UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA. Ingeniería Química

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICERRECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Ingenería Químca Undad I. Balance de matera sn reaccón químca Clase Nº3 Autor: Prof. Ing. Juan E. Rodríguez C 1

2 Undad I: Balances de matera sn Reaccón Químca ÍNDICE Proceso, Sstema, Alrededores y Frontera Clasfcacón de los procesos Según la forma de almentacón Según las condcones de proceso Según la Ingenería Químca Ecuacón de Balance de matera Para qué nos va a servr los balances? Estrategas para resolver problemas de Balance de Matera Tpos de dagramas de procesos Dagrama de flujo en Bloque (DFB) Ejemplos de balance de matera en una sola etapa Ejerccos propuesto para esta clase 2

3 Proceso: Es cualquer operacón que nvolucra un cambo químco físco, químco o físco-químco en un materal o mezcla de materales. Almentacón Matera Prma PROCESO Productos deseados y secundaros Sstema: Porcón del unverso a estudar. Cantdad de matera fja sobre la cual se enfoca la atencón de estudo. Alrededores: Todo lo que está fuera del sstema. Frontera: Límte magnaro o real que separa el SISTEMA de los ALREDEDORES. Clasfcacón de los sstemas Abertos: INTERCAMBIA matera con los alrededores Cerrados: NO INTERCAMBIA matera con los alrededores Adabátcos: NO INTERCAMBIA calor con los alrededores Aslados: NO INTERCAMBIA masa n calor con los alrededores Ejemplos: Abertos: Cerrados: Adabátcos: Aslados: Atrás 3

4 Clasfcacón de los procesos Tpo de Clasfcacón Clasfcacón Defncón Intermtentes (BATCH, por carga) Se almentan los materales Se retran los productos INICIO TRANSFORMACIÓN FIN Según la forma de ALIMENTAR y RETIRAR los materales Contnuo Flujo de Almentacón Constante Flujo De Productos Constante Sem-Contnuo 4

5 Clasfcacón de los procesos Contnuos: Característcas Prncpales Condcones de operacón estaconaras Gran escala de produccón Cada equpo realza una operacón especfca Caldad de producto constante Velocdad de produccón constante Alta automatzacón Poca mano de obra Dscontnuos: Característcas Prncpales Funconamento ntermtente Cclo de operacón Pequeña escala de produccón Plantas flexbles, multpropósto Grandes tempos de procesamento o resdenca Reaccones lentas Productos que ensucan o corroen los equpos Mucha mano de obra Producto de alto valor agregado Condcones de control muy estrctas Atrás 5

6 Tpo de Clasfcacón Balance de matera sn Reaccón Químca Clasfcacón Estaconaro Clasfcacón de los procesos Defncón Las varables que defnen NO CAMBIAN con respecto al tempo. Según las CONDICIONES de Proceso Alguna de las varables en el proceso CAMBIAN con respecto al tempo. No Estaconaro Según la Ingenería Químca Separacón Reactvos Procesos de separacón físca: Destlacón, Absorcón, Adsorcón, Humdfcacón, Fltracón, Mezclado, Lxvacón, Secado, Crstalzacón, Tamzado, entre otras. Procesos con reaccón químca: Reactores Dscontnuos, Reactores Contnuos, Reactores Ideales, no Ideales, Reactores Catalítcos, Homogéneos o heterogéneos, Reactores monofáscos, multfáscos. Atrás 6

7 ECUACIÓN DE BALANCE DE MATERIA La matera no se crea n se destruye La cantdad de matera del Unverso es constante Matemátcamente esto sgnfca que: Pero como: Quede entonces que: SISTEMA dm dm UNIVERSO dt ALREDEDORES UNIVERSO SISTEMA dt dm dt 0 ALREDEDORE S 0 No Cumple Razón de cambo Entonces, la razón de cambo de matera en el sstema se debe a: Flujo de materal que entra al sstema Flujo de materal que sale del sstema Materal que se consume (reactvos) en la reaccón químca en cada nstante Materal que se produce (productos) en la reaccón químca en cada nstante Fe SISTEMA Fs S a la razón de cambo de matera en el sstema la llamamos ACUMULACIÓN, entonces, la ecuacón general de balance de matera puede escrbrse como: 7

8 Para un sstema, la ecuacón quedará: ECUACIÓN DE BALANCE DE MATERIA F 1 F 2.. F n SISTEMA F n+1 F m- 2.. F p F masa o moles tempo n k=1 Entradas k m k=1 Generacón k - m k=1 Consumok Dándole forma matemátca a la expresón anteror: F K ENTRADAS p kn+1 Salda k = m k=1 Acumulacón k Tomando en cuenta que la cantdad o flujo del compuesto en una corrente es: F k G C F GENERACIONES de = x k * F k CONSUMOS de k= corrente = compuesto K SALIDAS dm dt Donde: F k = Cantdad ó flujo (másco o molar) del compuesto en la corrente F k x k = Composcón del compuesto en la corrente F k F k = cantdad o flujo (másco o molar) de la corrente F k 8

9 n k=1 x k *F Balance de matera sn Reaccón Químca k r j=1 Gj K j=1 ECUACIÓN DE BALANCE DE MATERIA Cj - f =n+1 x k *F k A Tpos de Balances de Matera Balance de Matera Total (másco) Balance de Matera por componente (másco) n m x F 1 ENTRADAS F 1 ENTRADAS Generacones Generacón Balance de Matera Total (molar) m F 1 ENTRADAS Generacones Consumos Consumo Consumos Gj = Generacón del compuesto en la reaccón j Cj = Consumo del compuesto en la reaccón j A = Acumulacón del compuesto n n F m1 SALIDAS dm dt x F 1 SALIDAS n F m1 SALIDAS SISTEMA dm dt dn dt SISTEMA Balance de Matera por componente (molar) n y F 1 ENTRADAS Generacón Consumo n y F 1 SALIDAS dn dt 9

10 Consderacones en el Balance de Matera de forma Molar ENTRADAS CONSUMOS + FORMACIONES SALIDAS ACUMULACIONES = 0 S el proceso es en Estado Estaconaro 0 ENTRADAS CONSUMOS + FORMACIONES SALIDAS ACUMULACIONES = 0 Entonces, se tene: ENTRADAS CONSUMOS + FORMACIONES SALIDAS = 0 S no ocurren reaccones químcas, entonces: 0 0 ENTRADAS CONSUMOS + FORMACIONES SALIDAS = 0 Resultando entonces la ecuacón: ENTRADAS SALIDAS = 0 Fnalmente ENTRADAS = SALIDAS Atrás 10

11 Para qué nos va a servr los balances? Srven para determnar los flujos, composcones y temperaturas de todas las correntes que ntervenen en el proceso a partr de nformacón específca o supuesta sobre el funconamento de algunos equpos del proceso o de las propedades de algunas correntes. Los balances de matera son la base del dseño de procesos. Un balance de matera sobre un proceso completo determnará las cantdades de materas prmas que se requeren y los productos que se producen. Los balances sobre undades de proceso ndvduales nos dan los flujos de las correntes, sus composcones y temperaturas. Atrás 11

12 Estrategas para resolver problemas de Balance de Matera 1) ENTIENDA claramente el Problema Lea el Problema detendamente. Responda preguntas como: Qué tpo de proceso es? Cuál es fnaldad del proceso? Hay reaccón químca? Qué sustancas entran y cuales salen? 2) DIBUJE un Dagrama de Flujo: Represente el proceso en un Dagrama que ncluya: Todas las Undades de Proceso Cada corrente Defna el Sstema por medo de una Frontera PROCESO 3) ETIQUETE el Dagrama de Flujo: Rotule con símbolos sobre el Dagrama: Las Varables conocdas: flujos y composcón: F,.., x A Las Varables desconocdas: flujos y composcón: F,.., x A Informacón adconal del Proceso como Ecuacones Exprese los datos o relacones proporconadas por el problema a través de ecuacones matemátcas 12

13 Consderacones en el Balance de Matera 4.- Traducr cualquer nformacón adconal a ecuacones F 2 12, kg F kg Homogenezar las undades Transforme los datos en VOLUMEN a MASA ó MOLES a través de la densdad Transforme todos los datos a un solo tpo de magntud (masa o moles) en Undades de un msmo Sstema 6.- Formular ecuacones de balance ndependentes 7.- De ser necesaro seleccone una BASE DE CÁLCULO Esta Base de Cálculo sempre será una VARIABLE EXTENSIVA. Para encontrar los flujos reales de un Balance de Matera se requere al menos una varable extensva, en caso contraro solo se podrán encontrar varables ntensvas (temperatura, presón, composcón, entre otras). 8.- Cuando sea necesaro cambar la base Se puede utlzar una Base de Cálculo dferente a la sumnstrada por el problema y una vez resuelto éste, se deben corregr los valores de los flujos de cada corrente medante un factor de escala. Cálculo del Factor de Escala FE Bp Bc Bp:Valor del Flujo en la Base Pedda Bc :Valor del Flujo en la Base utlzada para los cálculos Ambas Bp y Bc deben pertenecer a la msma corrente. Atrás 13

14 TIPOS DE DIAGRAMAS DE PROCESO 1.- Dagramas de Flujo en Bloque Dagramas de Flujo de Proceso en bloque Dagramas de Flujo de Planta en bloque PROCESO 2.- Dagramas de Flujo de Proceso 3.-Dagramas de Tuberías e Instrumentos Atrás 4.- Otros 14

15 TIPOS DE DIAGRAMAS DE PROCESO Dagramas de Flujo en Bloque 1. Las operacones se muestran medante bloques 2. La mayoría de las líneas de flujo se representan con flechas que van en dreccón del flujo 3. La dreccón del flujo es de zquerda a derecha mentras sea posble 4. Las correntes lgeras (gases) van por el tope mentras que las correntes pesadas (líqudos y sóldos) van por el fondo 5. Se sumnstra úncamente nformacón crítca del proceso 6. S las líneas se cruzan, la línea horzontal es contnua y la vertcal se corta 15

16 Equpos encontrados Dagramas de equpos en Bloque Mezcladores Separadores Instantáneo (Flash) M F M Decantadores (Total) Dvsores Dt D D Decantadores (Parcal) Dp 16

17 Equpos encontrados Calentador (Horno) Columnas H Absorcón (Contracorrente) Intercambador de calor* T E Absorcón (Co-corrente) Columnas Destlacón T T 17

18 Compresores y turbnas Bombas C P Reactores Una entrada Una salda Una entrada Dos saldas R Dos entradas Una salda R R Dos entradas Dos saldas R Atrás 18

19 Ejemplo: Una mezcla que contene 45% Benceno y 55 % Tolueno (en mol) se almenta a una torre de destlacón, la corrente superor tene un concentracón del 95% Benceno mentras que el 8% del benceno que se almenta a la torre sale con la corrente nferor. S el flujo de almentacón es de 200 mol/h. Se requere que para este proceso: a) Dbuje y etquete el dagrama de flujo del proceso. b) Determnar el flujo de la corrente superor, los flujos y composcones molares del Benceno y Tolueno en la corrente nferor c) S la nueva almentacón es de 300 mol/h. Cuáles son los nuevos flujos de los productos? Solucón: 1.- Proceso: contnuo, estaconaro, sn reaccón químca, de separacón 2 y 3.- Dbujar y Etquetar: Destlado (producto de cabeza) F 2 95% Benceno 5% Tolueno F 1 =200mol/h 45% Benceno 55% Tolueno d e s t l a c ó n F 3 Resduo (producto de fondo) F 3.X B,3 =0,08*F 1 *X B,1 X T,3 19

20 Balance de Matera 4.- Informacón adconal: 8% del Benceno que se almenta sale en la corrente nteror Benceno almentado a la torre = 0,45*F 1 =0,45*200 mol/h = 90 mol/h Entonces a partr de la relacón sumnstrada X B,3 *F 3 = 0,08 * 90 mol/h = 7,2 mol B /h 6.- Balance de Matera (TOTAL MOLAR) Entradas + Generacón Consumo Saldas = Acumulacón Susttuyendo queda: Entrada Salda = 0 Entonces: F 1 - F 2 -F 3 =0 F 1 = F 2 + F 3 (1) Balance de Matera (Por COMPONENTE MOLAR) Entrada = Salda Para Benceno: 0,45*F 1 = 0,95*F 2 + X B,3 *F 3 (2) Para Tolueno: 0,55*F 1 = 0,05*F 2 + X T,3 *F 3 (3) 43

21 Balance de Matera De la ecuacón (2) obtenemos: 0,45*F 1 = 0,95*F 2 + 7,2 mol/h 0,45 * 200 mol/h = 0,95*F 2 + 7,2 mol/h F 2 = 87,158 mol/h De la ecuacón (1) tenemos: F 1 = F 2 + F mol/h = 87,158 mol/h + F 3 F 3 = 112,84 mol/h De la ecuacón (3) resulta: 0,55*F 1 = 0,05*F 2 + X T,3 *F 3 0,55 * 200 mol/h = 0,05 * 87,158 mol/h + X T,3 * 112,84 mol/h X T,3 = 0,93621 Sabemos que: Σ X = 1; por lo tanto en la corrente 3, se cumple X B,3 + X T,3 = 1 X B,3 = 1-0,93621 X B,3 = 0, Ahora, para responder la (c), tenemos que hacer uso del térmno FACTOR DE ESCALA 21

22 Tabla de Balance de Matera F.E B.P B.C 300 mol/h 200 mol/h 1,5 Este valor ndca cuantas veces, se tene que multplcar cada uno de los flujos del equpo o proceso Del resultado de las multplcacones, se obtenen los nuevos flujos de productos: F 1 =F 1 *F.E= 200 mol/h * 1,5 F 1 = 300 mol/h F 2 =F 2 *F.E= 87,158 mol/h * 1,5 F 2 = 130,74 mol/h F 3 =F 3 *F.E= 112,84 mol/h * 1,5 F 3 = 169,26 mol/h EJERCICIOS PROPUESTOS: Un proceso de Destlacón 1.- Se destlan 100 kg/h de una mezcla que contene partes guales de Etanol y Agua en masa. La velocdad de flujo de producto en el tope es de 48,8 kg/h y el resduo de la destlacón contene 7,11 % de Etanol en masa. Para este proceso: a)dbuje y etquete el dagrama de flujo del proceso. b)calcule la composcón másca del producto en el tope. 22

23 2.- En una operacón de ósmoss nversa que funcona en contnuo y en régmen estaconaro, se desea desalnzar una corrente de agua de mar. Para ello se tratan 4000 kg/h de una dsolucón salna con un concentracón de sal del 4% en peso. La salda está formada por una corrente de 1200 kg/h de agua desalnzada con 0,3 % de sales y otra corrente de salmuera que consttuye el rechazo. Calcular: a) Caudal de salmuera de rechazo. b) Composcón de la salmuera de rechazo. 3.- En el tratamento prmaro de un agua resdual ésta se hace pasar por un sedmentador para elmnar los sóldos en suspensón. El proceso trabaja en contnuo y en régmen estaconaro. A partr de los datos del dagrama de flujo determnar las velocdades máscas de los flujos de salda. 4.- La sal contenda en un petróleo crudo debe elmnarse antes de ser utlzado en una refnería. Para ello se ntroduce en un mezclador el crudo junto con una corrente de agua en proporcón másca 4:1 (crudo/agua) y posterormente se trasvasan a un separador de fases. El crudo almentado contene un 5 % en sal y el agua salada retrada del separador un 15 % (porcentajes máscos). Hallar: a) Concentracón de sal en el crudo lavado. b) Efcaca del proceso respecto a la sal elmnada del crudo. Atrás

24 Lo que debe haberse aprenddo en esta clase Haber aprenddo lo concernente a los conceptos de procesos, sstemas, tpos de procesos Haber aprenddo el sgnfcado de los térmnos del balance de matera y posbles estrategas de resolucón Haber aprenddo las formas de dagramacón y smbología de los dstntos equpos nvolucrados en los procesos químcos Haber reflexonado sobre el abordaje y forma de resolucón de balance de matera en equpos, a través de ejemplos en clase Balance de matera sn reaccón químca Ejerccos propuesto para esta clase: Hmmelblau (6º Edcón) Felder (2º Edcón) CAP Problemas CAP Problemas Clasfcacón de los procesos 3 2-4, 7, Una Etapa (Sn reaccón Químca) , 20-28, 31, 37-39, , 15, 17-19, 21, 23 Atrás 24