Resumen de las clases
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
Principio de conservación
de la materia y la energía
Este principio, que constituye la base de todos los
cálculos de balance de materia y energía es una hipótesis ya que nunca se ha
demostrado de manera definitiva, sin embargo, una hipótesis muy sólida, ya que
jamás se ha demostrado experimentalmente su falsedad.
Una expresión precisa del principio de conservación de
la masa y la energía requiere definir cuidadosamente algunos términos:
Finalmente
se entiende que una cantidad se conserva si no puede crearse ni
destruirse.
El principio de conservación de la materia y la energía se reduce a la expresión
En ausencia de reacciones nucleares o velocidades cercanas a la
de la luz, la interconversión entre materia y energía resulta despreciable. Por
lo tanto, puede separarse a la ecuación de conservación en dos expresiones:
BALANCE DE MATERIA
Los cálculos de balance se basan en los principios de conservación de la materia y la energía; y sirven para determinar los flujos, composiciones y temperaturas de todas las corrientes en un diagrama de flujos, contando con información específica o supuesta sobre el funcionamiento de algunos equipos de proceso o las propiedades de algunas corrientes.
Sistema
Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o la
totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis.
Múltiples sistemas (o
subsistemas)
Para diseñar sistemas integrados por unidades múltiples se debe conocer las corrientes de entrada y salida de toda la planta, así como los flujos y componentes de todas las corrientes internas que conectan a las diversas unidades.
A las ecuaciones de balance expresadas para todo el proceso se
les llama balances globales o balances generales. Los balances expresados para
cada unidad se conocen como balance de unidad o balance por subsistema.
Clasificación de los
procesos
Un proceso industrial puede clasificarse
fundamentalmente en dos grupos:
Los procesos anteriores
suelen combinarse para dar procesos semicontinuos.
EL MOL
Un mol es un cierto número de moléculas, átomos, electrones u otro tipo de partículas.
LA ESTEQUIOMETRÍA
Se ocupa de la combinación de elementos y compuestos. Las
relaciones que se obtienen de los coeficientes numéricos de la ecuación química
son los cocientes estequiométricos que
nos permiten calcular los moles de una sustancia en relación con los moles de otra
sustancia que interviene en la ecuación.
LA CANTIDAD REQUERIDA
DE REACTIVO
REACTIVO EN EXCESO
Es un reactivo que está presente en exceso del reactivo
limitante. El porcentaje de exceso de un reactivo se basa en la cantidad del
reactivo en exceso por encima de la cantidad requerida para reaccionar con el
reactivo limitante según la ecuación química, o sea:
Donde los moles en exceso con frecuencia
se pueden calcular como los moles totales disponibles de un reactivo menos los
moles requeridos para reaccionar con el reactivo limitante.
GASES DE CHIMENEA O
GASES RESIDUALES DE LA COMBUBUSTIÓN
Todos los gases que resultan de un proceso de combustión,
incluido el vapor de agua, a veces denominado en base húmeda.
AIRE TEORICO Y AIRE EN
EXCESO
Aire teórico (u oxígeno teórico), es la cantidad de aire (u
oxígeno) que se debe introducir en el proceso para lograr la combustión
completa. Esta cantidad también se conoce como aire (u oxígeno) requerido.
Mientras que Aire en exceso (u oxígeno en exceso), sería la cantidad de aire (u
oxígeno) en exceso de la requerida para una combustión completa según lo calculado
mediante la estequiometria.
La cantidad calculada de aire en exceso no depende de que tantos
materiales quema realmente, sino de lo que puede quemarse.
LA CONVERSIÓN
Es la reacción de la alimentación o de algún material clave de
la alimentación que se convierte en productos
La conversión tiene que ver con el grado de conversión de una
reacción, que por lo regular es el porcentaje o fracción del reactivo limitante
que se convierte en productos
CONVERSION EN PROCESOS
CON REACCION QUIMICA
EJERCICIO
Si se mezclan 300 lb de LiH con 1000 lb
de BCL₃ y se recuperan 45 lb
de B₂H₆. Determinar:
a) El reactivo limitante u el reactivo en exceso
b) El porcentaje en exceso
La relación anterior demuestra que el reactivo en exceso es el
b) Se calcula ahora el porcentaje en exceso sobre la base de 1
mol de reactivo limitante.
RECICLAJE
· Un flujo de reciclaje denota un flujo de proceso que devuelve material desde un punto corriente debajo de la unidad de proceso a dicha unidad o a una unidad situada corriente arriba de esa unidad.
· Una purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de reciclaje.
En función del tipo de industria y el nivel técnico de la unidad productiva se pueden presentar diversas condiciones para los balances de masa El Ingeniero en Procesos debe estar preparado para resolver cualquiera de las siguientes condiciones:
NOMENCLATURA
Ejercicio de Balance Simple
Se llama sedimentos o lodos a los sólidos húmedos que resultan del procesamiento de las aguas residuales municipales. Los lodos deben secarse antes de convertirse en composta o de someterse a algún otro tratamiento. Si un lodo que contiene 70% de agua y 30% de sólidos se pasa por un secador y el producto resultante contiene 25% de agua, ¿cuánta agua se evaporara por cada tonelada de lodos que se envía al secador?
1. Objeto:
Determinar la cantidad de agua evaporada por cada tonelada de lodos que se envía al secador.
2. Esquema:
Retomamos la ecuación resaltada en amarillo y reemplazamos la variable encontrada.
La cantidad de agua evaporada por cada tonelada de lodos que se envía al secador es de 600 Kg.
Instrumentación y control de procesos industriales
Sistema
de Control Automático
Es una
interconexión de elementos que forman una configuración denominada sistema, de
tal manera que el arreglo resultante es capaz de controlarse por sí mismo
Ejemplo #1
Ejemplo #2
Considérese un
intercambiador de calor en el cual la corriente en proceso se calienta mediante
vapor de condensación, como se ilustra en la figura. El calor que se libera es
el calor latente en la condensación del vapor.
También es
importante conocer los cuatro componentes básicos de todo sistema de control,
éstos son:
La importancia
de estos componentes estriba en que realizan las tres operaciones básicas que
deben estar presentes en todo sistema de control estas operaciones son:
Estas tres
operaciones, M, D y A son obligatorias para todo sistema de control En algunos
sistemas, la toma de decisión es sencilla, mientras que en otros es más compleja.
TERMINOS IMPORTANTES
Variable
controlada.- Hace referencia a la variable que se debe mantener o controlar
dentro de algún valor deseado.
Punto de control.-
Es el valor que se desea que tenga la variable controlada.
La variable
manipulada.- Es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada
en el punto de control (punto de fijación o de régimen)
Cualquier
variable que ocasiona que la variable de control se desvíe del punto de control
se define como perturbación o trastorno.
PRINCIPALES RAZONES PARA EL CONTROL DE PROCESO
Podríamos definir
al control automático de proceso como una manera de mantener la variable
controlada en el punto de control, a pesar de las perturbaciones Es conveniente
enumerar algunas de las razones por las cuales esto es importante.
Balance de Energía en los
procesos industriales
El ingeniero industrial recurre
a los balances de energía de la misma manera que recurre al balance de materia
porque se describen para explicar los flujos de masa que entran y salen del
proceso y de sus unidades.
La energía total de un sistema
tiene tres componentes
BALANCE DE ENERGÍA EN
SISTEMAS CERRADOS
Es posible escribir el balance
de energía para un sistema cerrado entre dos instantes dados como:
acumulación = entrada - salida
La forma básica de la primera ley de la
termodinámica para un sistema cerrado seria:
Al aplicar esta fórmula a un proceso dado,
debe tener en cuenta los siguientes puntos:
BALANCE DE ENERGIA EN SISTEMAS ABIERTOS
a)
La primera ley de
la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma:
Entrada = salida
a)
La primera ley de
la termodinámica para un sistema abierto en estado no estacionario tiene la
forma:
Acumulación = entradas – salidas
EJERCICIO
PRACTICO
A una tobera horizontal entra vapor a 200ºC y 7 bar con una velocidad constante de 60m/s. El vapor sale a una velocidad de 600 m/s y a presión reducida a 1.4 bar. Calcule la temperatura y calidad del vapor de salida.
1. Objeto:
Determinar la temperatura y calidad del vapor de salida
2.
Esquema:
3.
Cálculos:
4.
Conclusión:
La temperatura es de 109.292ºC y la calidad
del vapor de salida es de 98,97%.
INGENIERÍA DE LAS
REACCIONES QUÍMICAS
La ingeniería de las Reacciones Químicas es la síntesis
de todos estos factores con el propósito de diseñar el mejor Reactor Químico.
El diseño de
equipos para las etapas físicas se estudia al tratar las operaciones unitarias.
En esta unidad el interés se centra en la etapa de tratamiento químico de un
proceso.
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NO CATÁLITICAS |
CATÁLICAS |
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HOMOGÉNEAS |
La mayoría de las reacciones
en fase gaseosa |
La mayoría de las reacciones en fase líquida |
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Reacciones
rápidas como la combustión de una llama. |
Reacciones
en sistemas coloidales, reacciones enzimáticas y microbianas. |
||
|
HETEROGÉNEA |
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Quemado
de carbón, tostación de mensa, ataque de sólidos por ácido, absorciones
gas-líquido con reacción, reducción de mena de hierro a mena de acero. |
Síntesis
de amoniaco, oxidación de amoniaco a ácido cítrico, craqueo de petróleo,
oxidación de SO2 a SO3. |
Modelo de contacto: Es cómo fluyen los materiales y cómo
entran en contacto dentro del reactor.
Cinética: Qué tan rápido ocurren las cosas.
Decimos que una reacción
química ha ocurrido cuando un número detectable de moléculas de una o más
especies han perdido su identidad y han asumido una nueva forma por un cambio
en el tipo de número de átomos en el compuesto, o por un cambio en la
estructura.
Hay tres maneras básicas por
las cuales una especie puede perder su identidad química:
La velocidad de reacción es el
número de moles que reaccionan por unidad de tiempo, por unidad de volumen.
|
Para reacciones heterogéneas -rA’ representa el número de moles de A que
reaccionan por unidad de tiempo por unidad de masa de catalizador. |
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La ley de la velocidad de una reacción química define a rj como la
velocidad de formación de la especie j por unidad de volumen por unidad de
tiempo; La ecuación de velocidad es independiente del tipo de reactor, por
ejemplo intermitente o de flujo continuo. |
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EJERCICIO PRÁCTICO
Un ser humano (75kg) consume
alrededor de 6000 kJ de comida al día. Suponer que todo el alimento es glucosa
y que la reacción global es:
Calcular la velocidad del
metabolismo de la persona (la velocidad de vivir, amar y reír) en términos de
los moles de oxígeno consumidos por m3 de la persona por segundo.
1.
Objeto:
Determinar -ro2
2.
Esquema:
3.
Cálculos:
4. Conclusión
La velocidad del metabolismo de la persona es de
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