1. Ingeniería Ambiental Introducción Balances de materia.pptx

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Ingeniería AmbientalInstituto Tecnológico de Boca del Río

Maestría en Ciencias en Ingeniería Ambiental


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Objetivo de la asignatura

Proporcionar al alumno conocimientos sobre las oper

ingenieriles unitarias básicas npara la comprensión

dimensionamiento maneoptimi"ación de instalaciones

de tratamiento de la contamambiental en los ecosistemas

costeros$


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Contenido temático

%&I'A' I Balances de materia

%&I'A' II Balances de energía

%&I'A' III Operaciones unitarias (ísicas controladas portrans(erencia de materia

%&I'A' I) Operaciones unitarias (ísicas controladas portrans(erencia de calor


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%&I'A' IBalances de materia


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Objetivos de aprendi"aje

*mplear de la le! de conservación de la materia para +acebalance de masa sin reacción #uímica en estado estaciona

'eterminar si en ciertas situaciones el estado es o noestacionario ! aplicar esta in(ormación al balance de masa

Resolver problemas #ue involucren a balances de masa conreacción #uímica$

Aplicar las bases del balance de masa en sistemas en estadestacionario ! no estacionario en la ingeniería ambiental$


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FUNDAMENTOS DE LOS BALANCES DE MATERIA

,e! de la conservación de la materia- .,a materia no se crea ni se destru!e sólo su(re una

trans(ormación/

CA,'*RA

0lbm a"u(re1día2entra

0lbm a"u(re1día2sale

*&TRA'A TOTA, '* MA3A 4 3A,I'A

,a Ingeniería Ambiental involucracosas a operaciones como-• Reacciones #uímicas• Transporte de (luidos• 5eneración ! transporte de• 'estilación• Absorción de gases• Biorreactores


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Para e(ectuar un balance de materia de un proceso primero +a! #ue especi(icar #u6 consiste el sistema para el cual se +ará el balance ! establecer sus (ronteras$

Conceptos preliminares

3I3T*MA- Cual#uier porción o la totalidad de un

proceso establecida especí(icamente para su análisis$7RO&T*RA '*, 3I3T*MA- ,ínea circunscrita(ormalmente alrededor del proceso a (in de delinearel sistema para cada problema a resolver$ Puede ser(ija o móvil3I3T*MA ABI*RTO 0CO&TI&%O2- A#uel en el #ue setrans(iere material por la (rontera del sistema o sea#ue entra en el sistema sale o ambas cosas$3I3T*MA C*RRA'O 0POR ,OT*32- A#uel en el #ue no

tiene lugar una trans(erencia semejante al sistemaabierto durante el intervalo de tiempo de inter6s$PROC*3O *& *3TA'O *3TACIO&ARIO- ,os valores detodas sus variables 0temperaturas presionesvol8menes etc$2 no cambian con el tiempo$ Inclu!e asistemas continuos$ *n 6l no e9iste acumulación$PROC*3O *& *3TA'O &O *3TACIO&ARIO- ,os valoresde al menos alguna de sus variables cambia con eltiempo$ Inclu!e a sistemas por lotes continuos !

semi:continuos$ *n 6ste la velocidad de acumulaciónvaría con el tiempo$

; C 5 O


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P,A&TA T;RMICA 5*&*RA'ORA '**,*CTRICI'A'

Carbono que entra

Carbono que sale CO! CO"#


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BALANCE DE MATERIAContabili$aci%n &e material

%na entidad puede presentar-• *ntrada al lago$• 3alida del lago$• 7ormación o destrucción porreacción #uímica dentro del lago$

*l balance de material para cual#uier describirse por la siguiente ecuación-

Cada t6rmino de la ecuación tiene uni,a ecuación es más 8til cuando el inperiodo 0


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*n los problemas me&ioambientales usualmente es más conveniente trabajar valores de FLU'O DE MASA 0la tasa a la cual la masa entra ! sale del sistem*ntonces la ecuación de balance se modi(ica así-

*sta ecuación tiene unidades de masa1tiempo en todos sus t6rminos$ *l ti"#uierdo es igual a


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>acia el límite a medida #ue


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Representaci%n (r-)ica &e los t.rminos &e acumulaci%n * )lu/o atra0.s &e las )ronteras &el sistema en el balance &e materia


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@u6 se puede balancear con la ecuación

,a masa total

*l total de moles

,a masa de un compuesto#uímico,a masa de una especieatómica,os moles de uncompuesto #uímico,os moles de una especie

atómica


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Tipos de balances

'i(erenciales• Indican lo #ue ocurre en un sistema en un tiempo determinado

de la ecuación de balance es una velocidad 0de entrada de gen! se da en las unidades de la cantidad balanceada dividida entr

tiempo$ Por lo general se aplica en un proceso continuo$Integrales• 'escriben lo #ue ocurre en dos instantes de tiempo determ

t6rmino de la ecuación es una porción de la cantidad #ue se bala unidad correspondiente$ 3uele aplicarse a procesos interm

lotes$


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Re(las para simpli)icar la ecuaci%n &ebalance &e materia

• 3i la cantidad balanceada es la masa total establecer #ue geconsumo 4 ?$

• 3i la sustancia balanceada es una especie no reacti0a 0ni reactivestablecer #ue generación 4 ? ! consumo 4 ?$

• 3i un sistema se encuentra en esta&o estacionario establecer #u4 ? sin importar lo #ue se est6 balanceando$ Por de(inición enestado estacionario nada cambia con el tiempo inclu!endo la variable #ue se balancea


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E'EM1LO 2, Balance &e masa total

*n la unidad de tratamiento de desec+os de una planta un espeagua de los lodos +8medos de aguas residuales como se muestra@Cuántos ilogramos de agua salen del espesador por cada D??+8medos #ue ingresan *l proceso está en estado estacionario$


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SOLUCI3N

Base de cálculo- D?? g de lodos +8medos$

*l sistema es el espesador 0un sistema abierto2$ &o +a! acumulacgeneración ni consumo$ *l balance de masa total es-

Por tanto salen E? g de agua$


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E'EM1LO ", Balance &e procesos continuos en estaestacionario sin reacci%n qu+mica,

Cada +ora se separan por destilación en dos (racciones D??? g de una me"cla tolueno 0B2 #ue contiene F?G en masa$ ,a velocidad del (lujo másico del bencensuperior es HF? g B1+ ! la del tolueno en la corriente in(erior es HF g T1+$encuentra en estado estacionario$ *scriba los balances del benceno ! del toluenovelocidades de (lujo desconocidas de los componentes en las corrientes de salida$


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*strategia para anali"ar los problemas debalances de materia

,ea el problema ! aclare lo #ue se desea lograr$

>aga un dibujo del procesoJ de(ina el sistema por medio de una (rontera$

Rotule con símbolos cada (lujo ! las composiciones #ue les correspondan además de otra in(ormación #ue se descono"

Indi#ue todos los valores conocidos de composición ! (lujo de las corrientes en la (igura junto a cada (lujoJ calcule lasadicionales a partir de los dados seg8n sea necesario o bien identi(i#ue inicialmente los parámetros conocidos$

*scoja una base de cálculo$

>aga una lista de símbolos para cada uno de los valores desconocidos de los (lujos ! las composiciones o por lo menos alguna manera ! cu6ntelos$

*scriba los nombres de un conjunto apropiado de balances por resolverJ escriba los balances indicando el tipo de balanolvide los balances implícitos para las (racciones en masa o molares$

Cuente el n8mero de balances independientes #ue es posible escribirJ compruebe #ue sea posible obtener una soluciónmás in(ormación o revise sus suposiciones$

Resuelva las ecuaciones$ Cada cálculo debe +acerse sobre una base consistente$

)eri(i#ue sus respuestas sustitu!endo algunas de ellas o todas en los balances de materia redundantes #ue +a!a$ @3e s@3on ra"onables las respuestas

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