conceptos de balance de materia y energia

7/25/2019 Conceptos de balance de materia y energia

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TEMA 3:

BALANCES DE MATERIA


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3.1 Conceptos bsicos

Aplicacin de la ecuacin de conservacin genrica:

[3.1]

Ecuacin de conservacin del componente i, macroscpica:

[3.2]

Ecuacin de conservacin de la materia total, macroscpica:

[3.3]


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Balance de materia indispensable para:

! Tratamiento terico de operaciones de separacin y de reactoresqumicos.

!

Completar datos en la elaboracin de un proyecto.! Comprobacin de instalaciones en funcionamiento para determinar susrendimientos.


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3.1.1 Diagrama de flujo

Diagrama de flujo: Representacin simblica de los diferentes componen-

tes de un proceso, con objeto de organizar la informacin disponible de laforma ms conveniente para efectuar los clculos posteriores.

Se representan operaciones (separadores, reactores) con bloquesgeomtricos (rectngulos, crculos); se representan corrientes conlneas con flechas.

Se suelen aadir los valores (con unidades) de las variables conocidas ysmbolos algebraicos (con unidades) para las variables desconocidas.


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Sobre el diagrama de flujo se definen los lmites del sistema, cuyo tamao

variar segn las necesidades de clculo (Figura 3.1):

Figura 3.1: Diagrama de flujo para balances de materia.


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!Una planta completa.

! Un proceso de una planta [recinto 1].! Una parte del proceso [recinto 2].! Una unidad [recinto 3].

! Una parte de una unidad.! Un tramo de una conduccin [recintos 4 y 5].


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3.1.2 Base de clculo

Base de clculo: Valor numrico de una magnitud extensiva, generalmen-te sencillo (1, 100, 1.000, etc.), que se elige de forma arbitraria parafacilitar los clculos y sobre el cual estn referidas otras magnitudes

extensivas resultantes.

Criterios de prioridad para la eleccin de la base de clculo:

1. Una cantidad de uno de los componentes del sistema, que noreaccione qumicamente y que entre y salga del sistema formandoparte de una sola corriente.

2. Una cantidad de una de las corrientesque entre o salga del sistema,generalmente de la que se disponga de ms informacin.

3. Un intervalo de tiempo.


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3.1.3 Tipos de balance

El balance de componente, [3.2], puede plantearse para cualquierespecie, lo que permite distinguir los siguientes tipos de balance:

! De todos los componente (balance total, ecuacin [3.3]).! De un compuesto.! De un grupo de tomos.! De un tipo de tomos! De cualquier sustancia que permanezca constante en el sistema,

aunque su composicin no est especificada.

Las ecuaciones de balance planteadas han de ser independientes;obsrvese que el balance total es la suma de todos los balances de loscomponentes


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3.2 Balances de materia en rgimen estacionario

La mayora de los procesos industriales estn basados en operaciones

continuas, que funcionan en rgimen estacionario (las variables nodependen del tiempo, aunque pueden cambiar con la posicin).

En rgimen estacionario se anula el primer miembro (acumulacin) de lasecuaciones [3.2]y [3.3], quedando:

[3.4]

[3.5]

O expresada como caudales msicos (unidades msicas):

[3.6]

[3.7]


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Si el balance se realiza de un tipo de tomos, la ecuacin de componen-tes, [3.6], se simplifica a:

[3.8]


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3.2.1 Derivacin, recirculacin y purga

Derivaccin (bypass): Corriente que se ha desviado de la principalpara evitar que sufra una o ms etapas de un proceso, llegando directa-mente a una etapa posterior para obtener una composicin final deseada(Figura 3.2); se efecta un balance alrededor de todo el sistema y unbalance en el punto de mezcla.

Figura 3.2: Derivacin.


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Recirculacin (recycle):Corriente que se devuelve a la corriente de

alimentacin como resultado de una separacin efectuada en la corrientede salida de un proceso para aprovechar disolventes valiosos o aumentarla conversin de reacciones reversibles (Figura 3.3); se efecta unbalance alrededor de todo el sistema, alrededor de cada bloque y en el

punto de mezcla.

Figura 3.3: Recirculacin.


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Purga (purge): Corriente desviada de una recirculacin hacia el exterior

del sistema, con objeto de eliminar ciertas sustancias que de otra manerase acumularan en el interior del sistema (Figura 3.4); se efecta unbalance alrededor de todo el sistema, alrededor de cada bloque, en elpunto de mezcla y en el de extraccin de la purga.

Figura 3.4: Purga.


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3.2.2 Sistemas con reacciones qumicas

Generalmente no se utilizan cantidades estequiomtricas en los procesosqumicos, lo que hace necesarias algunas definiciones:

! Reactivo limitante: Reactivo que est presente en la menor cantidadestequiomtrica, es decir, aqul que desaparecera en primer lugar sila reaccin se llevara a cabo hasta su trmino.

! Reactivo en exceso: Reactivo que est presente en cantidad superiora la necesaria para reaccionar con el reactivo limitante.

! Conversin: Fraccin de un compuesto alimentado que reacciona.! Rendimiento: Fraccin de un compuesto alimentado que se transfor-

ma en el producto deseado.! Selectividad: Fraccin de producto que se transforma en el producto

deseado.


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Relacin entre parmetros:

[3.9]


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3.2.2.1 La reaccin de combustin

Combustin: Reaccin rpida de un combustible con oxgeno.

Los productos de reaccin no son valiosos, pero s lo es la produccin decalor.

Combustibles: Carbono o hidrocarburos (slidos, lquidos o gaseosos),que producen como gases de combustin CO2y H2O.

Comburente: Aire (fuente de oxgeno), que se suministra siempre en

exceso y se considera con una composicin de 21% O2y 79% N2.


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Oxgeno terico: Cantidad molar necesaria para una combustin

estequiomtrica completa de un combustible (C a CO2y H a H2O).

Aire terico: Cantidad de aire que contiene el oxgeno terico.

Aire en exceso: Cantidad de aire alimentada por encima del valor terico;suele expresarse como porcentaje de aire en exceso.


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Expresin de la composicin de los gases de combustin:

! Base hmeda: Composicin de los gases, incluido su contenido enagua, tal como salen de la unidad de combustin.

! Base seca: Composicin de los gases, excluido su contenido en agua,tal como se expresan en las tcnicas de anlisis usuales.


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3.3 Balances de materia en rgimen no estacionario

Algunos procesos industriales estn basados en operaciones disconti-nuas, que funcionan en rgimen no estacionario(las variables dependendel tiempo, variando desde un valor inicial hasta uno final).

Muchas veces, no hay corrientes de entrada ni de salida, por lo que lasecuaciones [3.2]y [3.3]se simplifican a:

[3.10]

[3.11]


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Cuando se trata de operaciones semicontinuas(carga inicial y corrientesque entran o salen durante la transformacin), tambin se tiene unfuncionamiento en rgimen no estacionario, pero las ecuaciones [3.2]y

[3.3]no pueden ser simplificadas.

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