Es el estudio de la llamada Ley Conservación de la Materia (Antoine Lavoisier en 1785) y la forma en que puede aplicarse a los cálculos de ingeniería.

UNIDAD III

BALANCE DE LA MATERIA

Es el estudio de la llamada Ley Conservación de la Materia (Antoine Lavoisier en 1785) y la forma en que puede aplicarse a los cálculos de ingeniería.

TIPOS DE BALANCE DE MATERIA.- Se estudian dos balances de materia los cuales son:

• Sin reacción química (procesos físicos). Por ejemplo, en procesos de Secado, Evaporación, Dilución de soluciones, Destilación, Extracción, cristalización, mezclado, etc.
• Con reacción química (procesos químicos). Por ejemplo, Combustiones, Obtenciones, etc.

BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA.- Donde se podrá determinar problemas en los que consisten en seguir los siguientes pasos:

• Trazar un diagrama de flujo del proceso. Con líneas de flujo de entrada y salida.
• Establecer todas las composiciones de entradas y salidas.
• Encontrar un elemento de correlación y establecer los balances de material en función a las variables desconocidas.(ecuaciones algebraicas).
• Resolver las ecuaciones de los balances para encontrar los valores requeridos.

Considerando todo lo anterior, se podrá estar preparado para efectuar balances unitarios y múltiples:

DIAGRAMA DE FLUJO: Es la representación simbólica de los diferentes componentes de un proceso, con objeto de organizar la información disponible de la forma más conveniente para efectuar los cálculos posteriores. Se representan operaciones (separadores, reactores) con bloques geométricos (rectángulos, círculos); se representan corrientes con líneas con flechas.[pic 1]

[pic 2]

Se suelen añadir los valores (con unidades) de las variables conocidas y símbolos algebraicos (con unidades) para las variables desconocidas. Sobre el diagrama de flujo se definen los límites del sistema, cuyo tamaño variará según las necesidades de cálculo.

BALANCE: Es la contabilidad exacta del material entrante y del material saliente de un proceso. Que puede tener más de una corriente de entrada y más de una corriente de salida.

• TIPOS DE BALANCE: Estos balances son:

• Balance de masa global o total: se realiza en todo el sistema, considerando las masas totales de cada una de las corrientes de materiales.
• Balance parcial: se realiza en los subsistemas, considerando un determinado componente  en cada una de las corrientes.

PROCESO: Es la serie de operaciones o secuencias de operaciones, que debe haber de un cambio de estado a otro.

[pic 3][pic 4][pic 5]

CLASIFICACION DE LOS PROCESOS.-  Estos pueden ser:

• Proceso continuo
• Proceso discontinuo (Intermitente)[pic 6]

Proceso continuo, La mayoría de los procesos industriales están basados en operaciones continuas.

En la cual hay entrada de materia (flujo másico) y salida de materia (flujo másico de salida). Poseen un régimen permanente donde sus propiedades no cambian con el tiempo. Existe transferencia de energía y transferencia de materia.

[pic 7]

                                                 Existe transferencia de energía & transferencia de materia

Proceso discontinuo, Algunos procesos industriales están basados en operaciones discontinuas.

Es en el cual, la carga se hace por partes. No hay transferencia de materia ni energía (las variables dependen del tiempo, variando desde un valor inicial hasta uno final). Ejemplo variación de temperatura sin cambio de estado.

[pic 8]

[pic 9]

                                                                    No existe transferencia de energía ni transferencia de materia

ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE DE MASA:

Antes de anotar la ecuación general del balance de materia y energía, es necesario que definamos lo que es un sistema.

Un sistema, es la cantidad de material o unidad de equipo especializado arbitrariamente para los propósitos de un cálculo o estudio.

Ecuación general y única:[pic 10]

Pero la resumimos a:

[pic 11]

Así por ejemplo, en el siguiente proceso de metano (CH4) observamos que:

[pic 12][pic 13]

• Si G1=G2, Si cumple la “ley de conservación de la materia”
• Si G1>G2, no cumple la “ley de conservación de la materia”

Razones por la cual G1>G2:

• 1° Pérdida de CH4 por alguna fuga.
• 2° Error de medición.
• 3° El CH4 se consume como reactivo dentro de la unidad de proceso.
• 4° Existe generación de producto dentro de la unidad de proceso (transformación).
• 5° Se acumula CH4 en las paredes de la unidad de proceso.  

[pic 14][pic 15]

EJERCICIOS DE APLICACIÓN:

1.- Se tiene dos mezclas de metanol y agua en recipientes separados. La primera contiene 40% en peso de metanol, mientras que la segunda contiene 70% en peso de metanol si se combina 200 gramos de la primera mezcla con 150 gramos de la segunda ¿Cuál será la masa y la concentración del producto?

R: 350 g  y   52,8%

2.- En un evaporador se concentran 10.000Kg/h de una disolución salina desde 5% hasta 30% en peso. Calcular: (a) Los Kg de agua evaporada (b) Los Kg de la solución salina al 30% que salen del evaporador.

R:

3.- A un cristalizador se alimentan 5.600 kg/h de una disolución salina caliente con una concentración de 50% en peso de sal. Al enfriar cristaliza la sal, separándose una disolución fría saturada con 20% en peso de sal y cristales húmedos con 5% en peso de agua.

R:

4.- La solubilidad del Ba(NO3)2 a 100 OC es de 34 y a 0 OC es de 5. Para obtener una solución saturada a 100 OC ¿qué cantidad de agua se requiere? Si la solución se enfría a 0 OC que cantidad de Ba(NO3)2 se precipita de la solución. (Base de cálculo 100Kg del solución Ba(NO3)2).

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