Clase1 Balance de Masa 2015
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FUNDAMENTOS DE PROCESOS AMBIENTALES Juan Pablo Silva Vinasco
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PROCESOS AMBIENTALES
Biopelícula
Difusión Contaminante
Sedimentación Lixiviación
Dispersión
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PROCESOS AMBIENTALES
Desinfección
Espesado de Lodos
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ANALISIS DE PROCESOS AMBIENTALES
LEY CONSERVACION DE MASA Y ENERGIA
CINETICA REACCIONES
DISEÑO
INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
MODELACIÓN Y SIMULACIÓN
ESCALAMIENTO TERMODINÁMICA
HIDRAULICA DE REACTORES
METABOLISMO MICROBIANO
QUIMICA
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OBJETIVO GENERAL
n Brindar al estudiante los fundamentos teóricos que se requieren para la comprensión de los procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren en el medio ambiente y su aplicación en el diseño de tecnologías de prevención y control de la contaminación ambiental.
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS n Articular los principios teóricos de las ciencias
ambientales y de Ingeniería al estudio de los procesos químicos, biológicos y físicos que inciden en la liberación, circulación y transformación de sustancias contaminantes en el ambiente.
n Mejorar la comprensión de la importancia del principio de la ley de conservación de la masa y del estudio de reactores en el diseño de sistemas de remediación de la contaminación ambiental.
n Ofrecer los principios básicos aplicados en la simulación y modelación de sistemas ambientales sencillos como herramienta de comprensión y análisis en el estudio de problemas de contaminación ambiental.
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OBJETIVOS INSTRUCCIONALES
n Resolver Balances de masa en diferentes sistemas ambientales.
n Explicar y aplicar conceptos relacionados con la cinética y comportamiento hidrodinámico de reactores
n Aplicar los conceptos de transferencia de masa en sistemas naturales como de ingeniería.
n Identificar los diferentes procesos que se dan en los sistemas ambientales y su aplicación en el control de la contaminación.
n Resolver modelos ambientales sencillos basados en el principio de conservación de la masa y procesos ambientales para simular diferentes impactos ambientales o tecnologías de tratamiento.
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CLASE 1 BALANCE DE MASA
Juan Pablo Silva V.
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LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA “ La masa ni se crea ni se destruye ”
n Principio aplicable a la descarga de contaminantes en los Ecosistemas y en unidades de Tratamiento de la Contaminación.
¨ Lago - Corriente Superficial -Reactores o Sistemas de Tratamiento Reservorio - Estuario
¨ Relleno Sanitario: Producción lixiviados-Biogás ¨ Estimación de Emisiones atmosféricas- Control
Contaminación Atmosférica
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BALANCE DE MASA
“Descripción cuantitativa de todos los mate r ia les que En t ran , Sa len , Reaccionan y se acumulan en un sistema con límites físicos definidos llamado VOLUMEN DE CONTROL”
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ENUNCIADO DEL BALANCE DE MASA
Flujo Convectivo Entrada
Flujo Convectivo Salida
Difusión Entrada
Difusión Salida
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ENUNCIADO DEL BALANCE DE MASA
Velocidad de Acumulación de Masa
Velocidad Neta de Transporte de Masa
Velocidad Neta de Transformación de Masa
= +
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Acumulación de masa =
Flujo másico de Entrada
-Flujo
másico de Salida
+ Cantidad de masa
Generada -
Cantidad de masa
Consumida
Cambio de Masa en el
sistema con el tiempo
Llega al sistema
Abandona el sistema Formación Desaparición
Entrada Salida
Límite del sistema
Figura 2
Acumulación
Transformación
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TERMINOS DEL BALANCE DE MASA
n Velocidad de Acumulación: (dM/dt) n Velocidad neta de transporte de masa
¨ Flujo másico total M = Q*ρ ¨ Flujo másico por componente Mi = Q*Ci ¨ Difusión de Componentes J= -D*(dc/dx)
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TERMINOS DE LA ECUACIÓN DE BALANCE
n Velocidad neta de transformación de masa
Rp =rp V Rr = rr V
aA + bB cC
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ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA
n Convertir el enunciado del problema a un esquema. n Definir un volumen de control. n Identificar las entradas y salidas de masa del
volumen de control y/o donde puede consumirse o generarse masa.
n Construir el enunciado matemático, teniendo en cuenta las simplificaciones necesarias.
n BALANCE DE MASA aplica a cantidades conservativas: ¨ CAUDALES ¨ MASA ¨ MOLES
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¨ Caudal de Entrada = Caudal de Salida = Qconstante??!! ¨ Volumen de control no se evapora (condiciones isotérmicas) ¨ Mezcla completa en el reactor ¨ Reacción química involucrada dentro de reactor, que afecta al
reaccionante C. ¨ La velocidad de cambio de concentración del reaccionante viene
gobernada por una reacción del tipo rc = -kC.
reacción
acumulación
Qo
Co
Q1
C1
Volumen de Control
Figura 1
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ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA
n Balance de Masa Total
1
1
11
!n!acumulacióhay no ;0 ioestacionar estadoEn
)(
sale masa flujo entrada masa flujo
QQdtdM
QQdtdV
QQdtVd
dtdM
o
o
oo
=
=
−=
−=
−=
ρρρ
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ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA
n Balance para un contaminante
Masaentra Masa sale dtdM
VrVrQCQCodtdVC
dtdCV
tm
cp −+−=+=∂
∂
C= concentración del compuesto en tiempo t. Co= concentración inicial del compuesto. V= volumen del reactor. Q= caudal o descarga. t= tiempo. rp= velocidad de reacción de productos. rc= velocidad de consumo de compuestos.
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ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA
n Cuando el contaminante no reacciona
QCQCodtdVC
dtdCV
tm
−=+=∂
∂
n Cuando el volumen es constante y el contaminante no reacciona
QCQCodtdCV
tm
−==∂
∂
n Cuando el volumen es constante y prevalece el estado estacionario
VrVrQCQCo cp −+−=0
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Recurso Virtual
http://www.showme.com/sh/?h=ZBZC03M