Mtodo. En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los pasos que se sealan a continuacin : 1.- Interpretar adecuadamente el enunciado del problema. 2.- Dibujar un diagrama de flujo 3.- Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos. 4.- Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operacin. 5.- Seleccionar una base sencilla para los clculos. 6.- Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado. Tcnicas de solucin. Enlazando con el mtodo anterior se seguiran los pasos siguientes : 7.- Desarrollar un balance de materias parcial o total 8.- Resolucin del sistema de ecuaciones. 9.- Comprobar que la solucin es lgica y no hay errores. Balance de masa y energa

Ejemplo. Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composicin de los humos en % base seca. CO2H2ON2O21 Kmol CH4Aire (79% N2, 21% O2)

Balance de Energa

Etapas en el desarrollo de un balance1.Determinar la temperatura de referencia2.esquematizar las variaciones de entalpa participantes con flechas que van desde T a la T de referencia3.calcular todos los calores sensibles4.calcular los calores de reaccin a la T de referencia5.sumar tanto calores sensibles como de reaccin6.El resultado corresponde a las prdidas de calor. Un resultado positivo significa prdidas de calor desde el sistema al entorno.

Ejemplo : Considere un horno de calentamiento de barras, como etapa previa al laminado. Se utiliza petrleo y aire para producir los gases calientes los cuales pasan sobre las barras transfirindoles as el calor

Los clculos de entalpas son los siguientes:

HR,298 = H combustin= -(100 kg) (40.000 kJ/kg) = -4 x 106 kJ

de tabla H1400 H298 = 10.120 cal/mol

H barras salida = n (H1400 H298)

H barras salida = 130.000 kg x 103 g mol/55,85 kg x 10.120 cal/g mol x 1 kJ/4.186 cal)= 56,5 x 10 5 kJ

el calor sensible de los gases se calcula considerando el aire requerido en la combustin

base de clculo 1 kg de combustible:

entradaproductosoxgeno requerido

0,85 kg C3,12 kg CO22,34 kg0,14 kg H21,26 kg H2O1,12 kg0,01 kg S0,02 kg SO20,01 kg1,00 kg petrleo4,40 kg gases3,47 kg O2

el aire requerido contendr 11,62 kg de N2. El aire tiene un 25% de exceso, es decir, 0,87 kg ms de O2 y 3,48 kg ms de N2. Finalmente los productos de combustin son:

%pesomoles% volumen3,12 kg CO20,070910,031,26 kg H2O0,079,900,02 kg SO20.00030,00040,87 kg O20.02723,8515,10 kg N20,539376,2120,37 kg0,7077100

Puesto que el anlisis de oxgeno de la salida de gases indica 4,6%O2, esto indica que hay infiltracin de aire al sistema. El anlisis coincidira si se considera 1 kg adicional de aire por mol de petrleo que entra al sistema. As entonces, la cantidad final de gases de salida es 21,37 kg gases/kg de petrleo, entonces:

H gases = 2137 kg x 1,05 kJ/kg K x (1500 K 298 K)= 2.697.100 kJ/h

El balance resulta entonces :-4.000.000 + 565.100 + 2.697.100 = -H prdidas

H prdidas = 737.800 kJ/h

La eficiencia trmica del proceso puede ser medida de distintas maneras. El objetivo del proceso es calentar barras de acero de 298 a1400 K, la Eficiencia debe cuantificar este objetivo. Sin embargo la base de medicin puede variar.

Eficiencia =energa absorbida por el producto x 100energa suministrada

=565.100 x 100= 14,1%4.000.000

Eficiencia=energa que entra prdidas de calor x 100energa que entra

=4x106 0,74 x 106= 81,5%4 x 106

Diagrama de Sankey

Ejemplo: Considerando el ejemplo anterior, examinar que sucede si a travs de un intercambiador de calor se recupera el 50% del calor sensible que se llevan los gases. El intercambiador de calor permitir ingresar precalentado el aire para combustin.

Solucin: El uso de aire precalentado disminuye el consumo de combustible. Si se requiere menos combustible tambin disminuir las necesidades de aire y con ello el volumen de gases de salida. El esquema de balance trmico en este caso queda de la siguiente forma:

El Hbarras es el mismo, y por el momento, asumiremos que Hprdidas no vara, porque las temperaturas involucradas son las mismas. Haire correspondera a 0,5 Hgases , de acuerdo al dato de eficiencia de intercambio. Con la letra F sealaremos el nmero de kg de petrleo.

calor que entra=calor que saleHaireHR,298Hbarras Hprdidas Hgases(0,5)(21,37F)(1,05)(1202) + 40.000F= 565.100 + 737.800 + (1,05)(1202)F = 49,14 kJ de petrleoHgases = 1.325.300 kJ/h

Hrecuperado = 662.650 kJ/h

HR,298 = 1.965.500 kJ/h

El diagrama de Sankey en este caso se modifica a :

El consumo de combustible logra ser disminuido desde 100 a 49,1 kg petrleo/h y la eficiencia aumenta hasta 21%.

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