Balance de Masa PDF

UNIDAD 1: Balance de Masa C O N C E P T O S P R I N C I PA L E S Un balance de masa o de materia puede definirse como una contabilidad de entradas y salidas de masa en un proceso o de una parte de éste. No es más que la aplicación de la ley de conservación de la masa que expresa “La masa no s...

UNIDAD 1: Balance de Masa C O N C E P T O S P R I N C I PA L E S Un balance de masa o de materia puede definirse como una contabilidad de entradas y salidas de masa en un proceso o de una parte de éste. No es más que la aplicación de la ley de conservación de la masa que expresa “La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Es una secuencia de cálculos que permite llevar la cuenta de todas las sustancias que intervienen en un proceso de transformación, satisfaciendo la ley de la conservación de la masa. Un balance de materia es, pues, una contabilidad de los materiales que toman parte del proceso. Las sustancias pueden entrar, salir, producirse, acumularse o consumirse durante el proceso. La realización del balance es importante para el cálculo del tamaño de los equipos de un proceso que se emplean y por ende para evaluar sus costos. Los cálculos de balance de masa son casi siempre un requisito previo para todos los demás cálculos, además, las habilidades que se adquieren al realizar los balances de masa se pueden transferir con facilidad a otros tipos de balances.  Se entiende por proceso cualquier conjunto de operaciones que produce una transformación física o química en una sustancia o en un grupo de sustancias. Todas las sustancias que ingresan en un proceso reciben el nombre de alimentación o entrada, mientras que las que emergen del proceso se llaman producto o salída. ¿Qué es un Sistema? Es el objeto de estudio, y todo lo que le rodea se denomina entorno o medio ambiente. Estado de un sistema: condición en la que se encuentra el sistema en un determinado momento: Sistemas activos: si hay un intercambio de energía, se dice que el sistema está activo. Sistemas en reposo o equilibrio: si no existe intercambio de energía, se considera que el sistema está en reposo o en equilibrio. Sistema Termodinámico Es aquella parte del universo delimitado por límites reales o imaginarios y que se encuentra en un estado determinado (P,T,V,%) en un tiempo determinado. Al tomar un sistema específico, se puede analizar sus propiedades de manera más sencilla que al tomar un todo El sistema puede ser cualquier cosa, una máquina, una empresa, un lago, etc. Pueden ser abiertos, cerrados, aislados. Todo a nuestro alrededor está compuesto por sistemas y la mayoría de los sistemas que conocemos intercambian energía. Los sistemas están clasificados en tres tipos: abiertos, cerrados y aislados. SISTEMAS CERRADOS Es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Ejemplo: Una olla a presión que no permite escape de gases experimenta una variación de energía pero no de su masa. Los alimentos que cocinamos reciben energía calorífica pero no varían su masa. SISTEMAS ABIERTOS Son aquellos en los que se intercambia energía y materia con el exterior (por ejemplo, una hoguera). Un sistema abierto es un sistema termodinámico donde se produce la entrada y salida de materia y energía desde y hacia los alrededores. Por ejemplo, la Tierra es un sistema abierto pues entra energía radiante proveniente del Sol y material como meteoritos y gases, y salen de la Tierra satélites artificiales, gases y radiaciones. SISTEMAS AISLADOS Es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores, estos sistemas poseen un aislamiento térmico o insuladores en su estructura. Insuladores: son materiales que no permiten que el calor pase fácilmente. Los aislantes térmicos mas comunes son: -espumas -espuma flex -cartón -papel periódico -aluminio Ejemplo: termos de comida, ropa térmica  Universo: Suma del sistema más su entorno. Entrada: Materia o energía que ingresa en un sistema. Salida: Materia o energía que sale de un sistema. Estado: Condiciones que determinan al sistema en un punto determinado. O condición en la que se encuentra el sistema en un determinado momento. ¿Qué es Trabajo? El Trabajo es una de las formas de transmisión de energía entre los cuerpos. Para realizar un trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste se desplace. ¿Qué es Energía? La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. ¿Qué es Calor? Es la energía térmica que fluye desde un objeto a una T°mayor hacia otro objeto con menor T° PRINCIPIO GENERAL DE CONSERVACIÓN D E MASA Y ECUACIÓN D E BALANCE La ley de conservación de la masa es una forma de expresión de un principio más general (la ley de conservación de la materia), se considera una de las leyes fundamentales en cualquiera de las ciencias naturales, físicas y químicas, al establecer un punto extremadamente importante: “En toda reacción química la masa se conserva, es decir, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos”. Dicho en otras palabras “La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma”. En resumen, el balance de masa es la expresión matemática del principio de conservación de la materia y se expresa de la siguiente manera:  EJEMPLO: Un Biodigestor cumple con la Ecuación de Balance de Masa Entra: Materia Orgánica, restrojos, papel, cartón, madera, excretas, etc. Sale: Restos materia orgánica biodegradable, gases, CO2, gas metano, lixiviados, vapores y lodos. Generación (Productos): se originan por un proceso químico Rx química que van a dar lugar a la generación de CO2 y gas metano. Por un consumo de Reactivos Acumulación: lodos activos o material sedimentable que se obtiene de una Rx química en el que actúan microorganismos, H2O, luz solar, O2. B A L A N C E D E MASA T OTA L La ecuación (entrada = salida + acumulación) cuando se usa sobre la masa total de cada corriente ingresando o saliendo de un sistema representa un balance total de masa. El balance total de masa se basa fundamentalmente en la ley de la conservación de la materia, anteriormente comentada.  B A L A N C E D E MASA D E COMPONENTES Se aplican los mismos principios que en el balance total de materia excepto que los componentes son considerados individualmente. Cuando se formula ecuaciones de balance de componentes, solamente n ecuaciones independientes deben ser formuladas a partir de un sistema que tenga un número n de componentes.  Fracción másica La fracción másica se define como la relación entre la masa de una sustancia contenida en una mezcla con respecto a la masa total presente en dicha mezcla. RESOLUCIÓN D E PROBLEMAS D E BALANCE D E MATERIA RESOLUCIÓN D E PROBLEMAS D E BALANCE D E MATERIA RESOLUCIÓN D E PROBLEMAS D E BALANCE D E MATERIA Estado termodinámico Es el conjunto de propiedades: Presión Volumen Temperatura Composición Que tiene in sistema en un determinado momento Proceso termodinámico Es aquella acción física o química que hace que un sistema cambie su estado inicial con sus propiedades iniciales a un estado final con otros valores de propiedades. Pueden ser: Estacionarios.- cuando el sistema es estable y el estado inicial y final ya no cambian con el tiempo. Transitorio.- cuando el sistema es inestable y el estado inicial y final cambian con el tiempo. Se da en encendidos, apagados y por perturbaciones de los sistemas. PROCESOS MÚLTIPLES Generalmente, las industrias o los procesos en la vida real no están individualmente presentes. Se concatenan en más de un subproceso de un proceso global. El balance debe realizarse por subsistemas para tener al final el resumen de masa y energía global. El balance en plantas completas es casi imposible ya que las corrientes que salen de un proceso son las que entran a otro Si se tiene una planta macro: Hay que dividir en subsistemas de cada proceso o conjunto de procesos y realizar el balance para luego unir toda la información La información de corrientes La información de flujos y temperaturas de cada una de las corrientes de un planta pueden ser: Fáciles de tomar con flujómetros y termómetros Difíciles de tomar debido a que El acceso al equipo o tuberías es difícil o peligroso No se encuentran puntos de medición adecuados cerca del equipo No se entiende por donde van las tuberías Imposibles de tomar porque el proceso involucra un sistema muy grande, por ejemplo calcular la escorrentía de un lago o la sudoración de una persona.  GRACIAS Ing. Marcelo Cabrera J., MSc.