BALANCES DE MATERIA 1 BALANCES DE MATERIA Cuando se diseña un nuevo proceso o cuando se analiza uno ya existente, es necesario tener en cuenta las restricciones impuestas por la naturaleza. Por ejemplo, si en un reactor se queman 8 kg de azufre, no podemos esperar que en los gases de combustión haya 15 kg de azufre ya que se violaría el principio de conservación de la materia que nos dice que la materia no puede ser creada ni destruida en un proceso físico o químico 2 BALANCES DE MATERIA Las leyes de conservación ocupan un lugar muy importante en la ciencia y en la ingeniería. Los enunciados comunes de estas leyes toman la forma de "la masa (ó energía) no se crea ni se destruye" ó "la masa (o energía) de cualquier sistema aislado permanece constante. 3 BALANCES DE MATERIA Por qué es necesario estudiar balances de materia? En las industrias de procesos, los balances de materia auxilian en la evaluación económica de procesos propuestos o existentes, en el control de procesos y en la optimización de los mismos. Por ejemplo, en la extracción del aceite de soja a partir de los granos de soja, se podría calcular la cantidad de solvente requerido por tonelada de soja o el tiempo necesario para llenar el filtro prensa y valerse de esta información en el diseño del equipo o en la evaluación económica del proceso. 4 BALANCES DE MATERIA PRINCIPIO DE CONSERVACION DE MASA Y ENERGIA “La suma de la masa (M) y la energía (E) de un sistema aislado no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse”. El balance de materia no es otra cosa que un conteo de flujo y cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema.(Volumen de control) 5 BALANCES DE MATERIA Suponga que el metano es un componente tanto de la corriente de ingreso como de la corriente de salida de un proceso continuo y que para verificar si la unidad está trabajando según las condiciones de diseño, se miden los flujos másicos de metano en las dos corrientes y se encuentra que las mismas son diferentes (m'input, CH4 ≠ 'output, CH4) 6 BALANCES DE MATERIA Pueden existir varias explicaciones para que los flujos másicos de metano observados sean diferentes: 1. El metano se consume como un reactivo o se genera como producto, es decir en la unidad ocurre una reacción química 2. El metano se acumula en la unidad, posiblemente es adsorbido por las paredes 3. El metano está escapando de la unidad (fugas o pérdidas porque no hay una buena hermeticidad) 4. Las medidas no son correctas 7 Un balance sobre una cantidad conservable (masa total, masa de un componente, energía o momento) en un sistema (proceso único, serie de unidades o procesos o el total de un proceso) puede ser escrito de manera general de la siguiente manera: 8 Superficie de control (Frontera) Velocidad de Flujo a la Entrada Velocidad de Acumulación Velocidad de Generación Velocidad de Flujo a la Salida Volumen de control 9 ventrada vsalida vgeneracion si dM dt si 0 Régimen estacionario dM dt dM dt 0 Régimen NO estacionario Sin reacción química Qo Vo Qo Qs Régimen estacionario Qo Qs Qs Régimen NO estacionario PARA MEZCLAS DE i COMPONENTES vi _ entrada vi _ salida vi _ generacion dM i dt Método de resolución de balances de materia: • Trazar el diagrama de flujo o “flowsheet” • Hacer un dibujo, indicando los límites del sistema, los flujos que entran y salen. Identificar los flujos con un número o una letra. • Seleccionar una base de cálculo • Elegir el valor de uno de los flujos y calcular los demás en función de éste. A veces resulta conveniente asignar un valor arbitrario a uno de los flujos para usarlo como base hipotética, por ejemplo: 100 kg o 100 moles. • Establecer las ecuaciones de balance de materia • Hacer el balance total y los balances por componentes, para el sistema total y para cada etapa. Balances etapa por etapa 14 Balance Global 15 Tipos de configuraciones de flujo: Flujos de recirculación Recirculación > retornar parte de los flujos de salida del proceso y mezclarlo con los de entrada. ¿Para qué? -Recuperar energía - Aumentar la calidad de un producto (logar que salga más concentrado en alguno de los componentes) -Recuperar reactantes sin transformar 16 17 Flujos con purga En ocasiones es conveniente eliminar del proceso una proporción de material, para mantener controlada la acumulación de impurezas. 18 Flujos en derivación o “by pass” Consiste en separar parte de la alimentación fresca, y mezclarla con los productos, sin pasar por el proceso. Esto permite controlar la concentración o temperatura del producto. 19 Ejemplo Una mezcla líquida, de composición molar 20% N2, 30% CO2 y 50% O2, se separa en una columna de destilación, dando un flujo de cabeza (N2 y CO2) y un flujo de cola (2,5% N2, 35% CO2, y O2). Este flujo alimenta una segunda columna destiladora, dando un producto de cabeza con 8% N2, 72% CO2 y 20% O2, y un producto de cola (CO2 y O2). Para una alimentación de 1000 mol/hora a la primera columna, calcule los flujos y composiciones restantes. 20 21 EJEMPLO Un tanque contiene 400 litros de salmuera con 16 kg. de sal disueltos. Se introduce agua con un caudal de 8 lts/min. y sale del recipiente salmuera con el mismo caudal. En qué tiempo la concentración de sal alcanzará los 0.02 kg/lt?. 22 Qo=8 lts/min Volumen de control Vo=400 litros 16 kg sal Qs=8 lts/min Cs= 0.02 kg/lt t= ? min 23