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BALANCES DE MATERIA
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Cuando se diseña un nuevo proceso o cuando se
analiza uno ya existente, es necesario tener en cuenta
las restricciones impuestas por la naturaleza.
Por ejemplo, si en un reactor se queman 8 kg de azufre,
no podemos esperar que en los gases de combustión
haya 15 kg de azufre ya que se violaría el principio de
conservación de la materia que nos dice que la materia
no puede ser creada ni destruida en un proceso físico o
químico
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Las leyes de conservación ocupan un lugar muy
importante en la ciencia y en la ingeniería. Los enunciados
comunes de estas leyes toman la forma de "la masa (ó
energía) no se crea ni se destruye" ó "la masa (o energía)
de cualquier sistema aislado permanece constante.
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Por qué es necesario estudiar balances de materia?
En las industrias de procesos, los balances de materia
auxilian en la evaluación económica de procesos
propuestos o existentes, en el control de procesos y en la
optimización de los mismos. Por ejemplo, en la extracción
del aceite de soja a partir de los granos de soja, se podría
calcular la cantidad de solvente requerido por tonelada de
soja o el tiempo necesario para llenar el filtro prensa y
valerse de esta información en el diseño del equipo o en la
evaluación económica del proceso.
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PRINCIPIO DE CONSERVACION DE MASA Y ENERGIA
“La suma de la masa (M) y la energía (E) de un sistema
aislado no puede crearse ni destruirse, sólo
transformarse”.
El balance de materia no es otra cosa que un conteo de
flujo y cambio de masa en el inventario de materiales de
un sistema.(Volumen de control)
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Suponga que el metano es un componente tanto de la corriente de
ingreso como de la corriente de salida de un proceso continuo y que
para verificar si la unidad está trabajando según las condiciones de
diseño, se miden los flujos másicos de metano en las dos corrientes
y se encuentra que las mismas son diferentes
(m'input, CH4 ≠ 'output, CH4)
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Pueden existir varias explicaciones para que los flujos másicos de
metano observados sean diferentes:
1. El metano se consume como un reactivo o se genera como
producto, es decir en la unidad ocurre una reacción química
2. El metano se acumula en la unidad, posiblemente es adsorbido
por las paredes
3. El metano está escapando de la unidad (fugas o pérdidas porque
no hay una buena hermeticidad)
4. Las medidas no son correctas
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Un balance sobre una cantidad conservable (masa
total, masa de un componente, energía o momento) en
un sistema (proceso único, serie de unidades o
procesos o el total de un proceso) puede ser escrito de
manera general de la siguiente manera:
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Velocidad de
Flujo a la
Entrada
Velocidad
de Flujo a la
Salida
Volumen de control
Superficie de control
(Frontera)
Velocidad de
Acumulación
Velocidad de
Generación
dt
dMvvv generacionsalidaentrada
si
0dt
dM
Régimen estacionario
si
0dt
dM
Régimen NO estacionario
Sin reacción química
Vo
Qo
Qs so QQ so QQ
Régimen estacionario Régimen NO estacionario
dt
dMvvv i
generacionisalidaientradai ___
PARA MEZCLAS DE i COMPONENTES
Método de resolución de balances de materia:
• Trazar el diagrama de flujo o “flowsheet”
• Hacer un dibujo, indicando los límites del sistema, los flujos que entran y salen. Identificar los flujos con un número o una letra.
• Seleccionar una base de cálculo
• Elegir el valor de uno de los flujos y calcular los demás en función de éste. A veces resulta conveniente asignar un valor arbitrario a uno de los flujos para usarlo como base hipotética, por ejemplo: 100 kg o 100 moles.
• Establecer las ecuaciones de balance de materia
• Hacer el balance total y los balances por componentes, para el sistema total y para cada etapa.
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Balances etapa por etapa
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Balance Global
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Tipos de configuraciones de flujo:
Flujos de recirculación
Recirculación > retornar parte de los flujos de salida del
proceso y mezclarlo con los de entrada.
¿Para qué?
-Recuperar energía
- Aumentar la calidad de un producto (logar que salga
más concentrado en alguno de los componentes)
-Recuperar reactantes sin transformar
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Flujos con purga
En ocasiones es conveniente eliminar del proceso
una proporción de material, para mantener
controlada la acumulación de impurezas.
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Flujos en derivación o “by pass”
Consiste en separar parte de la alimentación fresca, y
mezclarla con los productos, sin pasar por el
proceso. Esto permite controlar la concentración o
temperatura del producto.
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Ejemplo
Una mezcla líquida, de composición molar 20% N2, 30%
CO2 y 50% O2, se separa en una columna de destilación,
dando un flujo de cabeza (N2 y CO2) y un flujo de cola
(2,5% N2, 35% CO2, y O2). Este flujo alimenta una segunda
columna destiladora, dando un producto de cabeza con 8%
N2, 72% CO2 y 20% O2, y un producto de cola (CO2 y O2).
Para una alimentación de 1000 mol/hora a la primera
columna, calcule los flujos y composiciones restantes.
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EJEMPLO
Un tanque contiene 400 litros de salmuera con 16 kg. de sal disueltos. Se introduce agua con un caudal de 8 lts/min. y sale del recipiente salmuera con el mismo caudal. En qué tiempo la concentración de sal alcanzará los 0.02 kg/lt?.
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Vo=400 litros
16 kg sal
Qo=8 lts/min
Qs=8 lts/min
Cs= 0.02 kg/lt
t= ? min
Volumen de control
