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ALCIRA SOCARRÁS CÁRDENAS FEBRERO 2016
Balance de materia
Clasifcaciónde los sistemas
biertos: INTERCAMBIAmateria con los alrededoresCerrados: NO INTERCAMBIAmateria con los alrededores
diabáticos: NO INTERCAMBIAcalor con los alrededores Aislados: NO INTERCAMBIAma
Proceso:Es cualquier operación que in olucra un ca!"io qu#!ico $#sico% qu#!ico o$#sico&qu#!ico en un !a'erial o !e(cla )e !a'eriales*
Ali!en'ación+a'eria ,ri!a PROCESO
,ro)uc'os )esea)os- secun)arios
Sistema: ,orción )el uni erso a es'u)iar* Can'i)a) )e !a'eria $i.a so"re la cual seen$oca la a'ención )e es'u)io*Alrededores:/o)o lo que es' $uera )el sis'e!a*Frontera: L#!i'e i!a inario o real que separa el SIS/E+A )e los ALREDEDORES*
Ejemplos:Abiertos: Cerrados: Adiabáticos: Aislados:
2
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Balance de materiaClasi$icación )e los procesos
Tipo de Clasificación Clasificación Definición
•In'er!i'en'esBA/C3% por
car a4
Se ali!en'an los!a'eriales
Se re'iran los pro)uc'os
Se 5n la $or!a )eALI+EN/AR -RE/IRAR los •Con'inuo
!a'eriales
INICIO
Flujode
Alimentación
TRANSFORMACIÓN FINFlu joDe
Productos
Constante Constante
•Se!i&Con'inuo
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Balance de materiaClasi$icación )e los procesos
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Ti o de Clasificació DefinicióClasificación
Se 5n las
•Es'acionario
Las aria"les que )e$inen NO CA+BIAN con respec'o al 'ie!po*
CONDICIONES)e ,roceso
• NoEs'acionar io
Al una )e las aria"les en el proceso CA+BIAN con respec'o al 'ie!po*
,rocesos )e se aración $#sica Des'ilación A"sorción A)sorciónSe 5n laIn enier
#a7u#!ica
•Separación 3u!i)i$icación% Fil'ración% +e(cla)o% Li8i iación% Seca)o%Cris'ali(ación% /a!i(a)o% en're o'ras*
•Reac'i os,rocesos con reacción qu#!ica Reac'ores Discon'inuos% Reac'oresCon'inuos% Reac'ores I)eales% no I)eales% Reac'ores Ca'al#'icos%3o!o 9neos o :e'ero 9neos% Reac'ores !ono$ sicos% !ul'i$ sicos*
!
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Balance de materiaEC;ACI<N DE BALANCE DE +A/ERIA
“La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”
“La cantidad de materia del Uni erso es constante”Matemáticamente estosi"nifca #$e:
dmUNIVERSO = 0dt%ero
como:
UNIVERSO = SISTEMA + ALREDEDORES
&$ede entonces#$e:
dmSISTEMA
dt+ dm ALREDEDORES =
0 dt
No C$mpleRa'ón decambio
Entonces( la razón de cam io de materia en elsistema se debe a:
=Flu.o )e !a'erial queentra al sis'e!a=Flu.o )e !a'erial quesale )el sis'e!a=+a'erial que seconsume reac'i os4 en la reacción qu#!ica enca)a ins'an'e=+a'erial que seproduce pro)uc'os4 en la reacción qu#!ica enca)a ins'an'e
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Balance de materiaEC;ACI<N DE BALANCE DE +A/ERIA
SISTEMA
Fe Fs
Si a lara!ón de cam"io )e !a'eria en el sis'e!a la lla!a!os ACU#ULAC$%&%en'onces% la ecuación eneral )e "alance )e !a'eria pue)e escri"irse co!o
)
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ENTRADA ! "ENERACIÓN # CONS$MO # SA%IDA & AC$M$%ACIÓN%ara $n sistema( la ec$ación #$edará:
F'F() )Fn
SISTEMAFn!'
Fm#() )F*
*imasa o moles
tiempo
n m m
Entradas + ,eneración + - Cons$mo+ +./+./+./
p
+ n0/
m
1alida + . Ac$m$lación+./
* i
,i CON13MO1 de i
Ci * i
ENTRA4A1 ,ENERACIONE1 de i 1A5I4A1
6 dm i
dt
D n)ole $or!a !a'e! 'ica a la e8presión an'erior
/o!an)o en cuen'a que la can'i)a) o $lu.o )el co!pues'o i en una corrien'e es>? corrien'e
i? co!pues'o
Don)e F' i? Can'i)a) ó $lu.o ! sico o !olar4 )el co!pues'o i en la corrien'e F> ( ' i? Co!posición )el co!pues'o i en la corrien'e F> 7
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F' ? can'i)a) o $lu.o ! sico o !olar4 )e la corrien'e F>
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)*i ? @eneración )el co!pues'o i en la reacción .C*i? Consu!o )el co!pues'o i en la reacción .
Ai? Acu!ulación )el co!pues'o i
Tipos de +alances de #ateria+alance de #ateria Total m-sico.
F + ( @eneraciones− Consu!os )− F = )! SIS/E+A
∑ i ∑ ∑i= 1
∑ ii = ! + 1
EN/RADAS SALIDAS
+alance de #ateria por componente m-sico.n n
∑ 8i i=1
∗Fi+ (∑ @eneración
i − ∑ Consu!o
i )− ∑ 8i i=1
∗ Fi = )! i)/
EN/RADAS
+alance de #ateria Total molar.()
SALIDAS
n )n∑ i ∑ ∑ ∑ i
F + @eneraciones− Consu!os − F =i=1 i=! +1
SIS/E+A
)/EN/RADAS
+alance de #ateria por componente molar.n
SALIDAS
n- ∗ F + (
n!
)/
!
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Consu!o )−- ∗ F = )n i
∑ i i ∑i=1
i ∑ i ∑ ii=1
i )/EN/RADAS SALIDAS 8
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ENTRADAS ! "ENERACIONES + CONS$MOS + SA%IDAS & AC$M$%ACIONES
ENTRADAS ! "ENERACIONES + CONS$MOS + SA%IDAS & ,Como no ocurren reacciones -u.micas / entonces0
ENTRADAS ! , + , + SA%IDAS & ,
ENTRADAS & SA%IDAS
Balance de materiaConsideraciones en el +alance de #ateria
Si el proceso es en/stado /stacionario
0esultando entonces la ecuación:
/strate1ias para resol er pro"lemas de +alance de #ateria'1 ENTIENDA claramente el Pro lema
9 5ea el %roblema detenidamente9 Responda pre"$ntas como:; <&$= tipo de proceso es>; <C$ál es fnalidad del proceso>; <?a@ reacción #$ mica>; <&$= s$stancias entran @ c$ales salen>
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Represente el proceso en $n 4ia"rama #$e incl$@a:999
Todas las 3nidades de %rocesoCada corriente4efna el 1istema por medio de $na *rontera
PROCESO
Balance de materiaConsideraciones en el +alance de #ateria
(1 DI2$3E un Dia4rama de Flujo0
51 ETI6$ETE el Dia4rama de Flujo0Rot$le con s mbolos sobre el 4ia"rama:
9 5as ariables conocidas: D$jos @ composición: *i( ( iA9 5as ariables desconocidas: D$jos @ composición: *i( ( iA9 InFormación adicional del %roceso como Ec$aciones9 E prese los datos o relaciones
proporcionadas por el problema a traG=sde ec$aciones matemáticas
F ' & ',,7489
A0 :, ;
<m8m1 2 0
:,;<m8m
1
OCESO
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Balance de materiaConsideraciones en el +alance de #ateria
A 0 =( A & =
2 0 = ( 2 & ' # =Relación dada0
F
1F3
kg
A0 >?/( ; <m8m1 H20'/? ; <m8m1
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2. /sco*a una +AS/ D/ C3LCUL4 :
= Es'a Base )e C lculo sie!pre ser una ARIABLE E /ENSI A*= ,ara encon'rar los $lu.os reales )e un Balance )e +a'eria se requiere al !enos unaaria"le e8'ensi a% en caso con'rario solo se po)r n encon'rar aria"les in'ensi as'e!pera'ura% presión% co!posición% en're o'ras4*
= Se pue)e u'ili(ar una Base )e C lculo )i$eren'e a la su!inis'ra)a por el pro"le!a -una e( resuel'o 9s'e% se )e"en corre ir los alores )e los $lu.os )e ca)a corrien'e!e)ian'e un $ac'or )e escala*
+p: alor )el Flu.o en la Base ,e)i)aC-lculo del Factor de/scala
FE = Bp
Bc+c : alor )el Flu.o en la Base u'ili(a)a para los c lculosA!"as Bp - Bc )e"en per'enecer a la !is!a corrien'e*
567Formular ecuaciones de "alance independientes867 Traducir cual9uierinformación adicionala ecuaciones
677DD eetteerrmmiinn ee elementos de ccoorrrreellaacciióónn o inculantes
;67<omo1enei!ar las unidades= /rans$or!e los )a'os en OL;+EN a +ASA ó +OLES a 'ra 9s )e la )ensi)a)
= /rans$or!e 'o)os los )a'os a un solo 'ipo )e !a ni'u) !asa o !oles4 en ;ni)a)es )e un!is!o Sis'e!a
=67 Cuando sea necesariocam"iar la "ase /
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Balance de materiaTa"la de +alance de #ateria
Los Balances )e +a'eria pue)en ser presen'a)os en una /a"la que po)r#a 'ener si uien'e $or!a
Descripción Componente A Componente + Componente C Componente D/ntraConsumeFormaSale
E.e!ploSupon a!os un proceso de separación sencillo% enestado estacionario Acu!ulación ? 04% )on)e par'icipan'res sus'ancias A, + y C* Se ali!en'anF> masa.)e una !e(cla )e las 'res sus'ancias% con una co!posición! sica ? >A, ?>+, y ? >C respec'i a!en'e* /o)os los $lu.os )e sali)a F@y F . son ! sicos*
Los Flu.os !olares es' n relaciona)os con losFlu.os ! sicos por
*/ JmolarK .*/ JmásicoKLMM/*2JmolarK .*2JmásicoKLMM2* JmolarK .* JmásicoKLMM
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Balance de materiaTa"la de +alance de #ateria
Don)e ++1% ++2 - ++ son las !asas !olares pro!e)io )e los $lu.o F1% F2 - F respec'i a!en'e/
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Ejemplo:;na !e(cla que con'iene Benceno - /olueno en peso4 se ali!en'a a una 'orre )e)es'ilación% la corrien'e superior 'iene un concen'ración )el G Benceno !ien'ras que el H )el "enceno que se ali!en'a a la 'orre sale con la corrien'e in$erior* Si el $lu.o )e ali!en'ación es )e2000 J:* Se requiere que para es'e procesoa4 Di"u.e - e'ique'e el )ia ra!a )e $lu.o )el proceso*
"4 De'er!inar el $lu.o )e la corrien'e superior - los $lu.os ! sicos )el Benceno - /olueno en lacorrien'e in$erior
1ol$ción:>67,roceso con'inuo% es'acionario% sin reacción qu#!ica% )e separación@ y 67Di"u.ar - E'ique'ar Des'ila)o pro)uc'o )e ca"e(a4
*2 G Benceno /olueno
)es
F1?2000 J: '
l
Benceno ac /olueno i
ó
n
Resi)uo pro)uc'o )e $$oonn))oo44* B%?0%0HKF1KB%1
/% /2
i
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Entonces: * / - *2-* .*/ . * 20 * J/K
Balance de Materia J%or COMPONENTE MA1ICOKEntrada . 1alida%ara Benceno:
(!) * / . ((HH)) ** 2 0 B * J2K
%ara Tol$eno:()) * / . ( ) * 2 0 T *
@) InFormación adicional:J K
B * . ( !) "L . (7 " BL J!K
1$stit$@endo la ec$ación J!K en la ec$ación J2K obtenemos:(!) * / . (H) * 2 0 (7 "L J)K /
567Balance )e +a'eria /O/AL +ASICO4En'ra)as @eneración M Consu!o M Sali)as ? Acu!ulaciónS us 'i'u-en)o qquuee))aa En'ra)a MS ali)a ? 0
H )el Benceno que se ali!en'a sale en la corrien'e in'erior Benceno ali!en'a)o a la 'orre ? 0% KF1 ?0% K100 J: ? J:
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(!) / "L . (H) * 2 0 (7 +"L .P * 2. ! () "L1$stit$@endo el Galor en la ec$ación J/K obtenemos el Galor de * * . / "L - ! ()
Sus'i'u-en)o los alores )e F1 100 J:4 en ecuación 4
,ara calcular la co!posición )e 'olueno en la corrien'e in$erior se u'ili(a la ecuación 4
0% KF = 0%0 K F+ K F→
= 0% K100 J: & 0%0 K% H J:
= 0%G 62
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/ 2 T T )7(!2 "LE5 %ROB5EMA IN4ICA &3E 5A A5IMENTACIQN E1 4E 2 "L por lo tanto es necesari
cambiar de base
/B/0C$C$4 P04PU/ST4:Un proceso de Destilación
Se )es'ilan 100 > J: )e una !e(cla que con'iene par'es i uales )e E'anol - A ua en !asa* La eloci)a) )e$lu.o )e pro)uc'o en el 'ope es )e H%H > J: - el resi)uo )e la )es'ilación con'iene %11 )e E'anol en !asa,ara es'e procesoa4Di"u.e - e'ique'e el )ia ra!a )e $lu.o )el proceso* "4Calcule la co!posición ! sica )el pro)uc'o en el 'ope*
/!
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