2015 Tema 5 Balances

IIQ Semestre 1 Otoño 2015

Tema No. 5

Fundamentos de Balances de Materia

Dra. Diana Bustos Martínez

Notas de clase IIQ otoño 2015 1

Conservación de la masa y balances de materia

Una de las leyes básicas de física es la ley de la conservación de la masa. Por consiguiente, la masa (o el peso) total de todos los materiales que intervienen en el proceso debe ser igual a la de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

entradas = salidas +acumulación 5-1


Conservación de la masa y balances de materia

En la mayoría de los casos no se presenta

acumulación de materiales en el proceso, por lo que las entradas son iguales a las salidas.

Expresado en otras palabras, “lo que entra debe salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso en estado estacionario.

entradas = salidas 5-2


Balances de materia

Para resolver un problema de balance de materia es

aconsejable proceder mediante una serie de etapas definidas, las cuales son:

1. Trazar un diagrama simple del proceso.

2. Escribir las ecuaciones químicas involucradas (si las hay).

3. Seleccionar una base para el cálculo.

4. Realizar el balance de materia.


Ejemplo: Concentración de jugo de naranja.

En el proceso de concentración de jugo de naranja,

el zumo recién extraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a un evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h, calcule la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida.


Ejemplo: Concentración de jugo de naranja, solución

Solución:

Etapa 1: se traza un diagrama de flujo del proceso. Note que la

letra W representa la cantidad desconocida o incógnita de agua y C es la cantidad de jugo concentrado.

Etapa 2: No hay reacciones químicas.

Etapa 3: Base de cálculo 1000 kg/h de jugo en la entrada.

Etapa 4: Se procede a un balance total de materia usando la ecuación 5-2.

1000=W+C 5-3


Ejemplo: Concentración de jugo de naranja, solución

Notas de clase IIQ otoño 2015

Esto produce una ecuación con dos incógnitas. Por lo tanto, se hace

un balance de componentes con base en el sólido:

1000 7.08

100 = 𝑊(0) + 𝐶

58

100 5-4

Para resolver estas ecuaciones, primero se despeja C en la ecuación

(5-4) pues W desaparece.

Se obtiene C = 122.1 kg/h de jugo concentrado.

Sustituyendo el valor de C en la ecuación (5-3),

1000 = 𝑊 + 122.1

se obtiene que W = 877.9 kg/h de agua.

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Ejemplo: Concentración de jugo de naranja, comprobación

Notas de clase IIQ otoño 2015

Para comprobar los cálculos, puede escribirse un balance del

componente agua.

1000 100−7.08

100 = 877.9 + 122.1

100−58

100 5.5

Al resolver,

929.2 = 877.9 + 51.3 = 929.2

En el ejemplo solo intervino un proceso. Muchas veces se

presentan varios procesos en serie, en cuyo caso puede

llevarse a cabo un balance por separado de cada proceso y

un balance para la totalidad del proceso general. 8

11 Notas de clase IIQ otoño 2015

Solución taller 9


Solución Ejemplo 9

Base de cálculo: 100 Kg de frijol de soya en la corriente de alimentación.

I. Balance de materia en el extractor:

(300 + 87.0 + 13.0) kg = m2

Balance de sólidos en el extractor:

87.0 Kg S = x2m2

Balance de aceite en el extractor:

13.0 kg aceite = y2 m2


Balance de materia en el extractor

Balance global:

(300 + 87.0 + 13.0) kg = m2

Balance de sólidos:

87.0 Kg S = x2m2

Balance de aceite:

13.0 kg aceite = y2 m2


Balances de materia en el filtro

Balance global

m2 kg = m3 + m4 kg aceite / kg de hexano

(en la torta de filtrado)


Balances, Taller 1

Calcule la composición resultante de mezclas de 2

corrientes de proceso (A,B) contiene 30% en masa de etanol en agua (A) y 45% en masa de butanol en agua (B), que se mezcla a razón de 150 g/min cada uno de ellos.


Balances, Taller 2

Una mezcla de SO2, H2S y SO3 contiene partes

iguales de cada componente. Si 400 lb mol de esta mezcla fueron separados en sus componentes, ¿cuántas lb mol de cada componente se obtendrán?


Balance s Taller 3

Se tienen dos mezclas de metanol-agua en

recipientes separados, la primera mezcla contiene 40% en peso de metanol, mientras que la segunda tiene una fracción molar de 0.65 de metanol. Si se combinan 200 g de la primera mezcla con 310 g de la segunda. ¿Cual es la composición resultante? Calcule el equivalente en lbmol y lbm.


Balances Taller 4

Una solución acuosa de NaOH contiene un 20% en

peso. Se desea producir una solución al 8% en peso, diluyendo una corriente de la solución al 20% utilizando agua pura.


Balances Taller 5

Una corriente contiene H2S de gases inertes y una segunda corriente de SO4 puro se alimentan a un reactor de recuperación de S donde ocurre la siguiente reacción:

2 H2S + SO2 3S + H2O Se ajustan los flujos de manera que la relación de

H2S y SO2 en la alimentación combinada sea siempre estequiométrica si la primera corriente contiene 85% molar de H2S y entra a la unidad con un flujo de 400 moles/h. ¿Cual es el flujo molar de SO2?

Exprese los resultados en su equivalente másico en

kg/h, g/h, lbm/h.


Balances Taller 6

100 mol/min de C2H6 son alimentados a un

incinerador, especifique la corriente del proceso.


Balances, Taller 7

La alimentación de un reactor de síntesis de amoniaco contiene 25% mol de N2 y el resto de H2. El flujo de la corriente es 3000 kg/h. Calcular el flujo de alimentación de N2 al reactor en kg.


Balances, Taller 8

Una mezcla de metano y etano contiene 30% peso

de etano.

a) ¿cuáles son las fracciones masa de cada especie?

b) ¿cuánto metano hay en 200 Kg de la mezcla.

c) ¿cuál debe ser el flujo de la mezcla para que el flujo másico del etano sea 75 lb/s?


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