Balances de materia Int II 2012 [Modo de compatibilidad]

02/05/2012
Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Delta
Departamento de Ingeniería Química
Asignatura:
INTEGRACION II
“Balances de materia”
Cátedra:
Prof. Interino: Ing. Fernando Pablo Visintin
Auxiliar:: Ing. Damian Ayr Vergani
Auxiliar
Primera Parte:
“Balances de materia
en procesos no reactivos”
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¿Qué es un balance?
Según la Real Academia Española:
“Estudio comparativo de las circunstancias de una
situación, o de los factores que intervienen en un
proceso, para tratar de prever su evolución”
Este término se aplica en diversas áreas del conocimiento…
Demografía
Economía
Ecología
Meteorología
etc…
Lo primero que hay que hacer es definir cual es el
SISTEMA al cual se va a aplicar el balance!
TIPOS DE SISTEMAS
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Ecuación general de balance
[ A] = [ E ] − [ S ] + [G ] − [C ]
Da cuenta de lo que sucede dentro del sistema…
ACUMULACION
GENERACION
CONSUMO
Y como interactúa el sistema con los alrededores…
ENTRADA
SALIDA
¿A que se puede aplicar?
PROPIEDADES CONSERVATIVAS:
MASA
CANTIDAD DE MOVIMIENTO
ENERGIA
PROPIEDADES NO CONSERVATIVAS:
CANTIDAD DE SUSTANCIA
VOLUMEN
ENTROPIA
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Tipos de balances
BALANCE DIFERENCIAL
Indica lo que ocurre en un instante determinado.
Cada término del balance es una “velocidad”.
BALANCE INTEGRAL
Indica lo que ocurre en un intervalo de tiempo.
Cada término del balance es una “porción” de la propiedad.
Balances de materia:
BALANCE TOTAL
BALANCE DE ESPECIES ATOMICAS
BALANCE DE ESPECIES MOLECULARES
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Casos particulares
[ A] = [ E ] − [ S ] + [G ] − [C ]
En estado estacionario…
ACUMULACION = 0
[ S ] = [ E ] + [G ] − [C ]
Si la propiedad es conservativa…
GENERACION = 0 y CONSUMO = 0
[S ] = [E]
EJEMPLO 1
Balance de benceno:
500 kg/h = 450 kg/h + m2
Balance de tolueno:
500 kg/h = m1 + 475 kg/h
Balance total:
1000 kg/h = 925 kg/h + m1 + m2
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Base de cálculo y escala del proceso
Para poder resolver los balances de un proceso se requiere
conocer como mínimo EL CAUDAL DE UNA CORRIENTE.
Este caudal fija la ESCALA DEL PROCESO.
Si el problema no indica ningún caudal es necesario
tomar una BASE DE CALCULO.
Consiste en adoptar el caudal de una corriente,
elegida convenientemente, y resolver los balances
de materia con esa base.
Luego, si esa base no es satisfactoria, se puede
cambiar la escala del proceso.
Para ello se utiliza el “factor
“factor de cambio de escala”.
escala”.
f =
escala.deseada
base.de.calculo
EJEMPLO 1 – cambio de escala
Ahora se desea obtener 1000 kg/h de destilado…
¿Cuánta alimentación se requiere?
¿Cuánto producto de fondo se obtiene?
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GRADOS DE LIBERTAD
L= I −E
I: número de incógnitas del diagrama de flujo
CAUDALES
FRACCIONES
E: número de ecuaciones independientes
Según el signo tenemos:
L = 0, el problema tiene solución única
L > 0, faltan datos para resolver el problema
L < 0, el problema está sobresobre-especificado
Ecuaciones independientes
BALANCES DE MATERIA
Si el proceso tiene “n” componente se pueden escribir
como máximo “n” ecuaciones de balances
independientes.
SUMA DE FRACCIONES
Si el proceso tiene “n” corrientes cuya composición se
desconoce se pueden escribir “n” ecuaciones de suma
de fracciones.
DATOS ADICIONALES
Una ecuación por cada dato adicional dado, por ejemplo
una proporción dada entre dos corriente o dos
fracciones.
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EJEMPLO 1 – grados de libertad
Ecuaciones
Ecuaciones::
2 de balances de materia independientes
0 de suma de fracciones
0 de datos adicionales
Incógnitas
Incógnitas:: 2 ( m1 y m2 )
L=2–2=0
EJEMPLO 2
Componentes:
1 = ii-propanol
2 = nn-propanol
Corrientes:
A, D y F
mA
y1,A
y2,A
Balance de ii-propanol:
mA.y1,A = mD.y1,D + mF.y1,F
mD
y1,D
y2,D
mF
y1,F
y2,F
Balance de nn-propanol:
mA.y2,A = mD.y2,D + mF.y2,F
Balance total:
mA = mD + mF
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Balances en procesos con múltiples unidades
Recirculación y Derivación (bypass)
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EJEMPLO 3
Segunda Parte:
“Balances de materia
en procesos reactivos”
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La reacción química
y la estequiometría
aA + bB → cC + dD
¿Reactivo limitante y en exceso?
nA a
=
nB b
Los reactivos están
en proporción
estequiométrica
nA a
<
nB b
El reactivo
limitante es A,
y B está en exceso
Balances con reacción
Reacciones incompletas
a) Balance molecular para
reacción única
ni = ni ° + υiε
b) Balance molecular para más de
una reacción independiente
ni = ni ° + ∑υij ε j
j
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Balances con reacción
Reacciones incompletas
a) Conversión fraccionaria del
reactivo limitante:
XA =
nA ° − nA
nA °
b) Fracción de exceso:
EXC B =
n B ° − n B ,t
n B ,t
Balances en un reactor continuo
La ecuación general de balance es:
[ S ] = [ E ] + [G ] − [C ]
∑υ ε
El balance molar de un componente es:
ni, S = ni, E +
ij
j
j
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EJEMPLO 4
En un proceso para fabricar cloro por oxidación directa de cloruro de hidrógeno
con aire sobre un catalizador (para formar cloro y agua únicamente) el producto
de salida se compone de: 4,4% de HCl
HCl,, 19,8% de Cl2, 19,8% de H2O, 4,0% de
O2 y 52,0% de N2. Calcular:
a) Porcentaje de reactivo en exceso.
b) Conversión del reactivo limitante.
Reacciones múltiples
a) Rendimiento: η
b) Selectividad: Φ
El rendimiento también se puede expresar en función de
las moles de reactivo limitante que se convierten en el
producto deseado versus las moles que reaccionan.
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GRADOS DE LIBERTAD
L= I −E
I: número de incógnitas del diagrama de flujo
Caudales
Fracciones
Una incógnita mas por cada reacción incompleta
E: número de ecuaciones independientes
Según el signo tenemos:
L = 0, el problema tiene solución única
L > 0, faltan datos para resolver el problema
L < 0, el problema está sobresobre-especificado
EJEMPLO 5
Se desea obtener monoclorometano en un reactor continuo en el que se producen
las siguientes reacciones:
CH4(g) + Cl2(g) → CH3Cl(g) + HCl(g)
HCl(g)
CH3Cl(g) + Cl2(g) → CH2Cl2(g) + HCl(g)
HCl(g)
La alimentación contiene 70% molar de etano y el resto de cloro. Si la
conversión alcanzada es del 80% y la selectividad de 5 mol CH3Cl / mol CH2Cl2
hallar la composición completa del efluente del reactor y el rendimiento.
rendimiento.
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Tercera Parte:
“Balances de materia
en procesos de
combustión”
Los SERVICIOS AUXILIARES
Proporcionan distintos recursos sin los
cuales la planta no puede operar.
No forman parte del núcleo del proceso.
proceso.
Intervienen en los balances de masa
y energía.
Son similares en procesos distintos.
Cada uno posee una ubicación óptima
dentro de los límites de batería de la planta.
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¿Cómo se clasifican?
Según el tipo de recurso que proporcionan:
1) Servicios ENERGÉTICOS
1.A – Energético Térmicos
De calefacción
De enfriamiento
1.B – Energético Mecánicos:
Energía eléctrica
Fluidos mecánicos
2) Servicios OPERATIVOS
COMBUSTION
Es una proceso que consiste en una o varias reacciones
químicas de oxidooxido-reducción muy rápidas y altamente
exotérmicas (liberan calor) en las cuales una sustancia
llamada “combustible” (generalmente hidrocarburos)
reacciona con otra llamada “comburente” (generalmente
un agente oxidante como el oxígeno del aire) con
producción de llama.
Combustible + Comburente → Productos de combustión
Ejemplo:
Gas Natural + Aire → Productos de combustión
CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)
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COMBUSTIBLES
Hay tres tipos básicos de combustibles:
Gaseosos
Gaseosos:: gas natural, LPG
Líquidos
Líquidos:: diesel oil,
oil, gas oil,
oil, fuel oil
Sólidos
Sólidos:: hullas, coke,
coke, madera, desechos
Para selección del combustible tener en cuenta:
Poder calorífico
Aire teórico
Exceso de aire requerido
Tipo de quemador necesario
Características de los gases de combustión
CALDERAS
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PODER CALORIFICO
Para selección del combustible tener en cuenta:
Poder calorífico inferior
El agua que se produce se considera se
encuentra en fase gaseosa
Poder calorífico superior
El agua que se produce se considera se
encuentra en fase líquida
¿Cuál es la diferencia?
La entalpía de vaporización del agua
A 100°
100°C vale:
539 cal/g
PODER CALORIFICO
Fórmulas empíricas:
Para un ACEITE COMBUSTIBLE:
°API: grados API
PCS ( BTU / lb ) = 17887 + 57,5º API − 102, 2(%S )
Para un CARBON:
H: fracción másica de hidrógeno
O: fracción másica de oxígeno
S: fracción másica de azufre
PCS ( BTU / lb ) = 14544C + 62028( H − O / 8) + 4050 S
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Estequiometría de la combustión
Si el combustible dispone de suficiente oxígeno, se
produce la COMBUSTION COMPLETA:
C → CO2
H → H2O
S → SO2
N → N2
(salvo a altas temperaturas da NOX)
Si hay insuficiente oxígeno se produce la
COMBUSTION INCOMPLETA, que se caracteriza por:
C → CO
El monóxido de carbono es altamente toxico y posee
alto poder calorífico => INDESEABLE
Ejemplos de combustión con oxígeno
Combustible + O2 → Productos de combustión
CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)
CH4 (g) + O2 (g) → CO (g) + H2O (g)
NO esta balanceada!
Faltan los coeficientes estequiométricos…
estequiométricos…
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)
CH4 (g) + 3/2O2 (g) → CO (g) + 2H2O (g)
¿Qué información da la ecuación balanceada?
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Balances de masa
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)
1 mol
2 mol
1 mol
2 mol
CH4 (g) + 3/2O2 (g) → CO (g) + 2H2O (g)
1 mol
1,5 mol
1 mol
2 mol
Una mol de metano consume 2 moles de
oxígeno en la combustión completa y 1,5 moles
de oxígeno en la incompleta
Aire teórico y aire en exceso
Oxígeno teórico: es la mínima cantidad de O2
que se necesita para que todo el combustible
se queme y que la única reacción que
ocurra sea la combustión completa.
Se obtiene de la estequiometría de la reacción
Porcentaje en exceso
Se utiliza un exceso con respecto al valor teórico
para garantizar que todo el combustible entre
en contacto con suficiente oxígeno.
 O − O2,T
% exc =  2, A
 O2,T

.100


 % 
O2, A = O2,T .1 + exc 
 100 
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Composición del aire
El aire seco a nivel del mar en promedio se puede
Considerar para la combustión como formado por:
21% de oxígeno: O2
79% de nitrógeno: N2
Por lo tanto…
La relación nitrógeno/oxígeno del aire es:
[N 2 ] = 79 = 3,762
[O2 ] 21
Luego:
[N 2 ] = 3,762.[O2 ]
Conversión y rendimiento
Conversión
No siempre se logra quemar todo el combustible, la
conversión es el % del combustible que se quema:
 comb.quemado 
X =
.100
 comb.a lim entado 
Rendimiento
Si se produce combustión incompleta el rendimiento
se refiere al % del combustible quemado que lo
hace en forma completa:
 comb.quemado.en. forma.completa 
.100
η = 
comb.quemado


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Composición de los gases de combustión
¿En base húmeda?
¿En base seca? Ej
Ej:: ORSAT
Ejemplo 6: Se quema metano con 15
15%
% de oxígeno en
exceso.. La conversión es del 98
exceso
98%
% y el rendimiento del
95%
95%. ¿Cuál sería el resultado del análisis ORSAT?
BASE DE CALCULO:
CALCULO: 100 moles de CH4
Se queman:
queman: 100
100..0,98 = 98 mol
En combustión completa = 98
98..0,95 = 93
93,,1 mol
En combustión incompleta = 98 – 93
93,,1 = 4,9 mol
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)
CH4 (g) + 3/2O2 (g) → CO (g) + 2H2O (g)
En combustión completa = 98
98..0,95 = 93
93,,1 mol
En combustión incompleta = 98 – 93
93,,1 = 4,9 mol
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)
93,1 mol
?
?
CH4 (g) + 3/2O2 (g) → CO (g) + 2H2O (g)
4,9 mol
?
?
Metano no quemado = 100 – 98 = 2 mol
Oxígeno reaccionado = 93
93,,1.2 + 4,9.(3/2) = 193
193,,55 mol
Oxígeno teórico = 100
100..2 = 200 mol
Oxígeno alimentado = 200
200..(1 + 0,15
15)) = 230 mol
Nitrógeno alimentado = 230
230..3,762 = 865
865,,26 mol
Oxígeno no reaccionado = 230 – 193
193,,55 = 36
36,,45 mol
CO2 formado = 93,
93,1 mol
CO formado = 4,9 mol
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Resultados
Análisis ORSAT
CH4
2
0,20%
O2
36,45
3,64%
N2
865,26
86,38%
CO2
93,1
9,29%
CO
4,9
0,49%
Total
1001,71
100,00%
Temperatura de llama adiabática
Es la máxima temperatura que
pueden tener los productos de la combustión.
Supuestos:
Se quema todo el combustible
La combustión es completa
No hay pérdidas de energía
hacia los alrededores
Variables que influyen:
Tipo de combustible
Exceso de aire utilizado
Temperatura de alimentación del combustible y del aire
Composición del aire (% de O2)
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