BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Balance de Materia en Reactores Químicos. Principio de conservación de la masa: “La cantidad de materia en un sistema se mantiene constante durante cualquier proceso fisicoquímico”. Entrada de materia Salida de materia Generación/Consumo de Acumulación de la especie "i" de la especie "i" materia de la especie "i" de materia de la por flujo de masa por flujo de masa especie "i" dentro delsistema V dN i Fi 0 Fi ri dV dt Balance de Materia en Reactores Químicos. Principio de conservación de la masa: “La cantidad de materia en un sistema se mantiene constante durante cualquier proceso fisicoquímico”. Balance de Energía en Procesos Termodinámicos. Principio de conservación de la energía: “La cantidad de energía en un sistema se mantiene constante durante cualquier proceso fisicoquímico”. Transferencia de Entrada de eneergía Salida de energía energía por intercambio por flujo de masa por flujo de masa de calor/trabajo mi Ei mi Ei entrada i Generación de Consumo de Acumulación / Cambio energía dentro energía dentro de energía del sistema del sistema (Q W W flujo ) Egen Econs salida E U EK EP dE dt W flujo mi PV i i Sistemas típicos. Sistema Aislado. dm 0 dt Balance de Masa dE 0 dt Balance de Energía Sistemas típicos. Sistema Cerrado. dm 0 dt dE Q W dt U Q W Balance de Masa Balance de Energía Sistemas típicos. Sistema Cerrado. Un dispositivo cilindro-émbolo contiene 0.5 m3 de gas nitrógeno a 400 kPa y 27°C. Dentro del dispositivo se enciende un calentador eléctrico por el que pasa una corriente de 2A durante 5 minutos desde una fuente de 120 V. El nitrógeno se expande a presión constante y ocurre una pérdida de calor de 2800 J. Determinar la temperatura final del gas. Sistemas típicos. Sistema Cerrado. Temperatura de saturación: 80°C Masa molar: 0.078 Kg/mol Capacidad calorífica del líquido: 1720 J/Kg-K Entalpía estándar de vaporización: 394 kJ/Kg Densidad líquido: 879 Kg/m3 Capacidad calorífica del gas: 1291 J/Kg-K Sistemas típicos. Sistema Abierto. Balance de Masa m mi i i entrada i salida dm dt Balance de Energía dE mi Ei Q W i mi Ei dt i entrada salida E H i E K , i E P ,i Sistemas abiertos en régimen continuo. Toberas y difusores. Balance de Masa dm mentra msalida 0 mentra msalida m dt Balance de Energía 2 2 v1 v2 dE m H1 m H 2 0 2 2 dt Transforman entalpía en energía cinética y viceversa. Sistemas abiertos en régimen continuo. Toberas y difusores. Un difusor que trabaja en estado estacionario es alimentado con aire a 10°C y 80 kPa, el cual entra a una velocidad de 200 m/s. El área de entrada al difusor es de 0.4 m2. El aire que abandona el equipo tiene una velocidad muy pequeña. Determinar: a. El flujo másico de aire que debe alimentarse al difusor. b. La temperatura del aire a la salida del difusor. Cp aire = 1012 J/KgK Sistemas abiertos en régimen continuo. Bombas, compresores y turbinas. Balance de Masa dm mentra msalida 0 mentra msalida m dt Balance de Energía v12 v22 dE m H1 gz1 m H 2 gz2 Q W 0 2 2 dt Sistemas abiertos en régimen continuo. Bombas, compresores y turbinas. 500 Kg por hora de vapor impulsan una turbina. El vapor entra al equipo a 44 atm y 450°C con una velocidad de 60m/s y sale en un punto ubicado 5 m por debajo del punto de entrada a presión atmosférica y una velocidad de 360 m/s. La turbina aporta trabajo a razón de 70 kW y las pérdidas de calor se estiman en 1000 kJ/h. Calcular el cambio en la entalpía del vapor. Sistemas abiertos en régimen continuo. Cámaras de mezclado. Balance de Masa mentra msalida dm 0 mentra msalida dt m1 m2 m3 Balance de Energía m H i i entra mi H i Q W flecha sale dE 0 dt Sistemas abiertos en régimen continuo. Cámaras de mezclado. Para un proceso se requiere agua a 110°F, para lo cual se alimentan a una cámara de mezclado dos corrientes de agua a 140°F y 50°F, respectivamente. La cámara opera de manera adiabática y el trabajo de flecha puede despreciarse. Determinar el flujo de alimentación de las dos corrientes necesario para un flujo de 200 Kg/hora a la salida. (CP agua: 1 BTU/lbm R) Sistemas abiertos en régimen continuo. Intercambiadores de calor. Balance de Masa mentra msalida dm 0 mentra msalida m dt Balance de Energía m H i i entra mi H i sale dE 0 dt Sistemas abiertos en régimen continuo. Intercambiadores de calor. En un proceso alimenticio se utiliza benceno como líquido de lavado, el cual abandona el proceso a 70°C y debe enfriarse hasta 35°C antes de ser realimentado al proceso. Para ello se pone en contacto con agua fría en un intercambiador en el que se alimenta agua a 15°C, la cual se calienta hasta 25°C. Determinar el flujo de agua que debe alimentarse al intercambiador si deben enfriarse 6 Kg/min de benceno, ¿cuál es la tasa de transferencia de calor entre los fluidos?. (Cp Agua = 4180 J/KgK, Cp benceno = 1720 J/KgK) Sistemas típicos. Sistema Cerrado. Dentro de un evaporador cerrado se calientan desde 20°C hasta 110°C, a presión constante de 1 atm, 50 Kg de benceno para alimentar a un proceso de extracción. Asumir que el comportamiento del benceno en estado gas es ideal. Calcular la cantidad de calor que se debe suministrar al sistema para calentar el líquido, el trabajo realizado por la expansión del benceno y el cambio en la energía interna del benceno.
