Tema 2 balance de materia 1

INGENIERÍA DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓNPRODUCCIÓN

Principios de Ingeniería

Principio de Conservación de la Materia: el balance de materia

Análisis de problemas de balance de materia

Balance de Materia en los que no intervienen reacciones químicas

Balance de Materia con múltiples subsistemas

Procesos con corrientes de reciclo, derivación y purga.

Balance de Materia con reacciones químicas

La MateriaMateria no se crea ni se destruye

Sistema para el cual se realiza el balance de masa

Flujos de Entrada

Flujos de Salida

Acumulación dentro del sistema

Entrada por las fronteras del sistema

Salida por las

fronteras del

sistema

Generación dentro

del sistema

Consumo dentro del sistema

= - + -

Acumulación dentro del sistema

Entrada por las fronteras del sistema

Salida por las

fronteras del

sistema

Generación dentro

del sistema

Consumo dentro del sistema

= - + -

Cambio de masa o moles

dentro del sistema

respecto al tiempo

Por reacción química

Estado Estado EstacionarioEstacionario

Sin reacción Sin reacción QuímicaQuímica

Entrada de masa/moles

por la frontera del sistema

Salida de masa/moles

por la frontera del sistema

=

En la unidad de tratamiento de desechos de una planta, un espesador elimina agua de los lodos húmedos de aguas residuales como se muestra en la figura. ¿Cuántos kilogramos de agua salen del espesador por cada 100 kg de lodos húmedos que ingresan? El proceso está en estado estacionario.

En la unidad de tratamiento de desechos de una planta, un espesador elimina agua de los lodos húmedos de aguas residuales como se muestra en la figura. ¿Cuántos kilogramos de agua salen del espesador por cada 100 kg de lodos húmedos que ingresan? El proceso está en estado estacionario.

Ejercicio 1

EspesadorEspesador100 Kg 70 Kg

?

Lodos húmedos Lodos deshidratados

Agua

Clasificación de Procesos Clasificación de Procesos

a)a) Proceso IntermitenteProceso Intermitente: Se carga la alimentación a un sistema al inicio del proceso, retirando los productos de una sola vez algún tiempo después

b)b) Proceso Continuo:Proceso Continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante toda la duración del proceso

c)c) Proceso semi-intermitente:Proceso semi-intermitente: Las entradas son casi instantáneas, mientras que las salidas son continuas, o viceversa

Pasos para analizar los problemas de Balance de Pasos para analizar los problemas de Balance de MateriaMateria

a) Leer el problema y aclarar lo que se desea lograrb) Representar el diagrama de flujo y colocarle todos los

valores de las variables conocidasc) Elegir como base de cálculo una cantidad o flujo de

una de las corrientes de procesod) Rotular las variables desconocidas en el diagramae) Convertir volúmenes o flujos volumétricos conocidos a

cantidades másicas o molares, empleando densidades tabuladas

f) Si el problema mezcla unidades másicas y molares en una corriente, convertir todas las cantidades a una base u otra

Balances de Materia Sin Reacción QuímicaBalances de Materia Sin Reacción Química

Pasos para realizar un Balance de MateriaPasos para realizar un Balance de Materia

g) Si en el texto del problema se da alguna información que no se haya empleado en la rotulación del diagrama de flujo, traducirla a ecuaciones en las variables definidas en el paso d

h) Formular ecuaciones de balance de materia (N ecuaciones para N incógnitas):i. Balance de materia totalii. Una ecuación de Balance de materia para (N-1)

compuestoi) Resolver las ecuaciones formuladas en los pasos g y h,

para determinar las incógnitas. Cuando se ha calculado una incógnita, colocar el valor en el diagrama de flujo



Ejercicio 2

Balance de Materia en un proceso continuo de destilaciónBalance de Materia en un proceso continuo de destilación

Se separan por destilación en dos fracciones, 1000 kg/h de una mezcla de benceno y tolueno que contiene 50 % de benceno en masa. El flujo másico de benceno en la corriente superior es de 450 kg/h y la de tolueno en la corriente inferior es de 475 kg/h. La operación se lleva a cabo a régimen estacionario. Formular balances para el benceno y el tolueno a fin de calcular los flujos desconocidos de los componentes en las corrientes de salida.

Balance de Materia en un proceso continuo de destilaciónBalance de Materia en un proceso continuo de destilación

Se separan por destilación en dos fracciones, 1000 kg/h de una mezcla de benceno y tolueno que contiene 50 % de benceno en masa. El flujo másico de benceno en la corriente superior es de 450 kg/h y la de tolueno en la corriente inferior es de 475 kg/h. La operación se lleva a cabo a régimen estacionario. Formular balances para el benceno y el tolueno a fin de calcular los flujos desconocidos de los componentes en las corrientes de salida.


Ejercicio 3

Balance de Materia en un proceso de Separación usando Balance de Materia en un proceso de Separación usando MembranasMembranas

Las membranas representan una tecnología nueva para separar gases. Una aplicación que ha llamado la atención es la separación de oxígeno y nitrógeno del aire. La figura ilustra el proceso.¿Cuál es a composición del flujo de desecho si éste equivale al 80 % de la entrada?

Balance de Materia en un proceso de Separación usando Balance de Materia en un proceso de Separación usando MembranasMembranas

Las membranas representan una tecnología nueva para separar gases. Una aplicación que ha llamado la atención es la separación de oxígeno y nitrógeno del aire. La figura ilustra el proceso.¿Cuál es a composición del flujo de desecho si éste equivale al 80 % de la entrada?

Entrada21 % mol O2

79 % mol N2

Flujo Salida25 % mol O2

75 % mol N2

Corriente de desecho

MEMBRANA

Lado Alta Presión

Lado Baja Presión

Balances de Materia en Unidades MúltiplesBalances de Materia en Unidades Múltiples

Diagrama de Flujo de un proceso de dos unidades

Alimentación 1

Alimentación 2

Alimentación 3Producto 1 Producto 2

Producto 3Unidad 1 Unidad 2

A

B

C

D

E

Se realizan balances de materia para los subsistemas (B, C, D y E) y para el sistema completo (A)

B, D son puntos de mezcla


Ejercicio 4

Balance de Materia en un proceso de destilación de dos unidadesBalance de Materia en un proceso de destilación de dos unidades

A continuación puede apreciarse en la figura el diagrama de flujo rotulado para un proceso continuo, en estado estacionario, de destilación en dos unidades. Cada corriente contiene dos componentes –llamados A y B- en diferentes proporciones. Tres corrientes cuyos flujos y composiciones o ambos no se conocen se rotulan como 1, 2 y 3.Calcular los flujos desconocidos y sus composiciones para las corrientes 1, 2 y 3

Balance de Materia en un proceso de destilación de dos unidadesBalance de Materia en un proceso de destilación de dos unidades

A continuación puede apreciarse en la figura el diagrama de flujo rotulado para un proceso continuo, en estado estacionario, de destilación en dos unidades. Cada corriente contiene dos componentes –llamados A y B- en diferentes proporciones. Tres corrientes cuyos flujos y composiciones o ambos no se conocen se rotulan como 1, 2 y 3.Calcular los flujos desconocidos y sus composiciones para las corrientes 1, 2 y 3


Ejercicio 4

100 kg/h

0,5 kg A/kg0,5 kg B/kg

40 kg/h0,9 kg A/kg0,1 kg B/kg

Unidad 1 Unidad 21 2 3



Balances de Materia con Reciclo, Derivación Balances de Materia con Reciclo, Derivación y Purgay Purga

a)a) RecicloReciclo: parte de la corriente de producto que se regresa a la alimentación de una etapa anterior

b)b) Derivación:Derivación: desvío de una porción de la alimentación de una unidad de proceso, combinándola con la corriente de salida

c)c) Purga:Purga: flujo que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el reciclo.

Alimentación Producto

Reciclo

Alimentación Producto

Derivación o By-pass

Tema 2 balance de materia 1

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