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UNIDAD 4: Balance de Energía CONCEPTOS Y UNIDADES Para efectuar procesos industriales de transformación deben suceder cambios energéticos. La energía es, definitivamente, un factor muy importante a tener en cuenta en los citados procesos, entre otras cosas, porque su consumo puede ser un re...

UNIDAD 4: Balance de Energía CONCEPTOS Y UNIDADES Para efectuar procesos industriales de transformación deben suceder cambios energéticos. La energía es, definitivamente, un factor muy importante a tener en cuenta en los citados procesos, entre otras cosas, porque su consumo puede ser un renglón grande en los costos de la empresa y porque su adecuada utilización puede reportar beneficios económicos y ambientales. la ley de la conservación de la energía , dice la energía no puede crearse ni destruirse en los procesos que no incluyen reacciones nucleares pero sí puede convertirse de una forma en otra. Esta ley, también conocida como la primera ley de la termodinámica es la base para realizar los balances de energía.  La primera Ley de la Termodinámica: habla del principio de conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye solo se transforma en algo mejor y eficiente. Se puede entender un balance energético como una contabilidad del aporte y del consumo de energía en un sistema. El balance de energía y el balance de materia de un proceso son herramienta fundamental para el análisis del mismo. Entre otras aplicaciones del balance de energía, pueden considerarse las siguientes: lograr una producción efectiva de calor, recuperar y usar efectivamente el calor, determinar el consumo de combustible y calcular la cantidad de energía mecánica necesaria.  Que es ENERGÍA: Es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. QUE ES 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 este se desplace. QUE ES CALOR: Es la energía térmica que fluye desde un objeto de mayor temperatura hacia otro objeto con menor temperatura. Unidades mas utilizadas para energía Que es Entalpía Entalpía es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, definida como «el flujo de energía térmica en los procesos químicos efectuados a presión constante cuando el único trabajo es de presión-volumen», es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. APLICACIÓN DE BALANCE GENERAL DE ENERGÍA CON REACCIONES QUÍMICAS En procesos donde hay reacciones químicas, por lo general, se presentan cambios grandes de entalpía. Si un cambio de entalpia en este caso resulta positivo, es necesario suministrar calor para evitar que la temperatura y la velocidad de reacción disminuyan, siendo la reacción endotérmica. Si el cambio de entalpía es negativo, la reacción suministra calor el cual debe ser bien aprovechado y el cambio químico es exotérmico. El calor absorbido o desprendido por un cambio químico se llama calor de reacción y juega un papel importante en la economía del proceso. CUANDO HABLAMOS DE ENTALPIA CON REACCION ESTOY DICIENDO QUE ES UNA ENTALPIA DE FORMACION El calor de reacción o entalpía de reacción, ΔHR, es la diferencia HPRODUCTOS – HREACTIVOS para una reacción en la cual los reactivos se suministran en las cantidades estequiométricas a una temperatura T y una presión P, se consumen totalmente y los productos salen a las mismas T y P.  Las unidades del calor de reacción son unidades de energía por mol. En este caso, la unidad mol se refiere bien sea al número de moles consumidos de cada reactivo o producidos de cada producto según la ecuación química balanceada. Por ejemplo, si para la reacción A + 3B → 2C el ΔHR es - 250 kJ/mol, se debe interpretar como -250 kJ/mol A, -250 kJ/3 mol B y -250 kJ/2 mol C. Significa además, que se consumieron 1 mol de A y 3 moles de B produciéndose 2 moles de C. El calor estándar de reacción, ΔHo R, es el cambio de entalpía de una reacción cuando los reactivos y los productos están a la temperatura y a la presión de referencia, generalmente 25° C y 1 atm.  Una reacción es exotérmica a una temperatura T si a esa temperatura ΔHR es negativo y es endotérmica si ΔHR es positivo. APLICACIÓN DE BALANCE GENERAL DE ENERGÍA SIN REACCIONES QUÍMICAS CUANDO HABLAMOS DE ENTALPIA SIN REACCION ESTOY DICIENDO QUE ES UNA ENTALPIA DE UN SISTEMA Entalpia en procesos isobáricos: P=Constante Este tipo de entalpia constituye la base de la termodinámica y se llevan a cabo a presión contante con mucha facilidad en el laboratorio y en la industria, son los mas comunes. Entalpia con GAS IDEAL Gas Monoatómico  Entalpia en proceso Isotérmico Gas Diatónico: ∆H = 0 EJEMPLO: ENTALPIA SIN REACCIÓN PROCESOS REVERSIBLES Los procesos Reversibles: es un proceso que una vez que ha tenido lugar puede ser invertido (recorrido en sentido contrario) sin causar cambios ni en el sistema ni en sus alrededores. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, solo son idealizaciones de procesos reales, los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr, es decir todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles. Los procesos reversibles que se estudian son los Ciclos de Carnot, maquinas terminas de Carnot y principios de Carnot Conceptos Fundamentales REFERIDOS A LA ENERGÍA Energías en tránsito Existen dos tipos de energía que nos son intrínsecas a la masa como las Ec, Ep y Et; éstas son el calor y el trabajo. Son externas a la masa y aparecen cuando un sistema interactúa con su entorno transfiriendo entre sí o calor o trabajo o ambas. Así, si no hay un agente externo, esta energías no aparecen y así mismo cuando el agente externo deja de funcionar sobre el sistema, las energías desaparecen, de ahí su nombre de transitorias. Energías en tránsito El entorno puede: Dar o quitar calor (calentar o enfriar) Dar o recibir trabajo (mover el sistema o recibir movimiento del sistema) Por convención, se decidió que la energía que entre sea positiva y a que salga negativa, y la ecuación de balance de energía (a la de masa no le afecta) quedaría como: Sin Rx. y estacionario: Con Rx. y estacionario: Calor (Q) Es la energía que se transfiere cuando dos sistemas están a diferente temperatura Siempre se transmite calor del sistema a mayor temperatura hacia el sistema a menor temperatura para cumplir con la segunda ley de la termodinámica (entropía) El calor es la forma de degradación de la energía, la que controla la dirección del tiempo en el universo. Existen tres mecanismos de transferencia de calor: Conducción.- contacto directo entre sólidos Convección.- contacto entre sólido y fluido Radiación.- sin contacto, por ondas electromagnéticas Se mide en Joules (J) o en (W) si es flujo de calor Trabajo (W) Se define como la energía requerida para que una fuerza genera un desplazamiento. Una fuerza que no genere desplazamiento, no genera trabajo. Para balance de energía nos enfocaremos en el trabajo de desplazamiento circular que generan algunos equipos como los de mezclado (agitadores o cortadores) y los de desplazamiento positivo (bombas, compresores y turbinas)  En las zonas montañosas, se debe bombear agua de los ríos hasta las partes altas donde se encuentran los cultivos. Tome el caso del agua que debe bombearse de un río para cubrir las plantaciones de 1200 hectáreas y calcule la potencia de la bomba requerida si se sabe que: Cada hectárea de cultivo requiere al año de cerca de 6000 m3 de agua de riego El río tiene una velocidad de corriente de 3,5 m/s La altura desde el río hasta la tierra de cultivo es de 65 metros El agua debe salir al menos con una velocidad de 6,7 m/s para poder ser dispersada adecuadamente. Los cambios de temperatura y presión son despreciables  Los metales en general y el hierro en particular deben ser tratados a altas temperaturas para poder manejarlos industrialmente. Esto hace que se deba gastar ingentes cantidades de energía (calor) y recursos financieros (dinero en combustible) para poder conseguir este paso. Tome el caso del hierro que se calienta hasta los 750 C para ser moldeado industrialmente como se muestra en la Figura. Con los datos del DBP de la Figura, calcule la cantidad de combustible Diesel (PC=44570 KJ/kg) usado por hora y el costo que invertiría la empresa al año en combustible (2 $/kg).  Ejercicio En el tratamiento de aguas residuales que contienen sales metálicas, uno de los procesos es el de precipitación por enfriamiento. En este proceso la sal metálica contaminante ya no puede permanecer soluble al bajar la temperatura y se solidifica para poder retirarse por el fondo de los tanques. Obviamente, para ello debe retirarte calor. Tome el caso que se muestra en el DBP de la figura y calcular: Los ppm de sal metálica a la salida del precipitador. La temperatura a la que sale la corriente 3 Conceptos Fundamentales REFERIDOS A LA ENERGÍA  Entalpía de formación y entalpía de reacción Como se indicó, el reordenamiento de átomos genera rotura y creación de enlaces que a su vez liberan o absorben energía generando dos tipos de reacciones:  Entalpía de formación y entalpía de reacción Cuando tenemos un proceso de reacción, siempre se nos dará la ecuación estequiométrica que representa el balance de masa junto con el valor de la entalpía de reacción que representa la energía liberada o absorbida (+ 0 -). Para hallar esta entalpía de Rx. Se parte de un concepto denominado entalpía de formación estándar  Entalpía de formación y entalpía de reacción La entalpía de formación estándar indica la energía que se requiere para formar un compuesto a partir de los elementos que lo constituyen. Son datos experimentales calculados a condiciones estándar (25°C y 1 atm) en el laboratorio. Están tabulados en los manuales Ej: calcular la entalpía de reacción estándar de la combustión de C(s) con O2(g) para dar CO2(g).  Entalpía de formación y entalpía de reacción Generalmente nos dan el dato de entalpía de reacción, caso contrario se lo calcula usando las entalpías de formación estándar de tablas. Las Rx. Siempre se pueden invertir, para lo cual habrá que invertir la entalpía de Rx., es decir, si la Rx. Era exotérmica habrá que volverla endotérmica y viceversa. La entalpías de Rx. Estándar se da a 25 C y 1 atm, ya que la entalpía de formación estándar está dada a esas condiciones. Esto es importante ya que en el balance de energía hay que tomar en cuenta estas condiciones a la hora de los cálculos. Se podría hallar la entalpía de reacción a otras temperaturas (mediante termodinámica), sin embargo, para fines de balance de energía, este cálculo es innecesario.  Ejercicios de práctica Use las entalpías de formación siguientes que están en KJ/mol: Determinar las entalpías de reacción de las siguientes reacciones y determinar si son exotérmicas o endotérmicas: Balance de energía El balance de energía es similar al de los sistemas sin reacción, es decir: Abriendo la energía quedaría: El único cambio es que se debe tomar en cuenta es cada corriente la entalpía de formación, ya que representa la energía de reacción que se está llevando a cabo en el sistema, es decir: De aquí en adelante, el procedimiento es el mismo que en sistemas sin reacción, simplemente que el valor de entalpía térmica deberá calcularse con una Terf=25 C y no a 0 C como en sistemas sin reacción.  Entalpía de combustión Una de las RX. Más importantes en la industria y la naturaleza es la de combustión, es decir la oxidación de un combustible con O2(g). Un combustible es aquella sustancia que en su composición tenga C y/o H2, por lo que la cantidad existente es enorme. Con esta reacciones y la ley de Hess se han obtenido las entalpías de formación de muchos compuestos que en laboratorio son peligrosos o muy difíciles Ej: en la combustión del metano, calcular la energía estándar que se genera. Ej: calcular la energía de formación del metano Aspectos importantes de la combustión Los procesos de combustión tienen tres aspectos importantes a tener en cuenta: a) El exceso de oxígeno no puede ser infinito, según los estudios realizados, un 30% de exceso es el límite máximo para un buen rendimiento, caso contrario las pérdidas energéticas por desperdicio de O2 se elevan e incluso puede entorpecerse la reacción de choques entre el O2 y el combustible por autochoques b) El N2 es un agente de lastre de la combustión, no reacciona para producir energía, pero sí consume energía calentándose y saliendo como gas caliente por la chimenea. Es indeseable pero el aire ambiente es 79% N2 y es inevitable. c) La combustión tiene una variedad de cambios según el combustible usado: completa, incompleta, con combustible puro, con contaminantes de azufre, con hidrocarburos, con madera vegetal, etc. El análisis energético dependerá de la composición del combustible y de la composición de los gases de salida medidos en forma estándar por un equipo isocinético  El carbón es uno de los combustibles más usados en la actualidad para cubrir la demanda de energía, considere un horno que usa carbón según se muestra en el DBP de la mediante el balance de masa y energía adecuado calcular: La cantidad de CO2(g) producido. El calor generado en KJ/min, Kcal/min, KW y HP  El carbón es uno de los combustibles más usados en la actualidad para cubrir la demanda de energía, considere un horno que usa carbón según se muestra en el DBP de la mediante el balance de masa y energía adecuado calcular: La cantidad de CO2(g) producido. El calor generado en KJ/min, Kcal/min, KW y HP  El carbón es uno de los combustibles más usados en la actualidad para cubrir la demanda de energía, considere un horno que usa carbón según se muestra en el DBP de la mediante el balance de masa y energía adecuado calcular: La cantidad de CO2(g) producido. El calor generado en KJ/min, Kcal/min, KW y HP  El carbón es uno de los combustibles más usados en la actualidad para cubrir la demanda de energía, considere un horno que usa carbón según se muestra en el DBP de la mediante el balance de masa y energía adecuado calcular: La cantidad de CO2(g) producido. El calor generado en KJ/min, Kcal/min, KW y HP  En la producción de cal viva, se calcina piedra caliza en altos hornos. Conforme el DBP mostrado calcular: La cantidad de calor que se requiere entregar al reactor  En la combustión incompleta del carbón en un horno se genera calor para producir vapor a alta presión para una turbina de vapor de producción termoeléctrica. Con los datos mostrados calcular: %Conversión del C Selectividad CO2/CO El calor generado El vapor producido  GRACIAS Ing. Marcelo Cabrera J., MSc.