BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO DE PROBLEMAS AMBIENTALES

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Gloria Montero Cárdenas
hace 7 años
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1 BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO DE PROBLEMAS AMBIENTALES Cálculos en Ingeniería, procesos y variables de procesos. Elección de una base de cálculo para la resolución de problemas

2 Elección de una base de cálculo para la resolución de problemas El concepto base de cálculo es crucial tanto para entender cómo debe solucionarse un problema como para resolverlo de la manera más fácil y despejada. La base de cálculo es la referencia que usted elige para los cálculos que planea efectuar para resolver un problema, y la elección de la base de cálculo correcta a menudo facilita considerablemente la resolución del problema. La base de caculo puede ser un tiempo (horas) Por ejemplo, o cierta masa de material (5 Kg. de CO 2 ), o alguna otra cantidad conveniente. Al seleccionar una base de cálculo (que en muchos problemas ya esta determinada, pero que en otros tal vez no sea muy clara) debemos plantearnos primero las siguientes preguntas: De qué se va a partir? Qué respuesta se requiere? Cuál es la base de cálculo más conveniente?

3 Estas tres preguntas y sus respuestas sugerirán las bases de cálculo adecuadas. En los casos en que al parecer hay más de una base de cálculo apropiada, lo mejor puede ser usar una base de cálculo unitaria de 1 o 100 de algo: kilogramos, horas, moles, pies cúbicos, etc. En el caso de los líquidos y sólidos en los que se emplea un análisis por peso, es frecuente que la base de cálculo óptima sea 1 o 100 lb o Kg.; de manera similar, 1 o 100 moles son la mejor opción para un gas. La elección de estas opciones es que la fracción o porcentaje iguala automáticamente el número de libras, kilogramos o moles, respectivamente, con lo que se ahorra un paso de los cálculos. Para poner en práctica los tres pasos anteriores tenemos por ejemplo: Enunciado: La mayor parte de los procesos para producir gas o gasolina con alto contenido de energía a partir de carbón incluyen algún tipo de paso de gasificación para obtener hidrogeno o gas de síntesis, se prefiere la gasificación a presión por su mayor rendimiento de metano y más alta tasa de gasificación.

4 Considerando que una muestra de 50,0 Kg. de gas produce 10,0 % de H 2, 40,0% de CH 4, 30,0 % de CO y 20,0% de CO 2, Cuál es el peso molecular medio del gas? Solución: La base de cálculo obvia es 50,0 Kg. de gas ( de qué se va a partir? ), pero si lo pensamos u poco veremos que una base de cálculo así no es la adecuada. N o podemos multiplicar el porcentaje en moles de este gas por Kg. y esperar que el resultado tenga sentido. Por tanto, el siguiente paso consiste en escoger una base de cálculo conveniente. Que es 100 Kg. mol o lb mol de gas, y proceder como sigue: Componente Porcentaje = Kg. mol o lb mol Base de Cálculo :100 Kg. mol o lb mol de gas Peso molecular CO CO CH H TOTAL Kg. o lb Peso molecular medio = 2382 Kg. 100 Kg. mol = 23,8 Kg./Kg. mol

5 Es importante indicar la base de cálculo al principio del problema para tener siempre la verdadera naturaleza de los cálculos, y para cualquier persona que revise la solución del problema pueda entenderlo. Si se cambia de base de cálculo a la mitad del problema, es necesario, indicar claramente la nueva base de cálculo elegida. La habilidad para escoger la base de cálculo que requiere el mínimo de pasos para resolver un problema solo se adquiere con la práctica. Es posible adquirir rápidamente la experiencia si, al examinar todos los problemas ilustrados en el presente texto, primero se determina mentalmente cual debe ser la base de cálculo y luego se compara con la base de cálculo elegida por el libro. Con este procedimiento no tardara en adquirir la aptitud para escoger una base de cálculo conveniente.

6 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 flujo, contando con información específica o supuesta sobre el funcionamiento de algunos equipos de proceso o las propiedades de algunas corrientes. Debido a que la información de las corrientes de entrada y corrientes deseadas de salida es indispensable para el diseño de cada pieza del equipo, resulta lógico afirmar que los cálculos de balance son de gran importancia en el diseño. De igual manera, dado que es poco práctico y casi imposible medir todas las corrientes de un proceso, a partir de información conocida sobre algunas corrientes medidas pueden utilizarse cálculos de balance para determinar los flujos y composiciones de las corrientes no medidas o no medibles en el proceso preliminar, en el diseño final y en las operaciones del proceso. Es por ello que la solución sistemática de problemas es de gran importancia. Las siguientes instrucciones son de gran ayuda y deben tenerse en cuenta según sea la dificultad del problema.

7 Leer el problema cuidadosamente. Trazar un diagrama de flujo del proceso, indicando las corrientes de masa que entran y salen. Marcar las corrientes con los datos correspondientes a todas las variables de proceso que indique el problema. Analizar todo el proceso y considerar cual debe ser la base de cálculo y cuales las cantidades que hay que determinar para llegar a la solución final. Determinar si el problema puede resolverse utilizando una sustancia de enlace o en caso contrario utilizar el método algebraico. Si el balance correspondiente a una operación unitaria (sin reacción química), este puede efectuarse sobre compuestos químicos de composición fija y las unidades utilizadas pueden ser unidades de masa o unidades molares. Si el balance corresponde a un proceso químico (con reacción química), es recomendable el uso de unidades molares en los cálculos y cuando se desconocen las ecuaciones químicas lo más conveniente es utilizar el balance de especies atómicas o balance por elementos. Una vez resuelto el problema debe probarse que las masas que entran son iguales a las masas que salen.

8 En una gran mayoría de procesos naturales e industriales, ocurren un conjunto de transformaciones químicas y físicas destinadas a generar un producto final (manufacturado o no), distinto al inicial. Estos procesos contemplan una serie de etapas previas a la elaboración misma del producto final que pueden consistir tanto en cambios físicos como químicos. Estos procesos, que se fundamentan en las transformaciones químicas, se llevan a cabo en reactores, que son equipos o recipientes donde ocurre una reacción química en forma controlada donde se controla tiempo de reacción, temperatura, presión, cantidad de reactantes, etc., conocido como estudio de cinética de reacción. Teniendo en cuenta que existe una necesidad de unificar conocimientos y teorías especialmente de procesos químicos y físicos, en este capítulo, se recordarán conceptos básicos de química, termodinámica y cinética de reacciones; importantes al momento de solucionar problemas de balances de materia y energía en todo tipo de sistemas.

9 Los balances de materia sin reacción químicas e aplican en general a las llamadas operaciones unitarias, las cuales son de naturaleza física y tienen como propósito principal el procesar materiales (reactivos y productos) hasta lograr especificaciones deseadas de temperatura, presión, composición y fase. En general pueden dividirse en cinco grandes grupos. 1. Flujo de fluidos 2. Transferencia de calor 3. Manejo de solidos 4. Operaciones de combinación (Molienda, tamizado, fluidización) 5. Operaciones de separación (Evaporación, cristalización, filtración, centrifugación, secado) No existe una división clara entre algunas de estas operaciones, los cálculos de evaporadores, de igual forma la cristalización ocurre en algunos casos dentro del evaporador.

10 Fuentes Documentales Himmelblau, D. (1997). Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. México D. F., Prentice Hall Hispanoamericana. Manahan, S. (2004). Environmental chemistry. Boca raton, CRC Press. Masters, G. (2008). Introducción a la Ingeniería Medioambiental. Madrid, Pearson. Petrucci, R. (2011). Química general. Madrid, Pearson Educación. Sherman, A. (1999). Conceptos básicos de química. México D. F., Editorial Continental. Umland, J. (2000). Química General. México D. F., Thomson Editores.

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