balance de materia

QMC 245
UNIDAD Nº 1
BALANCE DE MATERIA
En las industrias de procesos químicos y físicos, así como en las de procesos biológicos y de
alimentos, existen muchas semejanzas en cuanto ala forma en que los materiales de entrada o
de alimentación se modifican o se procesan para obtener los materiales finales de productos
químicos o biológicos. Es posible considerar estos procesos químicos, físicos o biológicos,
aparentemente distintos y clasificarlos en una serie de etapas individuales y diferentes
llamadas operaciones unitarias. Estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de
industrias de proceso.
CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS
1. Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de
cualquier fluido de un punto a otro.
2. Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que
gobiernan la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.
3. Evaporación. Este es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la
evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal
o cualquier otro tipo de material en solución.
4. Secado. Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.
5. Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de la
ebullición basada en las diferencias de presiones de vapor.
6. Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por
tratamiento con un líquido.
7. Separación de membrana. Este proceso implica separar un soluto de un fluido
mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de una
membrana semipermeable a otro fluido.
8. Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se separa
poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en
la solución.
9. Adsorción. En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es
retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.
10. Extracción sólido-líquido. Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido
con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.
11. Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por
precipitación de dicho soluto.
12. Separaciones físico-mecánicas. Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por
medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que
por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.
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SISTEMA DE UNIDADES
Masa
Longitud
Tiempo
Temperatura
Fuerza
Trabajo, energía
Potencia
Presión
Sistema internacional (SI)
kilogramo
metro
segundo
kelvin
Newton
Joule
Watts
Pascal (N/m2)
Sistema inglés
libra
Pie
segundo
o
Rankine
Libra fuerza
Btu
hp
Lbf/pulg2
VARIABLES DE PROCESO
Dentro de una planta química se desarrollan en general operaciones unitarias y procesos
químicos según ocurran solo cambios físicos o cambios químicos respectivamente.
La unificación de todos ellos constituye la llamada unidad de proceso.
VOLUMEN ESPECIFICO
Se denomina por la letra (v) y puede definirse como el volumen por unidad de masa. Se
expresa generalmente en m3/kg, pie3/lb, etc.
El inverso del volumen específico corresponde a la densidad.
TEMPERATURA
Existen dos escalas de temperatura comunes en las industrias química y biológica. Ellas son oF
y oC. Es muy frecuente que se necesite obtener valores equivalentes de una escala a la otra.
Ambas usan el punto de congelación y el punto de ebullición del agua a 1 atmósfera como
patrones. Para convertir de una escala a otra pueden usarse las siguientes ecuaciones:
o
o
F = 32 + 1.8oC
C = 1/1.8(oF – 32)
o
R = oF + 460
K = oC + 273
o
o
C/oF = 1.8
R = 1.8 (K)
K/oR = 1.8
Para convertir una diferencia de temperaturas puede utilizarse:
∆oR = ∆K * 1.8
∆oF = ∆oC * 1.8
∆o R = ∆ o F
∆K = ∆oC
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COMPOSICION DE MEZCLAS
a) Porcentaje en peso. El porcentaje en peso de cada componente se obtiene dividiendo
su peso respectivo por el peso total del sistema y multiplicado por 100
b) Fracción en masa. La masa dividida por la masa total corresponde a la fracción e masa
y se representará por la letra “w”
c) Fracción molar. Es el número de moles de i dividido por el número total de moles
GASES IDEALES
Un gas ideal se define como aquel que obedece a leyes simples. Además las moléculas
gaseosas de un gas ideal se consideran como esferas rígidas que no ocupan volumen por si
mismas y que no se afectan mutuamente. Reuniendo las expresiones correspondientes a las
leyes de los gases ideales se tiene
Si la ecuación anterior se usa para referir el estado actual de un gas representado por (P, V, T)
con el estado normal representado por (Po, Vo, To), se tiene la constante universal de los
gases (R) entonces se tiene PV = nRT la ecuación de estado de los gases.
MEZCLAS DE GASES IDEALES
En una mezcla de gases ideales las moléculas de cada gas se comportan como si estuvieran
solas, ocupan todo el volumen y contribuyen con su presión a la presión total ejercida.
Presión parcial. Es la presión que ejercería un componente si estuviera solo en el mismo
volumen y a igual temperatura que la mezcla
Volumen de componente puro. Es el volumen que ocuparía este gas si sólo él estuviera
presente a la misma temperatura y presión de la mezcla.
LEYES DE DALTON Y AMAGAT
La primera de éstas establece que la presión total ejercida por una mezcla gaseosa es igual a la
suma de las presiones parciales de cada gas, si éste ocupa el volumen total de la mezcla a la
temperatura de la mezcla.
La segunda ley establece que el volumen total ocupado por una mezcla gaseosa es igual a la
suma de los volúmenes de componente puro de cada gas, si cada uno existiera a la presión y la
temperatura de la mezcla.
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CONSERVACION DE LA MASA Y BALANCES DE MATERIA
CONSERVACION DE LA MASA
Una de las leyes básicas de física es la ley de la conservación de la masa. Esta ley, expresada en
forma simple, enuncia que la masa no puede crearse ni destruirse. Por consiguiente, la masa
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
Cuando se trata de régi8men estable o estacionario el valor de la masa acumulada es cero.
BALANCE DE MATERIA
Un balance de materia para un proceso industrial es la contabilidad exacta de los materiales
que intervienen en el mismo, constituyendo así la más amplia aplicación de la ley de la
conservación de la masa
RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA SOLUCION DE PROBLEMAS
Para resolver un problema de balance de materia es aconsejable proceder mediante una serie
de etapas definidas:
1.
Trácese un diagrama simple de proceso. Este puede ser diagrama de bloques que
muestre simplemente la corriente de entrada con una flecha apuntando hacia dentro y
la corriente de salida con una flecha apuntando hacia fuera. Incluir en cada flecha
composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente.
2. Escribir las reacciones químicas involucradas (si las hay)
3. Seleccionar una base para el cálculo. En la mayoría de los casos, el problema concierne
a la cantidad específica de una de las corrientes del proceso, que es la que se
selecciona como base.
4. Proceder al balance de materia. Las flechas hacia dentro del proceso significarán
entradas y las que están hacia fuera, salidas. El balance puede ser un balance total de
material o un balance de cada componente presente.
BASE DE CALCULO
Normalmente, todos los cálculos relacionados con un problema dado se establecen con
respecto a una cantidad específica de una de las corrientes de materiales que entran o salen
del proceso. Esta cantidad de materia se designa como base de cálculo y se deberá establecer
específicamente como primera etapa en la solución del problema. Con frecuencia el
planteamiento del problema lleva consigo la base de cálculo.
Cuando se conoce la composición en peso de una mezcla se recomienda tomar una base de
100 unidades de masa o peso, ejemplo: 100 g, 100 kg, 100 lb. Si por el contrario se conoce la
composición molar de la mezcla la recomendación es tomar 100 unidades molares de la
mezcla, ejemplo: 100 g-mol, 100 kg-mol, 100 lb-mol.
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REACTIVOS LIMITANTES Y EN EXCESO, FRACCION DE CONVERSION
Se dice que dos reactivos Ay B están presentes en proporciones estequiométricas cuando la
relación (moles de A presentes)/(moles de B presentes) es igual a la relación estequiométrica
obtenida de la ecuación balanceada de la reacción.
Cuando se alimenta, un reactor químico con reactivos en proporciones estequiométricas y la
reacción procede hasta su terminación, se consumen todos los reactivos. Pero si un reactivo se
agota cuando una reacción procede hasta completarse se llama reactivo límite y los demás
reactivos se llaman reactivos en exceso. Un reactivo es limitante cuando está presente en una
proporción menor a la estequiométrica en relación con los demás reactivos.
La fracción en exceso de un reactivo es la relación entre el exceso y el requerimiento
estequiométrico. El porcentaje en exceso de un reactivo es la fracción en exceso multiplicada
por 100.
Las reacciones químicas no se llevan a cabo de manera instantánea y a menudo proceden con
bastante lentitud. En estos casos no es práctico diseñar un reactor para la conversión total del
reactivo límite, en vez de ello, el efluente del reactor emerge con algo del reactivo limitante
que aún queda y por lo general se le somete a un proceso de separación para retirar el
reactivo no transformado del producto. La fracción de conversión de un reactivo es la relación
de moles que reaccionaron/ moles alimentados.
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