PORTAFOLIO DEL PRIMER PARCIAL

 PORTAFOLIO DEL PRIMER PARCIAL

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA PARA LOS PROCESOS INDUSTRIALES

El balance de materia y energía es un concepto fundamental en la ingeniería y en muchas otras disciplinas científicas. Se utiliza para analizar y comprender los procesos que involucran la transferencia y transformación de masa y energía

Responsabilidades de un ingeniero de procesos:

La responsabilidad del Ingeniero de Procesos comienza con la información química y física básica, desarrolladas por los químicos de laboratorio, y termina con la especificaciones de equipo para una planta de gran escala. Con dichas especificaciones los ingenieros mecánicos y civiles fabrican los dispositivos mecánicos reales y construyen la planta.

Balance de materia

En general el Balance de Materia de una unidad de proceso implica balances individuales de las diferentes etapas que la forman, cuales quiera que sea la situación, existirán siempre materiales que entran y salen.

Los balances de materia y energía son contabilidad de entradas y salidas de materiales y energía de un proceso o de una parte de este. Estos balances son importantes para el diseño del tamaño de aparatos que se emplean y para calcular su costo. Si la planta trabaja, los balances proporcionan información sobre la eficiencia de los procesos

PRINCIPIOS DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA Y ENERGIA

 

Uno de los más importantes logros de la teoría de la relatividad es la formulación del principio de conservación de la suma de la masa y la energía de un sistema. 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.

En las reacciones químicas la energía involucrada es baja, y los cambios de masa por energía son despreciables. Por ello la ley de conservación de la materia continúa siendo aplicable. En el siglo XIX, Mayer estableció la ley de conservación de la energía, ‟la suma de energía cinética, potencial y térmica en un sistema aislado permanece constante

Hay tres tipos de sistemas:

·         Un sistema aislado es aquel que no intercambia materia ni energía con el medio que lo rodea

·          Un sistema cerrado intercambia solamente energía con el medio que lo rodea

·          Un sistema abierto intercambia ambas.

 DESARROLLO DE LOS CONCEPTOS CLAVES

BALANCE DE MATERIA

El balance de materia es el conteo de los componentes que pertenecen a un sistema o proceso bajo estudio. Este balance puede aplicarse casi a cualquier tipo de sistema, ya que se asume que la suma de las masas de tales elementos debe permanecer constante a diferentes tiempos de mediciones.

SISTEMA

Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis. Obsérvese en la figura que la frontera del sistema se circunscribe formalmente alrededor del proceso mismo a fin de subrayar la importancia de delinear cuidadosamente el sistema para cada uno de los problemas que intente resolver.

MULTIPLES SISTEMAS O SUBSISTEMAS

La mayoría de los sistemas de ingeniería química consiste típicamente de una secuencia de etapas de proceso. Para diseñar tales 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.

Nivel

Su aplicación más frecuente es la medición del volumen de líquidos, aunque también se emplea en almacenamiento de materiales sólidos. Algunos ejemplos de su utilidad son el control y la medición para evitar que un líquido se derrame, la medición de nivel de un depósito, el control de contenido corrosivo, abrasivo, en altas presiones, radiactivo, entre otros. En algunos fluidos junto con el nivel se mide la temperatura para calcular el volumen ya compensado.

EL MOL

El mol es definido como la cantidad de materia que contiene determinado número de entidades elementales (átomos, moléculas, etc) equivalente a la cantidad de átomos que hay en 12 gramos del isótopo carbono-12 (12C

LA ESTEQUIOMETRÍA

La estequiometría es la información de las cantidades de los reactantes y productos en una reacción química. Esta se basa en que la cantidad de reactantes es igual a la cantidad de los productos y que los compuestos tienen una composición fija.

 

LA CANTIDAD REQUERIDA DEL REACTIVO

 La establece el reactivo limitante y puede calcularse para todos los demás reactivos a partir de la ecuación química. Incluso si solo una parte del reactivo limitante reacciona realmente, las cantidades requerida y en exceso se basan en la cantidad total de reactivo limitante como si hubiera reaccionado por completo.

REACTIVO EN EXCESO

El reactivo en exceso es el reactivo en una reacción química con una cantidad mayor a la necesaria para reaccionar completamente con el reactivo limitante. Son los reactivos que quedan después de que una reacción química ha alcanzado el equilibrio.

AIRE TEORICO Y AIRE EN EXCESO

Aire teórico:

 la cantidad de aire u oxígeno necesario para la combustión completa. Se supone que el reactivo limitante es el combustible.

Exceso de aire:

 la cantidad de aire u oxígeno en exceso con respecto al requerido para la combustión completa. La proporción, en tanto por uno, de aire en exceso es idéntica a la de oxígeno

LA CONVERSION

Es la fracción de la alimentación o de algún material clave de la alimentación que se convierte en productos Es preciso especificar cuál es la base de cálculo y en qué productos se está convirtiendo esa base de cálculo, pues de lo contrario la confusión será absoluta. 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.

CONVERSIÓN EN PROCESOS CON REACCIÓN QUÍMICA

EL RECICLAJE

Un flujo de reciclaje denota un flujo de proceso que devuelve material desde un punto corriente abajo de la unidad de proceso a dicha unidad o a una unidad situada corriente arriba de esa unidad.

Implica regresar material (o energía) que sale de un proceso, una vez más al proceso, para un procesamiento ulterior. En el reciclaje puede participar toda una ciudad, como ocurre con el reciclaje de papel periódico y latas, o una sola unidad, como un reactor.

Una derivación.

 Es un flujo que pasa por alto una o mas etapas del proceso y llega directamente a otra etapa posterior.

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.

NOMENCLATURA

BALANCE DE ENERGÍA EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES

·         Una de las principales tareas de un ingeniero de procesos consiste en balancear la energía que entra con la que sale en cada proceso y determinar los requerimientos energéticos totales de este.

·          Para ello, recurre a escribir los balances de energía de manera muy similar a los balances de materia que se describen para explicar los flujos ude masa que entran y salen del proceso y de sus unidades.

LA ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA TIENE TRES COMPONENTES

Energía cinética.

Aquella debida al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia o a la rotación del sistema en torno a un eje. 

Energía potencial

 La que se debe a la posición del sistema en un campo de potencia.

  Energía interna

Toda la que posee un sistema además de su energía cinética y potencial.

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMA CERRADO

Un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del sistema durante el tiempo cubierto por el balance de energía. Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema cerrado entre dos instantes dados como.

Acumulación = entrada – salida

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS

La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado no estacionario tiene la forma:

Acumulación = entrada – salida

EJERCICIOS DE TRABAJOS AUTONOMOS

TRABAJO GRUPAL