Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Delta Departamento de Ingeniería Química Asignatura: INTEGRACION II Balances de materia Cátedra: Prof. Interino: Ing. Fernando Pablo Visintin Auxiliar: : Ing. Damian Ayr Vergani Primera Parte: Balances de materia en procesos no reactivos 1
Qué es un balance? Según la Real Academia Española: Estudio comparativo de las circunstancias de una situación, o de los factores que intervienen en un proceso, para tratar de prever su evolución Este término se aplica en diversas áreas del conocimiento Demografía Economía Ecología Meteorología etc Lo primero que hay que hacer es definir cual es el SISTEMA al cual se va a aplicar el balance! TIPOS DE SISTEMAS 2
Ecuación general de balance [ A] = [ E] [ S] + [ G] [ C] Da cuenta de lo que sucede dentro del sistema ACUMULACION GENERACION CONSUMO Y como interactúa el sistema con los alrededores ENTRADA SALIDA A que se puede aplicar? PROPIEDADES CONSERVATIVAS: MASA CANTIDAD DE MOVIMIENTO ENERGIA PROPIEDADES NO CONSERVATIVAS: CANTIDAD DE SUSTANCIA VOLUMEN ENTROPIA 3
Tipos de balances BALANCE DIFERENCIAL Indica lo que ocurre en un instante determinado. Cada término del balance es una velocidad. BALANCE INTEGRAL Indica lo que ocurre en un intervalo de tiempo. Cada término del balance es una porción de la propiedad. Balances de materia: BALANCE TOTAL BALANCE DE ESPECIES ATOMICAS BALANCE DE ESPECIES MOLECULARES 4
Casos particulares [ A] = [ E] [ S] + [ G] [ C] En estado estacionario ACUMULACION = 0 [ S] = [ E] + [ G] [ C] Si la propiedad es conservativa GENERACION = 0 y CONSUMO = 0 [ S ] = [ E] EJEMPLO 1 Balance de benceno: 500 kg/h = 450 kg/h + m 2 Balance de tolueno: 500 kg/h = m 1 + 475 kg/h Balance total: 1000 kg/h = 925 kg/h + m 1 + m 2 5
Base de cálculo y escala del proceso Para poder resolver los balances de un proceso se requiere conocer como mínimo EL CAUDAL DE UNA CORRIENTE. Este caudal fija la ESCALA DEL PROCESO. Si el problema no indica ningún caudal es necesario tomar una BASE DE CALCULO. Consiste en adoptar el caudal de una corriente, elegida convenientemente, y resolver los balances de materia con esa base. Luego, si esa base no es satisfactoria, se puede cambiar la escala del proceso. Para ello se utiliza el factor de cambio de escala. escala. deseada f= base. de. calculo EJEMPLO 1 cambio de escala Ahora se desea obtener 1000 kg/h de destilado Cuánta alimentación se requiere? Cuánto producto de fondo se obtiene? 6
GRADOS DE LIBERTAD L = I E I: número de incógnitas del diagrama de flujo CAUDALES FRACCIONES E: número de ecuaciones independientes Según el signo tenemos: L = 0, el problema tiene solución única L > 0, faltan datos para resolver el problema L < 0, el problema está sobre-especificadoespecificado Ecuaciones independientes BALANCES DE MATERIA Si el proceso tiene n componente se pueden escribir como máximo n ecuaciones de balances independientes. SUMA DE FRACCIONES Si el proceso tiene n corrientes cuya composición se desconoce se pueden escribir n ecuaciones de suma de fracciones. DATOS ADICIONALES Una ecuación por cada dato adicional dado, por ejemplo una proporción dada entre dos corriente o dos fracciones. 7
EJEMPLO 1 grados de libertad Ecuaciones: 2 de balances de materia independientes 0 de suma de fracciones 0 de datos adicionales Incógnitas: 2 ( m 1 y m 2 ) L = 2 2 = 0 Componentes: 1 = i-propanol 2 = n-propanol Corrientes: A, D y F EJEMPLO 2 m A y 1,A y 2,A Balance de i-propanol: m A.y 1,A = m D.y 1,D + m F.y 1,F Balance de n-propanol: m A.y 2,A = m D.y 2,D + m F.y 2,F Balance total: m A = m D + m F m D y 1,D y 2,D m F y 1,F y 2,F 8
Balances en procesos con múltiples unidades Recirculación y Derivación (bypass) 9
EJEMPLO 3 Segunda Parte: Balances de materia en procesos reactivos 10
La reacción química y la estequiometría aa + bb cc + dd Reactivo limitante y en exceso? n n A = B a b Los reactivos están en proporción estequiométrica n n A < B a b El reactivo limitante es A, y B está en exceso Balances con reacción Reacciones incompletas a) Balance molecular para reacción única n = + υ i ε i n i b) Balance molecular para más de una reacción independiente n = i n i + j υ ij ε j 11
Balances con reacción Reacciones incompletas a) Conversión fraccionaria del reactivo limitante: X A = n A n n b) Fracción de exceso: EXC B = n B A n B, t A n B, t Balances en un reactor continuo La ecuación general de balance es: [ S] = [ E] + [ G] [ C] El balance molar de un componente es: n i, S = n i, E + υ j ij ε j 12
EJEMPLO 4 En un proceso para fabricar cloro por oxidación directa de cloruro de hidrógeno con aire sobre un catalizador (para formar cloro y agua únicamente) el producto de salida se compone de: 4,4% de HCl, 19,8% de Cl 2, 19,8% de H 2 O, 4,0% de O 2 y 52,0% de N 2. Calcular: a) Porcentaje de reactivo en exceso. b) Conversión del reactivo limitante. Reacciones múltiples a) Rendimiento: η b) Selectividad: Φ El rendimiento también se puede expresar en función de las moles de reactivo limitante que se convierten en el producto deseado versus las moles que reaccionan. 13
GRADOS DE LIBERTAD L = I E I: número de incógnitas del diagrama de flujo Caudales Fracciones Una incógnita mas por cada reacción incompleta E: número de ecuaciones independientes Según el signo tenemos: L = 0, el problema tiene solución única L > 0, faltan datos para resolver el problema L < 0, el problema está sobre-especificadoespecificado EJEMPLO 5 Se desea obtener monoclorometano en un reactor continuo en el que se producen las siguientes reacciones: CH 4 (g) + Cl 2 (g) CH 3 Cl(g) + HCl(g) CH 3 Cl(g) + Cl 2 (g) CH 2 Cl 2 (g) + HCl(g) La alimentación contiene 70% molar de etano y el resto de cloro. Si la conversión alcanzada es del 80% y la selectividad de 5 mol CH 3 Cl / mol CH 2 Cl 2 hallar la composición completa del efluente del reactor y el rendimiento. 14
Tercera Parte: Balances de materia en procesos de combustión Los SERVICIOS AUXILIARES Proporcionan distintos recursos sin los cuales la planta no puede operar. No forman parte del núcleo del proceso. Intervienen en los balances de masa y energía. Son similares en procesos distintos. Cada uno posee una ubicación óptima dentro de los límites de batería de la planta. 15
Cómo se clasifican? Según el tipo de recurso que proporcionan: 1) Servicios ENERGÉTICOS 1.A Energético Térmicos De calefacción De enfriamiento 1.B Energético Mecánicos: Energía eléctrica Fluidos mecánicos 2) Servicios OPERATIVOS COMBUSTION Es una proceso que consiste en una o varias reacciones químicas de oxido-reducción muy rápidas y altamente exotérmicas (liberan calor) en las cuales una sustancia llamada combustible (generalmente hidrocarburos) reacciona con otra llamada comburente (generalmente un agente oxidante como el oxígeno del aire) con producción de llama. Combustible + Comburente Productos de combustión Ejemplo: Gas Natural + Aire Productos de combustión CH 4 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (g) 16
COMBUSTIBLES Hay tres tipos básicos de combustibles: Gaseosos: gas natural, LPG Líquidos: diesel oil, gas oil, fuel oil Sólidos: hullas, coke, madera, desechos Para selección del combustible tener en cuenta: Poder calorífico Aire teórico Exceso de aire requerido Tipo de quemador necesario Características de los gases de combustión CALDERAS 17
PODER CALORIFICO Para selección del combustible tener en cuenta: Poder calorífico inferior El agua que se produce se considera se encuentra en fase gaseosa Poder calorífico superior El agua que se produce se considera se encuentra en fase líquida Cuál es la diferencia? La entalpía de vaporización del agua C vale: 539 cal/g A 100 C vale: PODER CALORIFICO Fórmulas empíricas: Para un ACEITE COMBUSTIBLE: API: grados API PCS ( BTU / lb) = 17887 + 57,5º API 102,2(% S) Para un CARBON: H: fracción másica de hidrógeno O: fracción másica de oxígeno S: fracción másica de azufre PCS ( BTU / lb) = 14544C + 62028( H O /8) + 4050S 18
Estequiometría de la combustión Si el combustible dispone de suficiente oxígeno, se produce la COMBUSTION COMPLETA: C CO 2 H H 2 O S SO 2 N N 2 (salvo a altas temperaturas da NO X ) Si hay insuficiente oxígeno se produce la COMBUSTION INCOMPLETA, que se caracteriza por: C CO El monóxido de carbono es altamente toxico y posee alto poder calorífico => INDESEABLE Ejemplos de combustión con oxígeno Combustible + O 2 Productos de combustión CH 4 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (g) CH 4 (g) + O 2 (g) CO (g) + H 2 O (g) NO esta balanceada! Faltan los coeficientes estequiométricos CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (g) CH 4 (g) + 3/2O 2 (g) CO (g) + 2H 2 O (g) Qué información da la ecuación balanceada? 19
Balances de masa CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (g) 1 mol 2 mol 1 mol 2 mol CH 4 (g) + 3/2O 2 (g) CO (g) + 2H 2 O (g) 1 mol 1,5 mol 1 mol 2 mol Una mol de metano consume 2 moles de oxígeno en la combustión completa y 1,5 moles de oxígeno en la incompleta % Aire teórico y aire en exceso Oxígeno teórico: es la mínima cantidad de O 2 que se necesita para que todo el combustible se queme y que la única reacción que ocurra sea la combustión completa. Se obtiene de la estequiometría de la reacción Porcentaje en exceso Se utiliza un exceso con respecto al valor teórico para garantizar que todo el combustible entre en contacto con suficiente oxígeno. exc O2, A O = O2, T 2, T.100 O 2, A % = + exc O2, T. 1 100 20
Composición del aire El aire seco a nivel del mar en promedio se puede Considerar para la combustión como formado por: 21% de oxígeno: O 2 79% de nitrógeno: N 2 Por lo tanto La relación nitrógeno/oxígeno del aire es: [ N ] [ O ] 2 79 = 21 2 = 3,762 Luego: [ N ] = 3,762[ O ] 2. 2 Conversión y rendimiento Conversión No siempre se logra quemar todo el combustible, la conversión es el % del combustible que se quema: comb. quemado X =.100 comb. a lim entado Rendimiento Si se produce combustión incompleta el rendimiento se refiere al % del combustible quemado que lo hace en forma completa: comb. quemado. en. forma. completa η =.100. comb quemado 21
Composición de los gases de combustión En base húmeda? En base seca? Ej: ORSAT Ejemplo 6: Se quema metano con 15% de oxígeno en exceso. La conversión es del 98% y el rendimiento del 95%. Cuál sería el resultado del análisis ORSAT? BASE DE CALCULO: 100 moles de CH 4 Se queman: 100.0,98 = 98 mol En combustión completa = 98.0,9595 = 93,1 mol En combustión incompleta = 98 93,1 = 4,9 mol CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (g) CH 4 (g) + 3/2O 2 (g) CO (g) + 2H 2 O (g) En combustión completa = 98.0,9595 = 93,1 mol En combustión incompleta = 98 93,1 = 4,9 mol CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (g) 93,1 mol?? CH 4 (g) + 3/2O 2 (g) CO (g) + 2H 2 O (g) 4,9 mol?? Metano no quemado = 100 98 = 2 mol Oxígeno reaccionado = 93,1.2 + 4,9.(3/2) = 193,55 mol Oxígeno teórico = 100.2 = 200 mol Oxígeno alimentado = 200.(1 + 0,15) = 230 mol Nitrógeno alimentado = 230.3,762 = 865,26 mol Oxígeno no reaccionado = 230 193,55 = 36,45 mol CO 2 formado = 93,1 mol CO formado = 4,9 mol 22
Resultados Análisis ORSAT CH 4 2 0,20% O 2 36,45 3,64% N 2 865,26 86,38% CO 2 93,1 9,29% CO 4,9 0,49% Total 1001,71 100,00% Temperatura de llama adiabática Es la máxima temperatura que pueden tener los productos de la combustión. Supuestos: Se quema todo el combustible La combustión es completa No hay pérdidas de energía hacia los alrededores Variables que influyen: Tipo de combustible Exceso de aire utilizado Temperatura de alimentación del combustible y del aire Composición del aire (% de O 2 ) 23
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