cada parte del mismo, donde se realizarn balances.

5) Determinar las correlaciones existentes entre los diferentes flujos de corrientes.

6) Establecer los balances de materia correspondientes, ya sea balance total y/o balance para cada componente, no olvidando la uniformidad de los datos.

34

total

cia

sus

de

Cantidad

total

Masa

M

tan

=

=

i

i

M

y

M

*

=

i

i

M

x

M

1

h

m

lb

h

g

m

lb

mol

g

g

mol

g

-

=

-

-

-

68

,

35

1

min

60

*

454

1

*

18

*

min

15

h

m

h

s

cm

m

g

cm

mol

g

g

s

mol

g

3

3

3

972

,

0

1

3600

*

100

1

*

1

1

*

18

*

15

=

-

-

Consumo

Generacin

Salidas

Entradas

n

Acumulaci

-

+

-

=

Consumo

Generacin

Salidas

Entradas

-

+

-

=

0

Consumo

Salidas

Generacin

Entradas

+

=

+

Salidas

Entradas

=

Salidas

Entradas

MasaC

MasaC

1

1

=

)

)

)

C

C

B

C

A

C

x

C

x

B

x

A

1

1

1

*

*

*

+

=

)

)

B

C

A

C

x

B

x

A

2

2

*

*

=

)

)

C

C

A

C

x

C

x

A

3

3

*

*

=

Salidas

Entradas

Flujos

Flujos

=

C

B

A

+

=

)

)

C

C

A

C

x

C

x

A

3

3

*

*

=

usada

clculo

de

Base

pedida

clculo

de

Base

Escala

de

Factor

=

Seminario de Quimica

Documents

Transcript of Seminario de Quimica