CAPÍTULO 3CONCEPTOS BÁSICOS DE

BALANCES DE MASA Y ENERGÍA

Balance de Masa

Variaciones de masa contenida en el volumen de control al tiempo “t”

Flujo total de masa entrando al sistema al tiempo “t”

Flujo total de masa dejando el sistema al tiempo “t”

= -

Donde :

mcv : cambio de masa¿

mi : entradas

me: salidas

mcv = mi - me

Ejemplo : Balance de MasaBalance de Masa para un sistema con reacción

químicaUn aceite combustible es analizado y se encuentra que

contiene 87% en peso de carbono, 11% de hidrógeno y 1.4% de azufre, mientras que el resto es material no combustible (inerte).

• El aceite es quemado con 20% de exceso de aire (en base a la combustión completa del carbono a CO2, el hidrógeno a H2O, y el azufre a SO2). El aceite es quemado completamente, pero 5% del carbono forma CO en vez de CO2.

• Calcula la composición molar del gas exhausto que deja el quemador.

Ejemplo: Balance de Masa

NOTE :

INPUT RATE = Qs * Cs + Qw * Cw

OUTPUT RATE = Qm * Cm = (Qs + Qw) * Cw

DECAY RATE = KCV

INPUT RATE = OUTPUT RATE + DECAY RATE

Balance de Energía para Sistemas Cerrados

Principio de conservación de la energía:

Variación del intervalo de tiempo de la energía total en un sistema

Energía Neta transferida a través de los límites del sistema por transferencia de calor al sistema

Energía Neta transferida a través de los límites del sistema por el trabajo hecho por el sistema

= -

ENRADA SALIDA

Donde :

KE = Cambio de energía cinética PE = Cambio de Energía Gravitacional Potencial U = Cambio de Energía InternaQ = CalorW = Trabajo

KE + PE + U = Q – W

All parameter mentioned above, are in Joules, Btu or Calories.

Variación Total de Energía

Características de los Cálculos de Balance de Energía

– W es el trabajo transferido de los alrededores al sistema.

+ Q es la energía calorífica trasferida dentro del sistema desde los alrededores.

Por lo tanto :

+ W es el trabajo hecho por el sistema y liberado en los alrededores

- Q es la energía calorífica transferida dentro de los alrededores desde el sistema

Ejemplo : Balance de EnergíaUna mezcla de 1 kimol de metano gaseoso y 2 kmol

de oxígeno inicialmente a 25°C y 1 atm se quema completamente en un contenedor rígido cerrado. La transferencia de calor ocurre hasta que los productos son enfriados a 900K. Determina la cantidad de calor transferida en kJ.

1 kmol CH4 (g)2 kmol O2

T1= 25°CP1= 1 atm

Estado 1

Productos de la combustiónT2

P2

Estado 2

Consideraciones :

1. El contenido del contenedor rígido cerrado es considerado como el sistema

2. Efectos de energía cinética y potencia y trabajo = 0.

3. La combustión es completa

4. Los reactivos y productos forman mezclas de gases ideales.

5. Los estados inicial y final son estados en equilibrio.

Ejemplo: Balance de Energía

Ejemplo: Balance de Energía

La eq. de reacción química para la combustión completa de metano con oxígeno es:

Con las consideraciones 2 y 3, el balance de energía del sistema cerrado toma la forma

Cada coeficiente en esta eq. Es el mismo que el término correspondiente de la ecuación química balanceada. Puesto que cada reactivo y producto se comporta como gas ideal, las energías específica e interna pueden

El balance ahora se convierte en:

Ejemplo: Balance de Energía

Donde T1 y T2 denotan, respectivamente, la temp. inicial y final., la ec. se convierte en:

Puesto que el metano y el oxígeno están inicialmente a 25°C, Dh=0 para cada uno de estos reactivos. También:

Con la entalpía de valores de formación para CO2, H2O (g), Y CH4(g); y valores de entalpía para H2O y CO2 de tablas reportadas en libros:

para el oxígeno