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“Fundamentos de Ingeniería “Fundamentos de Ingeniería Química”Química”
“Fundamentos de Ingeniería “Fundamentos de Ingeniería Química”Química”
Bloque IIBloque IIBloque IIBloque II
Tema 2. Balances Tema 2. Balances de Materia de Materia sin Reacción Química en Estado sin Reacción Química en Estado
Estacionario.Estacionario.
Tema 2. Balances Tema 2. Balances de Materia de Materia sin Reacción Química en Estado sin Reacción Química en Estado
Estacionario.Estacionario.
(8 horas)(8 horas)
Eva Mª Romeo SalazarEva Mª Romeo SalazarEva Mª Romeo SalazarEva Mª Romeo Salazar
( )( )
BLOQUE II. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA BLOQUE II. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA MACROSCÓPICOS.MACROSCÓPICOS.
FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
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Bibliografía específica :Bibliografía específica :
Ó É
BLOQUEBLOQUE IIII.. BALANCESBALANCES DEDE MATERIAMATERIA YYENERGÍAENERGÍA MACROSCÓPICOSMACROSCÓPICOS
PEIRÓ PÉREZ, J.J., GARCIA BARRIDO, J., Balances de materia.Problemas resueltos (vol I.). Universidad Politécnica de Valencia.Valencia 1997.
FELDER, R.M. y ROUSSEAU, R.W., Principios Elementales de losProcesos Químicos. Wiley (3a ed.), Nueva York, (2003). Parte 2 y 3
HENLEY, E.J., ROSEN, E.M., Cálculo de Balances de Materia yEnergía. Reverté, S,A. Barcelona, 1978. Capítulo 2.
VALIENTE, A. Problemas de Balance de Materia y Energía en laIndustria Alimentaria. Limusa. Mexico (1997).
HIMMELBLAU, D. M., Basic Principles and Calculations in ChemicalEngineering. 6ª ed. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.Traducción al castellano, 6ª ed.: Balances de materia y energía.Prentice-Hall Inc. (1999).
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FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
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Consideraciones Previas
¿Qué son los balances?¿Qué son los balances?• Los cálculos de balance se basan en los principios de conservación
de materia y energíade materia y energía
• Sirven para determinar los flujos, composiciones y temperaturasde todas las corrientes que intervienen en el proceso a partir deinformación específica o supuesta sobre el funcionamiento dealgunos equipos del proceso o de las propiedades de algunascorrientes.
• Los balances de materia son la base del diseño de procesos.
• Un balance de materia sobre un proceso completo determinará lascantidades de materias primas que se requieren y los productosque se producen.
• Los balances sobre unidades de proceso individuales nos dan losflujos de las corrientes, sus composiciones y temperaturas.
Consideraciones Previas
Los balances de materia y energía son útiles para:
EvaluarEvaluar composicionescomposiciones finalesfinales trastras unun mezcladomezclado
DeterminarDeterminar rendimientosrendimientos yy eficaciaseficacias enen procesosprocesos dede:: separación,separación,
¿Para qué sirven?¿Para qué sirven?
DeterminarDeterminar rendimientosrendimientos yy eficaciaseficacias enen procesosprocesos dede:: separación,separación,reacción,reacción, mezclamezcla ……
DiseñoDiseño dede equiposequipos
La información sobre las corrientes de E y S de la unidad de proceso esfundamental de cara al diseño de la misma. Además, debido a laimposibilidad práctica de medir todas las corrientes de un proceso, a partirde información conocida de algunas de ellas y mediante balances, se puedencalcular el resto.
Los balances de energía serán esenciales por ejemplo para el diseño desistemas que impliquen calentamientos y enfriamientos, para asegurar quelos fluidos utilizados en el intercambio de calor son dimensionadosadecuadamente para cumplir las especificaciones del diseño.
La aplicación conjunta de ambos tipos de balances se usarán en el caso enque durante el proceso existan variaciones de fase o aparición de otrasnuevas (evaporaciones, condensaciones, etc…)
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Proceso:Proceso: serieserie dede acciones,acciones, operacionesoperaciones oo tratamientostratamientos quequeproducenproducen unauna transformacióntransformación físicafísica oo químicaquímica dandodandocomocomo resultadoresultado unun productoproducto
Algunos Conceptos Básicos
Flujo de Flujo de Proceso:Proceso:
Unidad de Unidad de Proceso:Proceso:
equipoequipo dondedonde sese llevalleva aa cabocabo cadacada unauna dede laslas etapasetapasbásicasbásicas uu operacionesoperaciones unitariasunitarias queque constituyenconstituyen elelprocesoproceso..
cantidadcantidad dede materiamateria oo flujoflujo dede laslas entradasentradas yy salidassalidasdeldel procesoproceso oo deldel sistemasistema objetoobjeto dede estudioestudio..
comocomo resultadoresultado unun productoproducto
Balance de Balance de Materia:Materia:
Proceso:Proceso:
contabilizacióncontabilización dede lala materiamateria queque entraentra yy salesale dede ununprocesoproceso realizadarealizada enen basebase alal ppoppo dede conservaciónconservación dedelala materiamateria..
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FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
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Clasificación de los Procesos
ProcesoProceso continuocontinuo:: Flujo continuo de entrada y salida del proceso (durante el periodo de
tiempo que se analiza el proceso)
En base a las características de los flujos de E y S:En base a las características de los flujos de E y S:
tiempo que se analiza el proceso)
Todos los flujos y propiedades son constantes con el tiempo, no haytérmino de acumulación.
Régimen permanente ó estacionario
ProcesoProceso discontinuodiscontinuo oo intermitenteintermitente::
No existen flujos continuos de entrada y salida del proceso (entre el tiempoque se realiza la alimentación y el tiempo en que se extrae el producto)
Se opera por lotes: las propiedades del sistema cambian con el tiempo.Existe acumulación
Régimen no estacionario, transitorio, transiente, dinámico
ProcesoProceso semicontinuosemicontinuo:: Ni continuo ni discontinuo: continuo para unas corrientes y discontinuo para
otras.
Clasificación de los Procesos
SistemaSistema:: parte del universo aislada objeto de estudio. En losprocesos se define el sistema como la porción del mismoestablecida específicamente para su análisis.
En base a la relación SistemaEn base a la relación Sistema--EntornoEntorno
p p
SistemaSistema AbiertoAbierto:: existe transferencia de materia hacia odesde el exterior a través de su frontera. (procesoscontinuos).
SistemaSistema CerradoCerrado:: no existe transferencia de materiahacia o desde el exterior a través de su frontera durante elintervalo de tiempo de interés (procesos discontinuos).
SistemaSistema AisladoAislado:: sistema cerrado en el que no existetransferencia de energía a través de sus líneas frontera(sistema adiabático). Sistema Isotermo la Energía fluye através de la línea frontera para mantener la Tª constante.
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Principio de Conservación
Ley de conservación de la materia:
“La materia no se crea ni se destruye, sólo se “La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”transforma”transformatransforma
PROCESOPROCESO
mmEE mmSSmmAA
mm = m= m + m+ m
En una planta de proceso,la cantidad total de materiaque entra en ella ha de serigual a la cantidad total demateria que sale de lamisma, más toda lamateria que se haya
l d d t mmEE = m= mSS + m+ mAAacumulado dentro.
Este enunciado es general y tiene validez en todas las situaciones físicasposibles, con la excepción de las reacciones nucleares, en las que sí sedestruye parte de la materia para convertirse en energía, según la famosaecuación de Einstein E=mc2.
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FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
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Si además en ese sistema se produce reacción química:durante la reacción se produce la aparición de nuevasespecies y la desaparición de otras que ya existían.
Ecuación General de Balance
p y p q y
a través de a través de las fronteras las fronteras del sistemadel sistema
dentro del dentro del sistema por sistema por
reacciónreacción
dentro del sistema dentro del sistema por reacciónpor reacción
a través de a través de las fronteras las fronteras del sistemadel sistema
dentro del dentro del sistema sistema
ENTRAENTRA + GENERA+ GENERA -- DESAPARECEDESAPARECE -- SALESALE = ACUMULA= ACUMULA
Reacción
Ecuación General de BalanceEcuación General de Balance
Se puede aplicar a cada una de las sustancias involucradas en el proceso
Se pueden escribir dosdos tipostipos dede balancesbalances:
BALANCESBALANCES DIFERENCIALESDIFERENCIALES:: indican lo que está
Ecuación General de Balance
BALANCESBALANCES DIFERENCIALESDIFERENCIALES:: indican lo que estásucediendo en el sistema durante un instante de tiempodado. Los términos de la ecuación general se definen porunidad de tiempo (velocidad). Este es el tipo de balancespara sistemas continuos.
BALANCESBALANCES INTEGRALESINTEGRALES:: describen lo que ha ocurrido BALANCESBALANCES INTEGRALESINTEGRALES:: describen lo que ha ocurridodurante un intervalo de tiempo comprendido entre dosinstantes de tiempo. Aplicado a los procesos intermitentes obatch: t1= entrada de la alimentación y t2= vaciado deltanque.
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FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
Diagrama de Flujo
¿Qué es y qué debe contener?¿Qué es y qué debe contener?
DiagramaDiagrama dede flujoflujo dede procesoproceso:: representaciónrepresentación esquemáticaesquemáticadede laslas etapasetapas yy líneaslíneas dede procesoproceso queque constituyenconstituyen elel mismomismo..
Es un modelomodelo esquemáticoesquemático deldel procesoproceso en el que se muestra:
LaLa disposicióndisposición dede loslos equiposequipos parapara llevarllevar aa cabocabo elel procesoproceso..
LasLas conexionesconexiones entreentre laslas corrientescorrientes..
LosLos flujosflujos yy composicionescomposiciones dede laslas corrientescorrientes..
LasLas condicionescondiciones dede operaciónoperación (P,(P, TªTª……))
Hablaremos de Caja Negra cuando sólo conocemos las entradas ysalidas de materia o energía, aunque se desconozca, el lugar o el mododel que provienen.
Se utilizarán recuadros simples para representar las unidades deproceso y líneas con flechas para representar entradas y salidas.
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Límites del Sistema
Procesos de Unidades MúltiplesProcesos de Unidades Múltiples
SonSon laslas líneaslíneas fronterafrontera queque delimitandelimitan lala zonazona objetoobjeto dedeestudioestudio (sistema)(sistema).. LosLos límiteslímites deldel sistemasistema puedenpueden serser movidosmovidos( )( ) ppparapara facilitarfacilitar lala soluciónsolución deldel problemaproblema..
Las entradas y Las entradas y salidas al sistema salidas al sistema son las corrientes son las corrientes del proceso que del proceso que intersectan a las intersectan a las fronteras del fronteras del
F6
Unidad 1Unidad 1 Unidad 2Unidad 2F1
F2
F3 F5 F7
fronteras del fronteras del sistema.sistema.F4
Sistemas (cajas negras) para los que se pueden plantear balances:
•• Todo el proceso (global): FTodo el proceso (global): F11 + F+ F44 = F= F22 + F+ F66 + F+ F77
•• Una unidad: FUna unidad: F11=F=F22+F+F33 y Fy F55=F=F66+F+F77
•• Un tramo de conducción (punto de mezcla): FUn tramo de conducción (punto de mezcla): F33 + F+ F44 = F= F55
PROBLEMAPROBLEMA 11
Determinar la cantidad de azúcar (en base seca) que se puedeproducir a partir de 100 kg de una solución de azúcar que contiene un20 % en peso de azúcar y un 1 % de impureza soluble en agua. Lasolución es concentrada en un 75 % de azúcar, enfriada a 20 ºC,solución es concentrada en un 75 % de azúcar, enfriada a 20 C,centrifugada y los cristales secados
EvaporadorEvaporador
1º dibujo el diagrama de flujo del proceso:
CristalizadorCristalizador20 ºC20 ºC SecaderoSecadero
100 k l ió d A ú
solución de Azúcar 75 % azúcar
CentrífugaCentrífuga
Aire húmedo
Cristales secos
100 kg solución de Azúcar 20 % azúcar1 % impureza79 % agua
H2O (vapor)
Solución(agua + impureza)
Aire seco
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EvaporadorEvaporador CristalizadorCristalizador20 ºC20 ºC CentrífugaCentrífuga SecaderoSecadero
100 kg solución de Azúcar 20 % azúcar1 % impureza
solución de Azúcar 75 % azúcar
Aire húmedo
Cristales secos
1 % impureza79 % agua
H2O (vapor)
Solución(agua + impureza)
Aire seco
EVAPORADOR: al aumentar la Tª, el agua se evapora y portanto el azúcar se concentra, en este caso, desde un 20 % (w)hasta un 75 % (w). El aumento de Tª no afecta al balance demateria del azúcar.
CRISTALIZADOR: una disminución de Tª hace que comience elCRISTALIZADOR: una disminución de Tª hace que comience elcrecimiento de los cristales. Todo lo que entra sale. Aquí parte delazúcar solidifica.
CENTRÍFUGA: se produce la separación de los cristales y de unadisolución compuesta por agua e impurezas hidrosolubles
SECADERO: por último, los cristales que mantenían una ciertahumedad (agua de “mojado”) son secados con aire seco que secarga de humedad.
Son cajas negras,nos da igual (para el BM)
como funcionan.
solución de Azúcar 75 % azúcar
Aire húmedo
PROBLEMAPROBLEMA 11Determinar la cantidad de azúcar (en base seca) que se puede producir a partirde 100 kg de una solución de azúcar que contiene un 20 % en peso de azúcar yun 1 % de impureza soluble en agua. La solución es concentrada en un 75 % deazúcar, enfriada a 20 ºC, centrifugada y los cristales secados
EvaporadorEvaporador CristalizadorCristalizador20 ºC20 ºC CentrífugaCentrífuga SecaderoSecadero
100 kg solución de Azúcar 20 % azúcar1 % impureza79 % agua
75 % azúcar
Solución( i )
Aire seco
Cristales secos100 % azúcar
H2O (vapor) (agua + impureza)
Hacemos balance global a todo el sistema, al componente azúcar:
E=S
100·0,2 = 20 X = 20 kg de cristales de azúcarX = 20 kg de cristales de azúcar
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PROBLEMAPROBLEMA 33
Dibujar el diagrama de flujo para un cristalizador en el que entran
100 kg de azúcar concentrado conteniendo un 85 % de sacarosa y
1 % de inerte soluble. Al disminuir la Tª, el azúcar cristaliza. Una1 % de inerte soluble. Al disminuir la T , el azúcar cristaliza. Una
centrífuga separa los cristales del líquido llamado “licor madre”. La
corriente de cristales húmedos tiene como 20 % de su peso, un
líquido con la misma composición que el licor madre. El licor madre
contiene un 60 % de sacarosa en peso. Calcular los flujos y
composiciones de todas las corrientes.
100 % sacarosaS = Azúcar
(disolución)100 kg85 % sacarosa
CRISTALIZADORCRISTALIZADOR CENTRÍFUGACENTRÍFUGA
C = Cristales + licor madre
20 % (w) licor madre80 % cristales “secos”
PROBLEMAPROBLEMA 33
Tiene la misma composición que el licor madre que está impregnando los cristales de sacarosa
85 % sacarosa1 % inerte14 % agua
M = Licor madre
60 % (w) sacarosax (w) impurezas1 – (0,6+x) agua
BALANCEBALANCE GLOBALGLOBAL:: E=SE=S
S = C + M Ec. 1
BALANCEBALANCE AA LALA SACAROSASACAROSA:: cristales de sacarosaBALANCEBALANCE AA LALA SACAROSASACAROSA::
S·0,85 = M·0,6 + C·0,2·0,6 + C·0,8
Sacarosa en la corrientede entrada
Sacarosa en el licor madre
Licor madre en los xtales
Sacarosa en el licor madre de los xtales
Sacarosa en los xtales
Ec. 2
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100 % sacarosaS = Azúcar
(disolución)100 kg85 % sacarosa
CRISTALIZADORCRISTALIZADOR CENTRÍFUGACENTRÍFUGA
C = Cristales + licor madre
20 % (w) licor madre80 % cristales “secos”
PROBLEMAPROBLEMA 33
85 % sacarosa1 % inerte14 % agua
M = Licor madre
60 % (w) sacarosax (w) impurezas1 – (0,6+x) agua
BALANCEBALANCE ALAL AGUAAGUA::
S·0,14 = M·(0,4 - X) + C·0,2·(0,4 – X)
Agua en la ó
Agua en el Agua en el licor
Ec. 3
alimentación licor madre madre que moja los xtales
BALANCEBALANCE AA LASLAS IMPUREZASIMPUREZAS::
S·0,01 = M·X + C·0,2·X
I en la alimentación
I en el licor madre
I en el licor madre que moja los xtales
Ec. 4
100 % sacarosaS = Azúcar
(disolución)100 kg85 % sacarosa
CRISTALIZADORCRISTALIZADOR CENTRÍFUGACENTRÍFUGA
C = Cristales + licor madre
20 % (w) licor madre80 % cristales “secos”
PROBLEMAPROBLEMA 33
85 % sacarosa1 % inerte14 % agua
M = Licor madre
60 % (w) sacarosax (w) impurezas1 – (0,6+x) agua
Tenemos 4 ecuaciones y 3 incógnitas (M, C, x).Nos sobra una ecuación Necesito 3 ecuaciones linealmente independientes
S = C + M; 100 = C +M M = 100 - CEc. 1
S·0 85 = M·0 6 + C·0 2·0 6 + C·0 8Ec 2 S·0,85 = M·0,6 + C·0,2·0,6 + C·0,8
100·0,85 = M·0,6 + C·0,12 + C·0,8
85 = (100-C)·0,6 + C·0,2·0,6 + C·0,8
C = 78 kg M = 100 - 78 = 22 kg
Ec. 2
S·0,01 = M·X + C·0,2·X100·0,01 = 22·X + 78·0,2·X X = 0,0266 2,66 % impurezas en
el licor madre
Ec. 4
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100 % sacarosaS = Azúcar
(disolución)100 kg85 % sacarosa
CRISTALIZADORCRISTALIZADOR CENTRÍFUGACENTRÍFUGA
C = Cristales + licor madre
20 % (w) licor madre80 % cristales “secos”
PROBLEMAPROBLEMA 33
85 % sacarosa1 % inerte14 % agua
M = Licor madre
60 % (w) sacarosax (w) impurezas1 – (0,6+x) agua
22 kg de licor madre:
60 % sacarosa = 13,2 kg sacarosa2,66 % impurezas = 0,5852 kg impurezas(100 60 2 66) = 37 34 % agua = 8 2148 kg agua(100-60-2,66) = 37,34 % agua = 8,2148 kg agua
78 kg de cristales húmedos:
20 % licor madre = 15,6 kg 60 % sacarosa = 9,36 kg sacarosa2,66 % impurezas = 0,415 kg impurezas
37,34 agua = 5,825 kg agua
80 % cristales secos= 62,4 kg cristales sacarosa
C = 78 kg
M = 22 kg
X = 0,0266
Base de CálculoSeSe debedebe elegirelegir previamentepreviamente unauna basebase dede cálculocálculo aa lala queque referirreferirtodostodos loslos términostérminos deldel balancebalance
SiSi elel enunciadoenunciado deldel problemaproblema indicaindica lala cantidadcantidad oo velocidadvelocidad dede flujoflujo dede unaunacorriente,corriente, sese emplearáempleará dichadicha cantidadcantidad comocomo basebase dede cálculocálculo.. SiSi no,no, comocomocorriente,corriente, sese emplearáempleará dichadicha cantidadcantidad comocomo basebase dede cálculocálculo.. SiSi no,no, comocomonormanorma generalgeneral puedepuede tomarsetomarse elel siguientesiguiente criteriocriterio dede prioridadprioridad::
1.1. UnaUna cantidadcantidad dede unouno dede loslos componentescomponentes dede lala mezcla,mezcla, queque nonoreaccionareacciona químicamentequímicamente yy queque entraentra yy abandonaabandona elel sistemasistemaconcon elel mismomismo caudalcaudal yy formandoformando parteparte dede lala mismamisma corrientecorriente((elementoelemento claveclave))..
2.2. UnaUna cantidadcantidad dede unauna dede laslas corrientes,corrientes, generalmentegeneralmente dede lala quequeU aU a ca t dadca t dad dede u au a dede asas co e tes,co e tes, ge e a e tege e a e te dede aa quequesese tengatenga másmás informacióninformación..
3.3. UnUn intervalointervalo dede tiempotiempo
EnEn casocaso dede utilizaciónutilización dede operacionesoperaciones discontinuasdiscontinuas (batch(batch oo porpor cargas)cargas) laslasunidadesunidades dede laslas corrientescorrientes sonson absolutas,absolutas, mientrasmientras queque enen elel casocaso dede laslasoperacionesoperaciones continuascontinuas laslas unidadesunidades estaránestarán referidasreferidas aa unauna basebase temporaltemporal(kg/h,(kg/h, mm33/s,/s, mol/min,mol/min, etcetc..))
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EJEMPLOEJEMPLO:: SELECCIÓNSELECCIÓN BASEBASE CÁLCULOCÁLCULO
Un evaporador concentra una disolución salina diluida de 5 % en pesohasta una concentración del 30 % en peso. Calcular el caudal de aguaevaporada.
Disolución Diluida
5 % sal
Agua Evaporada
EVAPORADOREVAPORADORDisolución Concentrada
30 % Sal
No nos indican la cantidad o velocidad de flujo de ninguna corriente, portanto, de acuerdo al primer criterio, se tomaría como base de cálculo100 kg de sal, componente que no sufre reacción química, entra y saledel sistema con el mismo caudal y forma parte de la misma corrientelíquida
SOLUCIÓN:
Agua Evaporada
yy
BASEBASE CÁLCULOCÁLCULO == 100100 kgkg dede salsal alimentadosalimentados
BALANCEBALANCE AA LALA SALSAL::
100 0 30 X
Disolución Diluida
5 % salEVAPORADOREVAPORADOR
Disolución Concentrada
30 % Sal
yy
xx
X 333 k di l ió t dX 333 k di l ió t d
100100 kgkg dede salsal
100 = 0,30·X X = 333 kg disolución concentradaX = 333 kg disolución concentrada
BALANCEBALANCE ALAL AGUAAGUA::
100·(95/5) = 0,70·X + Y Y = 1.667 kg vaporY = 1.667 kg vapor
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¿Caudal de agua evaporada por cada 10.000 kg/h dedisolución diluida?
Agua Evaporada
yyFF == 1010..000000 kg/hkg/h
Disolución Diluida
5 % salEVAPORADOREVAPORADOR
Disolución Concentrada
30 % Sal xx
gg
Sabemos que por cada 100 kg de sal alimentada, se evaporan 1.667 kg de agua
ESCALADOESCALADO:: 1.6671.667100100
(10.000)(0,05) (10.000)(0,05) = 8.335 kg vapor/h= 8.335 kg vapor/h
kg vapor
kg salkg sal/h en F
FACTOR DE ESCALADO = 5FACTOR DE ESCALADO = 5
¿Caudal de agua evaporada por cada 10.000 kg/h dedisolución diluida?
Agua Evaporada
yyFF == 1010..000000 kg/hkg/h
Si desde un principio nos dicen:
Disolución Diluida
5 % salEVAPORADOREVAPORADOR
Disolución Concentrada
30 % Sal xx
gg
Base cálculo = 1 hora
BALANCEBALANCE AA LALA SALSAL::
10.000·0,05 = 0,30·x x = 1.667 kg disolución conc.x = 1.667 kg disolución conc.
BALANCEBALANCE TOTALTOTAL (o(o alal agua)agua)::
10.000 = x + y = 1.667 + y y = 8.333 kg vapory = 8.333 kg vapor
16
SELECCIÓNSELECCIÓN BASEBASE CÁLCULOCÁLCULO
A un cristalizador se alimenta una disolución salina caliente con unaconcentración de 50 % en peso de sal. Al enfriar cristaliza la sal,separándose una disolución fría saturada con 20 % en peso de sal ycristales húmedos con 5 % en peso de agua.cristales húmedos con 5 % en peso de agua.Calcular los caudales másicos de disolución saturada y de cristaleshúmedos que salen del cristalizador.
Disolución Salina
50 % sal
Cristales, 5 % Agua
CRISTALIZADORCRISTALIZADORDisolución Saturada
20 % Sal
No nos indican la cantidad o velocidad de flujo de ninguna corriente, peroen este caso la sal sale formando parte de dos corrientes distintas portanto no proporciona una base de cálculo apropiada, al igual que el agua.
En este caso, según el 2º criterio, se tomará una cantidad de unacorriente de la que se conozca su composición: p.e. 100 kg DisoluciónSalina.
SOLUCIÓN:
xx
BASEBASE CÁLCULOCÁLCULO == 100100 kgkg dede disolucióndisolución salinasalina
FF == 100100 kgkgDisolución Salina Disolución Saturada
BALANCEBALANCE AA LALA SALSAL:: 100·0,5 = 0,20·X + 0,95·y
yy
xxDisolución Salina
50 % sal
Cristales, 5 % Agua
CRISTALIZADORCRISTALIZADORDisolución Saturada
20 % Sal
BALANCEBALANCE ALAL AGUAAGUA 100 0 5 0 80 X + 0 05
x = 60 kg disolución saturadax = 60 kg disolución saturada
y = 40 kg cristales húmedosy = 40 kg cristales húmedos
BALANCEBALANCE ALAL AGUAAGUA:: 100·0,5 = 0,80·X + 0,05·y
BALANCEBALANCE TOTALTOTAL:: 100 = x + y
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Elemento Clave
Es un componente usado para relacionar la cantidad de una
corriente del proceso con la cantidad de otra. Este componente
normalmente no cambia durante el proceso. Ejemplos: sólidos
en proceso de evaporación (el sólido no se va a evaporar), N2
en procesos de combustión (el nitrógeno no se quema) o
inertes en procesos de extracción (sustancias insolubles en el
agente extractor).
Son elementos que tal como entran salen del sistema en la
misma forma.
Estado Estacionario Sin Reacción Química
ENTRAENTRA + GENERA+ GENERA -- DESAPARECEDESAPARECE -- SALESALE = ACUMULA= ACUMULA
000Estado EstacionarioEstado Estacionario: : A = 0A = 0
Sin Reacción QuímicaSin Reacción Química: : G = D = 0G = D = 0
000
ENTRAENTRA -- SALE = 0SALE = 0
úú áá
REGLASREGLAS1.1. ElEl númeronúmero máximomáximo dede ecuacionesecuaciones linealmentelinealmente independientesindependientes queque
puedenpueden plantearseplantearse escribiendoescribiendo balancesbalances enen unun sistemasistema nono reactivoreactivo esesigualigual alal númeronúmero dede especiesespecies químicasquímicas enen laslas corrientescorrientes dede entradaentrada yydede salidasalida..
2.2. LaLa resoluciónresolución resultaresulta másmás sencillasencilla sisi sese escribenescriben primeroprimero aquellosaquellos
balancesbalances queque incluyanincluyan elel menormenor númeronúmero dede variablesvariables desconocidasdesconocidas..
18
Análisis de los Grados de Libertad
GRADOS LIBERTAD (nGRADOS LIBERTAD (ndfdf)= nº incógnitas )= nº incógnitas –– nº ec. independientesnº ec. independientes
ndf = 0 El problema puede resolverse
ndf > 0+ incógnitas que ecuaciones, deben especificarsendf valores de variables (problema subespecificado ∞ soluciones)
ndf < 0+ ecuaciones que incógnitas exceso deespecificaciones con relaciones redundantes y quizáinconsistentes
Las ecuaciones pueden obtenerse de:Las ecuaciones pueden obtenerse de:Las ecuaciones pueden obtenerse de:Las ecuaciones pueden obtenerse de:
1.1. Balances de MateriaBalances de Materia2.2. Balance de EnergíaBalance de Energía3.3. Especificaciones del ProcesoEspecificaciones del Proceso4.4. Propiedades y Leyes FísicasPropiedades y Leyes Físicas5.5. Restricciones FísicasRestricciones Físicas
BALANCE EN ESTADO ESTACIONARIO SIN REACCIÓNQUÍMICA: UNA SOLA UNIDAD DE PROCESO
Una mezcla líquida que contiene 45% de benceno (B) y 55% de
tolueno (T) en peso, se alimenta a una columna de destilación. La
corriente de producto que sale por la parte superior de la columna
(producto ligero) contiene 95% (% mol) de B y la corriente
producto que sale por la parte inferior contiene el 8% del benceno
alimentado a la columna.
La velocidad de flujo volumétrico de la corriente de alimentación es
2000 l/h l d id d d l l d li t ió 0 872 k /l2000 l/h y la densidad de la mezcla de alimentación es 0,872 kg/l.
Determine la velocidad de flujo másico de la corriente de producto
ligero, y la velocidad de flujo másico y la composición (fracciones
másicas) de la corriente de producto que sale por la parte inferior.
19
SOLUCIÓN:11..-- ElegirElegir unauna BASEBASE dede CÁLCULOCÁLCULO:: velocidadvelocidad dede flujoflujo dede lalacorrientecorriente dede alimentaciónalimentación ((20002000 l/h)l/h)
22..-- DibujarDibujar yy MarcarMarcar elel DiagramaDiagrama dede FlujoFlujo
FF == 20002000 l/hl/h == 00,,872872 kg/lkg/l
Alimentación COLUMNA DECOLUMNA DE
DESTILACIÓNDESTILACIÓN
95 % (mol) B5 % (mol) T
Producto Ligero
●m (kg/h)
●m2 (kg/h)
YB % (wt) B YT % (wt) TPM
DESTILACIÓNDESTILACIÓN
Producto Pesado
m1(kg/h)
●m3 (kg/h)
XB % (wt) B (8 % de B en F)XT % (wt) T
45 % (wt) Benceno55 % (wt) Tolueno
SOLUCIÓN:
●m1(kg/h) = F· = 2000 l/h · 0,872 kg/l = 1744 kg/h
*Caudal másico de la alimentaciónalimentación:
*Fracciones en peso del producto ligeroproducto ligero:p p gp g
PM (benceno) = 78,11 kg/kmolPM (tolueno) = 92,13 kg/kmol
Base: 100 kmol de producto ligero: 95 kmol B y 5 kmol T
95 kmol B x 78,11 kg B/kmol B = 7420 kg B5 kmol T x 92,13 kg T/kmol T = 461 kg T
7881 kg de producto ligero7881 kg de producto ligeroYB % (wt) B = 7420/7881 = 0,942 YT % (wt) T = 0,058
*Producto pesadoProducto pesado:
El benceno en esta corriente es un 8% del que entra:●m3 · XB = 0,08 · (0,45·m1) = 0,08·0,45·1744 = 62, 8 kg B/h
●
20
SOLUCIÓN:
Alimentación COLUMNA DECOLUMNA DE
DESTILACIÓNDESTILACIÓN
94,2 % (wt) B5,8 % (wt) T
Producto Ligero
●m1= 1744 kg/h
●m2 (kg/h)
45 % ( t) BProducto Pesado ●
m3 (kg/h)XB % (wt) B (8 % de B en F)XT % (wt) T
45 % (wt) Benceno55 % (wt) Tolueno
4 incógnitas 4 incógnitas Necesito 4 ecuaciones: Necesito 4 ecuaciones:
1ª ecuación (de especificación): ●m3 · XB = 62, 8 kg B/h
2ª ó (d ó fí )2ª ecuación (de restricción física): XB + XT = 1
3ª ecuación (Balance al benceno): ●
(0,45·m1)= m2·0,942 + m3 · XB● ●
4ª ecuación (Balance total o al tolueno): ●m1= m2 + m3
● ●
●m2= 766 kg/h
m3= 978 kg/h
XB % (wt) = 0,064
XT % (wt) = 0,936
BALANCE A VARIAS UNIDADES DE PROCESO
Un tren de separación formado por dos columnas de destilación se hadiseñado para separar una mezcla de benceno, tolueno y xileno, en trescorrientes, cada una con uno de los tres componentes en composiciónpredominan, tal y como se muestra en la figura.
Dado un flujo de alimentación de 1000 mol/h de una mezcla quej / qconsiste de 20% de benceno, 30% de tolueno y el resto xileno (% enmol), en la primera unidad se obtiene un producto de fondos con 2,5%de benceno y 35% de tolueno, y un producto de destilado de 8% debenceno y 72% de tolueno en la segunda unidad.Determinar la cantidad de material que procesará cada unidad y lamanera en que se dividirá este material entre las corrientes de salida.
DestiladoDestilado BencenoTolueno
DestiladoDestilado BencenoToluenoXileno
AlimentaciónAlimentación
BencenoTolueno Xileno
FondosFondos
BencenoToluenoXileno FondosFondos Tolueno
Xileno
I II
21
XBF=0,2
XTF=0,3
DD11
I IIF = 1000 mol/hF = 1000 mol/h
X B1=0 025
XBD1
XTD1
DD22 XBD2=0,08
XTD2=0,72
XXD2= 0,2
BALANCEBALANCE AA LALA 11ªª COLUMNACOLUMNA
Balance de masa total:Balance de masa total: F = D1 + B1
1000 = D1 + B1
XT 0,3XX
F=0,5
BB11
XBB1=0,025
XTB1=0,35
XXB1=0,625 BB22 XT
B2
XXB2
D1 = 200 mol/h
Balance al Xileno:Balance al Xileno:
Balance al Benceno:Balance al Benceno:
XBD1 = 0,9
1000 D1 + B1
F·XBF = D1·XB
D1 + B1·XBB1
1000·0,2 = 200·XBD1 + 800·0,025
F·XXF = D1·XX
D1 + B1·XXB1
1000·0,5 = D1·0 + B1·0,625 B1 = 800 mol/h
1 /
XTD1 = 0,1
XBF=0,2
XTF=0,3
DD11=200 mol/h=200 mol/h
I IIF = 1000 mol/hF = 1000 mol/h
X B1=0 025
XBD1 = 0,9
XTD1 = 0,1
DD22 XBD2=0,08
XTD2=0,72
XXD2= 0,2
BALANCEBALANCE AA TODOTODO ELEL PROCESOPROCESO::
Balance de masa total:Balance de masa total: F = D1 + D2 + B2
800 = D2 + B2
XT 0,3XX
F=0,5
BB11 = 800 mol/h= 800 mol/h
XBB1=0,025
XTB1=0,35
XXB1=0,625 BB22 XT
B2
XXB2
B2 = 550 mol/h
Balance al Benceno:Balance al Benceno:
Balance al Xileno:Balance al Xileno:XX
B2 = 0,82
800 D2 + B2
F·XXF = D1·XX
D1 + D2·XXD2 + B2·XX
B2
1000·0,5 = 200·0 + 250·0,2 + 550·XXB2
F·XBF = D1·XB
D1 + D2·XBD2 + B2·XB
B2
1000·0,2 = 200·0,9 + D2·0,08 + B2·0 D2 = 250 mol/h
2 /
XTB2 = 0,18
22
BALANCE A ESTADO ESTACIONARIO SIN REACCIÓNQUÍMICA: VARIAS UNIDADES DE PROCESO
Se desea separar una mezcla que contiene 50 % en peso de
acetona y 50 % en peso de agua en dos corrientes, una
enriquecida con acetona y la otra con agua. El proceso de
separación consiste en extraer la acetona del agua usando metil
isobutil cetona (MIBK), la cual disuelve la acetona pero es casi
inmiscible con el aguainmiscible con el agua.
ALIMENTACIÓN
50 % A50 % W
M (solvente)
MEZCLADORMEZCLADOR
DECANTADORDECANTADOR
MEZCLADORMEZCLADOR
DECANTADORDECANTADOR
REFINADO 1Ppalmente W y A
M (solvente)REFINADO 2Ppalmente WPoco M y A
EXTRACTO 1Ppalmente M y A
EXTRACTO 2Ppalmente M Ppalmente M y A p
Poca A y W
Extracto combinado
PRODUCTO: D
Solvente recuperado: B
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
A = acetona (soluto)A = acetona (soluto)W = agua (diluyente)W = agua (diluyente)M = MIBK (solvente)M = MIBK (solvente)
1 Primero se pone en contacto la mezcla de acetona y agua con la MIBK en unmezclador. Una porción de la acetona de la alimentación se transfiere de lafase acuosa a la fase orgánica en este paso. La mezcla pasa a un tanque dedecantación, donde las fases se disocian y retiran por separado. La fase rica endiluyente se denomina refinado y la fase rica en solvente es el extracto. Lacombinación mezclador-decantador constituye la primera etapa de esteproceso de separación.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESODESCRIPCIÓN DEL PROCESOSolvente recuperado: B
Ppalmente M, poca A y W
23
ALIMENTACIÓN
50 % A50 % W
M (solvente)
MEZCLADORMEZCLADOR
DECANTADORDECANTADOR
MEZCLADORMEZCLADOR
DECANTADORDECANTADOR
REFINADO 1Ppalmente W y A
M (solvente)REFINADO 2Ppalmente WPoco M y A
EXTRACTO 1Ppalmente M y A
EXTRACTO 2Ppalmente M Ppalmente M y A p
Poca A y W
Extracto combinado
PRODUCTO: D
Solvente recuperado: B
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
A = acetona (soluto)A = acetona (soluto)W = agua (diluyente)W = agua (diluyente)M = MIBK (solvente)M = MIBK (solvente)
DESCRIPCIÓN DEL PROCESODESCRIPCIÓN DEL PROCESOSolvente recuperado: B
Ppalmente M, poca A y W
2 El refinado pasa a la segunda etapa de extracción, donde se pone en contactocon una segunda corriente de MIBK pura, lo que permite la transferencia demás acetona. Se permite que ambas fases se separen en un segundodecantador y el refinado de esta etapa se desecha. Se combinan los extractosde las dos etapas y se alimentan a una columna de destilación.
ALIMENTACIÓN
50 % A50 % W
M (solvente)
MEZCLADORMEZCLADOR
DECANTADORDECANTADOR
MEZCLADORMEZCLADOR
DECANTADORDECANTADOR
REFINADO 1Ppalmente W y A
M (solvente)REFINADO 2Ppalmente WPoco M y A
EXTRACTO 1Ppalmente M y A
EXTRACTO 2Ppalmente M Ppalmente M y A p
Poca A y W
Extracto combinado
PRODUCTO: D
Solvente recuperado: B
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
A = acetona (soluto)A = acetona (soluto)W = agua (diluyente)W = agua (diluyente)M = MIBK (solvente)M = MIBK (solvente)
DESCRIPCIÓN DEL PROCESODESCRIPCIÓN DEL PROCESOSolvente recuperado: B
Ppalmente M, poca A y W
3 El producto ligero de la columna (producto de cabeza) es rico en acetona y esel producto del proceso. El efluente pesado (producto de cola) es rico en MIBKy en un proceso real se trataría y se recircularía para devolverlo a la primeraetapa de la extracción (esto se verá más adelante)
24
ESTADO ESTACIONARIO SIN REACCIÓN QUÍMICA
Se desea separar una mezcla que contiene 50 % en peso de acetona y50 % en peso de agua en dos corrientes, una enriquecida con acetona yla otra con agua. El proceso de separación consiste en extraer la
t d l d til i b til t (MIBK) l l di lacetona del agua usando metil isobutil cetona (MIBK), la cual disuelvela acetona pero es casi inmiscible con el agua.Por cada 100 kg de acetona-agua que se alimentan a la primera etapade extracción, se alimentan 100 kg de MIBK a la primera etapa y 75 kga la segunda etapa.El extracto de la primera etapa contiene 27,5 % de acetona.El refinado de la segunda etapa tiene una masa de 43,1 kg y contiene5,3 % de acetona, 1,6 % de MIBK y 93,1% de agua.El extracto de la segunda etapa contiene 9% de acetona, 88 % de MIBKy 3 % de aguay 3 % de agua.El producto ligero de la columna de destilación contiene 2% de MIBK y,1 % de agua y el balance de acetona y tiene una masa de 46,4 kg.Calcular las masas y composiciones del refinado y el extracto de laetapa 1, el extracto de la etapa 2, el extracto combinado y el productopesado de la destilación.
NOTA: todos los % son en peso
SOLUCIÓN:Comenzaremos por dibujar el diagrama de flujo. Cada combinación demezclador-decantador lo trataremos como una sola unidad deextracción o “extractor”:
F2=100 kg M F3=75 kg M
F1=100 kg
50 % A50 % W
2 g
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3 75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
97 % A
% A% M% W
% M% W
Incógnitas:Incógnitas:RR11, X, XMR1MR1, X, XAR1AR1 ó Xó XWR1WR1EE11, X, XME1ME1 ó Xó XWE1WE1EE22B, XB, XMBMB, X, XABAB ó Xó XWBWB
B
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
ECombinado
97 % A2 % M1 % W
% A% M% W
Base Cálculo = 100 kg de F1
25
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
% M% W
BALANCEBALANCE AA TODOTODO ELEL PROCESOPROCESO::B
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN 97 % A
2 % M1 % W
% A% M% W
Balance de masa total:Balance de masa total: DBRFFF 2321
ECombinado
% A% M% W
Balance a A:Balance a A:
B = 185,5 kg
1,46 % A (en B)
Balance a W:Balance a W:5,07 % W (en B)
46,4B43,1751001002321
BA,
BA,DA,RA,2FA,1
x5,18597,04,46053,01,435,0100
xBxDxRxF21
BW,
BW,DW,RW,2FW,1
x5,18501,04,46931,01,435,0100
xBxDxRxF21
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
% M% W
B
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN 97 % A
2 % M1 % W
% A% M% W
ECombinado
% A% M% W
Corriente B: Corriente B: producto pesado de la columnaproducto pesado de la columna
B = 185,5 kg1,46 % A5,07 % W
100 - 1,46 - 5,07= 93,47 % Mkg A = 185,5 · 0,0146 = 2,71 kg Acetonakg W = 185,5 · 0,051 = 9,46 kg Aguakg M = 185,5 · 0,9347 = 173,38 kg MIBK
Corriente B: Corriente B: producto pesado de la columnaproducto pesado de la columna
26
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
% M% W
BALANCEBALANCE AA LALA COLUMNACOLUMNADEDE DESTILACIÓNDESTILACIÓN B = 185,5 kg
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
ECombinado
97 % A2 % M1 % W
1,46 % A93,47 % M5,07 % W
Balance de masa total:Balance de masa total: DBEC
% A% M% W
Balance a A:Balance a A:
EC = 231,9 kg
20,58 % A (en EC)
Balance a W:Balance a W:4,26 % W (en EC)
46,4185,5EC
C
0146,05,18597,04,46x9,231
xBxDxE
CA,
BA,DA,CA,C
0507,05,18501,04,46x9,231
xBxDxE
C
C
EW,
BW,DW,EW,C
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
% M% W
BALANCEBALANCE AA LALA COLUMNACOLUMNADEDE DESTILACIÓNDESTILACIÓN B = 185,5 kg
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
ECombinado
97 % A2 % M1 % W
1,46 % A93,47 % M5,07 % W
C i t EC i t E t t bi dt t bi d
% A% M% W
EC = 231,9 kg20,58 % A4,26 % W
Corriente ECorriente ECC: : extracto combinadoextracto combinado
100 – 20,58 – 4,26= 75,16 % Mkg A = 231,9 · 0,2058 = 47,72 kg Acetonakg W = 231,9 · 0,0426 = 9,88 kg Aguakg M = 231,9 · 0,7516 = 174,3 kg MIBK
27
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
% M% W
BALANCE AL PUNTO DE BALANCE AL PUNTO DE MEZCLA DE LOS EXTRACTOSMEZCLA DE LOS EXTRACTOS
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
EC = 231,9 kg
97 % A2 % M1 % W
Balance de masa total:Balance de masa total: EEE c21
B = 185,5 kg
1,46 % A93,47 % M5,07 % W
20,58 % A75,16 % M4,26 % W
0426,09,23103,074,86x16,145
xExExE
1
C21
EW,
EW,CEW,2EW,1
2058,09,23109,0E275,0E
xExExE
21
EA,CEA,2EA,1 C21
Balance a A:Balance a A:
E1 = 145,16 kgE2 = 86,74 kg
Balance a W:Balance a W:5,01 % W (en E1)
231,9EE 21
c21
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1 R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % WE1
27,5 % AE2
9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
% M% W
BALANCE AL PUNTO DE BALANCE AL PUNTO DE MEZCLA DE LOS EXTRACTOSMEZCLA DE LOS EXTRACTOS
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
EC = 231,9 kg
97 % A2 % M1 % W
Corrientes ECorrientes E y Ey E : : corrientes de extractoscorrientes de extractos
B = 185,5 kg
1,46 % A93,47 % M5,07 % W
20,58 % A75,16 % M4,26 % W
100 – 27,5 – 5,01= 67,49 % M (en E1)E1: 39,92 kg A, 7,27 kg W y 97,97 kg ME2: 7,81 kg A, 2,6 kg W y 76,33 kg M
E1 = 145,16 kgE2 = 86,74 kg5,01 % W
Corrientes ECorrientes E11 y Ey E22: : corrientes de extractoscorrientes de extractos
28
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1
R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % W
E1=145,16 kg27,5 % A
E2 = 86,74 kg9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
BALANCEBALANCE ALAL EXTRACTOREXTRACTOR 11
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
5,01 % W67,49 % M
97 % A2 % M1 % W
Balance de masa total:Balance de masa total: ERFF 1121
B = 185,5 kg
1,46 % A93,47 % M5,07 % W
EC = 231,9 kg
20,58 % A75,16 % M4,26 % W
Balance a A:Balance a A:
Balance a W:Balance a W:77,91 % W (en R1)
R1 = 54,84 kg
18,38 % A (en R1)
145,16R100100 1
1121
275,016,145x84,5401005,0100
xExRxFxF
1
1121
RA,
EA,1RA,1FA,2FA,1
0501,016,145x84,5401005,0100
xExRxFxF
1
1111
RW,
EW,1RW,1FW,1FW,1
F1=100 kg
50 % A50 % W
F2=100 kg M
EXTRACTOREXTRACTOR EXTRACTOREXTRACTOR
PRODUCTO: D = 46,4 kg
F3=75 kg M
R1
R2=43,1 kg
5,3 % A1,6 % M93,1 % W
E1=145,16 kg27,5 % A
E2 = 86,74 kg9 % A88 % M3 % W
% A% M% W
BALANCEBALANCE ALAL EXTRACTOREXTRACTOR 11
CO
LU
MN
A
CO
LU
MN
A
DE
STIL
AC
IÓN
DE
STIL
AC
IÓN
5,01 % W67,49 % M
97 % A2 % M1 % W
Corriente RCorriente R11: : refinado del 1refinado del 1erer extractorextractorB = 185,5 kg
1,46 % A93,47 % M5,07 % W
EC = 231,9 kg
20,58 % A75,16 % M4,26 % W
R1 = 54,84 kg18,38 % A 77,91 % W
11
100 – 18,38 – 77,91= 3,71 % M kg A = 54,84 · 0,1838 = 10,08 kg Acetonakg W = 54,84 · 0,7791 = 42,73 kg Aguakg M = 54,84 · 0,0371 = 2,03 kg MIBK
29
BLOQUE II. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA BLOQUE II. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA MACROSCÓPICOS.MACROSCÓPICOS.
FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
RECICLORECICLO
Fracción de la corriente de salida de una unidad de proceso que esrecirculada bien a la entrada de dicha unidad o a otra unidad previa. Larecirculación permite la recuperación y utilización de reactivos noconsumidos, la recuperación de catalizadores, la dilución de un flujo de
RECIRCULACIÓN
, p , jproceso y el control de una variable de proceso.
Corriente de RecicloR
BUnidad de Unidad de ProcesoProceso
F PA=F+R
Punto de Divergencia:Punto de Divergencia: las 3 corrientes tienen la misma composición.
Punto de Mezcla:Punto de Mezcla: las 3 corrientes tienen distinta composición
PURGAPURGA
Fracción de la corriente de salida de una unidad de proceso que es purgadadel sistema para evitar acumulación de materia en dicha unidad. Siempreque exista una corriente de recirculación ha de existir una corriente depurga para mantener el sistema en régimen permanente (P).
Punto de Mezcla:Punto de Mezcla: las 3 corrientes tienen distinta composición.
30
Es la separación de parte de la corriente de alimentación a un procesoy la incorporación posterior a la corriente resultado del proceso.
BYPASS Ó DERIVACIÓN
Corriente de derivación (D)
BA=F- D
Punto de Divergencia:Punto de Divergencia: las 3 corrientes
Unidad de Unidad de ProcesoProceso
F P
Punto de Divergencia:Punto de Divergencia: las 3 corrientes tienen la misma composición.
Punto de Mezcla:Punto de Mezcla: las 3 corrientes tienen distinta composición.
Estos puntos de mezcla y de divergencia son puntos (subsistemas) Estos puntos de mezcla y de divergencia son puntos (subsistemas) interesantes o subsistemas para realizar balances.interesantes o subsistemas para realizar balances.
DERIVACIÓNDERIVACIÓN OO BYPASSBYPASS
El jugo de naranja fresco contiene 12.0 % en peso de sólidosy el resto de agua; mientras el jugo de naranja concentradocontiene 42 % de sólidos. Se utilizó inicialmente un soloproceso de evaporación para concentrar el jugo, pero loscomponentes volátiles escaparon con el agua dejando alconcentrado sin sabor. El siguiente proceso resuelve esteproblema: se realiza una desviación del evaporador con unafracción de jugo fresco; el jugo que entra al evaporador seconcentra hasta que tiene 58 % de sólidos, y el producto semezcla con el jugo fresco desviado para alcanzar laconcentración final de sólidos deseada (42 %).
Calcula la cantidad de jugo concentrado producido por cada100 kg del jugo fresco que alimenta el proceso y la fracciónde la alimentación que se desvía del evaporador.
31
SOLUCIÓN:
D
cAEvaporadorEvaporador
F P
100 kg12 %
42 %58 %
B l E SB l E S
W
DBalances: E=SBalances: E=S
1. Balance Global:Masa total: F= W +P
100 = W + PA los sólidos: F·xF = W ·xW + P·xP
100·0,12=W·0 + P·0,42
P = 28,57 kgP = 28,57 kgW = 71,43 kg W = 71,43 kg
2. Balance al Punto de Mezcla:
3. Balance al Punto de Derivación:Masa total: F= A +D
100 = A + 9,94
Masa total: C + D= PC+ D = 28,57
A los sólidos: C·xC + D ·xD = P·xPC·0,58 +(28,57-C)·0,12=28,57·0,42
C = 18,63 kgC = 18,63 kgD = 9,94 kg D = 9,94 kg
A = 90,06 kg A = 90,06 kg D/F=0,0994
Fracción derivadaFracción derivada
PROBLEMAPROBLEMA 66 COLECCIÓNCOLECCIÓN
Una planta piloto de evaporación en cortina tiene una capacidad deevaporación de 10 kg/h de agua. El sistema consiste en uncalentador a través del cual el fluido circula hacia abajo en forma decortina y el fluido calentado se descarga en un colector que trabajaa vacío en el cual, una evaporación “flash” reduce la temperatura dela vacío en el cual, una evaporación flash reduce la temperatura delfluido caliente hasta su punto de ebullición. En una operacióncontinua, una bomba recircula parte del concentrado del reservorio(almacenamiento) con la alimentación del concentrado, e impulsa lamezcla a través del intercambiador. La bomba impulsa 20 kg/h defluido. El fluido del colector debe encontrarse a la concentracióndeseada para que el evaporador funcione continuamente. Si laalimentación consiste en 5.5 % sólidos y se necesita concentrarloshasta un 25 %, calcular:
1.Caudal de alimentación y producción de concentrado2.Cantidad de concentrado recirculado3.Concentración de la mezcla de alimentación y concentradorecirculado
32
A = 20 kg/hxA
EvaporadorEvaporador
F5,5 % sólidos
Concentrado (C)25% sólidos
Vapor (V), 100 % aguaV = 10 kg/h
ColectorColector
Base cálculo = 1 hora
R25 % sólidos
1. Balance Global:Masa total: F= C + V
F= C + 10
A los sólidos: F·x = C ·x + V·x
Sustituyo F:(C + 10)·0,055 = C·0,25
C = 2,82 kgC = 2,82 kgA los sólidos: F·xF = C ·xC + V·xVF·0,055=C·0,25 + V·0
, g, gF = 12,82 kg F = 12,82 kg
2. Balance al Punto de Mezcla:Masa total: F + R = 20
12,82 + R = 20
A los sólidos: F·xF + R ·xR = A·xA12,82·0,055 + 7,18 ·0,25 = 20·xA
R = 7,18 kgR = 7,18 kg
xxAA = 0,125= 0,125
BLOQUE II. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA BLOQUE II. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA MACROSCÓPICOS.MACROSCÓPICOS.
FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA DE INGENIERÍA QUÍMICAQUÍMICA
Tema 2. Balances de materia sin reacción química en estado estacionario.
1. Consideraciones previas.
2. Principio de conservación de la materia. Conceptos básicos. Clasificación delos procesos.
3. Ecuación general del balance: balance para procesos continuos,discontinuos y semicontinuos.y
4. Diagrama de flujo de un proceso. Límites del sistema, base de cálculo,elemento clave.
5. Reciclo, derivación y purga.
6. Procedimiento sistemático para la realización de balances de materia enestado estacionario sin reacción química.
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1. Dibujar el diagrama de flujo del proceso.
2. Identificar el flujo de cada corriente y las composiciones
Procedimiento Sistemático para la Resolución de BM
asociadas con símbolos. Poner todos los valores conocidos de las
composiciones y flujos de las corrientes en la figura y calcular las
composiciones adicionales a partir de los datos según sea necesario.
3. Listar mediante símbolos cada uno de los valores desconocidos
de los flujos y composiciones de las corrientes (incógnitas), o
cuando menos marcar claramente de alguna forma.cuando menos marcar claramente de alguna forma.
4. Definición del sistema y/o subsistemas y trazado de las
correspondientes líneas frontera (límite del balance).
5. Selección de la base de cálculo. La base de cálculo es una
cantidad (procesos discontinuos) o velocidad de flujo (procesos
Procedimiento Sistemático para la Resolución de BM
(p ) j (p
continuos) de una de las corrientes del proceso. Si esta cantidad
es conocida todas las demás variables estarán calculadas en la
escala correcta. Si hay que suponer una base de cálculo porque
no está especificada en el enunciado del problema, se escoge una
cantidad de flujo cuya composición (molar ó másica) sea
conocida. El orden de preferencia para elegir la base de cálculo es
1) una cantidad de un componente inerte, 2) un flujo de corriente
de la que se conoce el mayor número de datos, 3) un intervalo de
tiempo.
34
6. Planteamiento de las ecuaciones linealmente independientes que sepueden establecer entre las incógnitas:
a) Especificaciones del problema.
b) R t i i fí i
Procedimiento Sistemático para la Resolución de BM
b) Restricciones físicas
c) Balances de materia a las especies implicadas en ausencia dereacciones químicas: se pueden plantear tantos balances comoespecies químicas diferentes hay en los flujos de entrada y salida delproceso. Para N especies se pueden escribir N balances, ya sean paracada una de las especies, o para N-1 especies y para la masa total(kg o moles).
d) B l d t i l i i li d i dd) Balances de materia a las especies implicadas en presencia dereacciones químicas: se pueden establecer balances atómicos(E=S) o moleculares (existe aparición o desaparición dependiendo desi es un producto o un reactivo). Cuando coexisten varias reaccionesquímicas son preferibles los balances atómicos.
7. Para facilitar la resolución posterior es conveniente escribir los
balances de menor a mayor número de incógnitas implicadas. Cada
vez que se resuelva el valor de una incógnita éste ha de aparecer
Procedimiento Sistemático para la Resolución de BM
vez que se resuelva el valor de una incógnita, éste ha de aparecer
reflejado en el diagrama de flujo.
8. Contabilidad del problema: un problema tiene una única solución
si el nº de incógnitas es igual al nº de ecuaciones linealmente
independientes.
Nº grados libertad= nº incógnitas - nº ec. linealmente independientes
9 Si la base de cálculo utilizada en la resolución no coincide con la9. Si la base de cálculo utilizada en la resolución no coincide con la
cantidad proporcionada por el problema se ha de realizar el escalado
correspondiente para presentar el resultado final correcto.
10. Verificar las respuestas introduciéndolas (o algunas de ellas) en los
balances de materia ¿se satisfacen las ecuaciones?