Balance De Materia Y Energia

APUNTES DE CLASE

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

Los problemas de balance de materia y energía se basan en la aplicación correcta de las leyes de conservación de masa y energía.

El balance de materia se basa en la ley de la conservación de la masa enunciada por Lavoisier, es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar de distintas formas.

“En una reacción química ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos”.

“La materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

“En una reacción química la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos”.

“En una reacción química los átomos no desaparecen, simplemente se ordenan de otra manera”.

Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones nucleares o atómicas, en las que la masa sí se modifica de forma sutil, en estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía en las que la materia se transforma en energía según la ecuación de Einstein E=mc2, y la materia cuya velocidad se aproxima a la velocidad de la luz).

CONCEPTOS FUNDAMENTALES.

Para resolver problemas de balance de materia (o un balance de energía) se debe conocer el sistema para el cual se hará el balance y sus fronteras.

Sistema: un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis.

Frontera: la frontera o límite de un sistema es una línea (real y/o conceptual) que separa el sistema de su entorno. La frontera de un sistema puede estar fija respecto al equipo del proceso, o podría ser una superficie imaginaria que se dilata o se encoge conforme se lleva a cabo el proceso.

Tipos de sistemas: Dependiendo de si hay transferencia de materia o no, los sistemas se clasifican en:

Sistemas abiertos(o continuos): es aquel en el que se transfiere material por la frontera del sistema; esto es entra en el sistema, sale del sistema o ambas cosas.

Sistemas cerrados(o por lotes): es aquel en el que no tiene lugar una transferencia durante el intervalo de tiempo de interés.

Sistema Aislado: sistema cerrado en el que no existe transferencia de energía a través de sus líneas frontera (sistema adiabático). Sistema Isotermo, la Energía fluye a través de la línea frontera para mantener la temperatura constante.

Un balance de materia no es más que una contabilización de material que ingresa y sale de un sistema, que conste de una unidad de proceso o varias unidades de proceso.

Proceso: Según el diccionario, un proceso es una serie de acciones, operaciones o tratamientos que producen un resultado (producto). Aplicados en la industria, los procesos son físicos y químicos.

Proceso físico: es aquel donde los componentes al ser sometidos a un proceso no cambian sus propiedades e incluso ese proceso es reversible.

Proceso químico: son operaciones que derivan en la modificación de una sustancia, ya sea a partir de un cambio de estado, de composición o de otras condiciones. Estos procesos implican el desarrollo de reacciones químicas con base a esto definimos los procesos unitarios.

Procesos unitarios: son aquellos que requieren de una o más operaciones con reacciones químicas.

ALGUNOS EJEMPLOS DE PROCESOS UNITARIOS SON:

OXIDACIÓN: Proceso por el cual una especie química pierde electrones simultáneamente a la ganancia de los mismos por otra sustancia.

COMBUSTIÓN: Reacción química entre una sustancia oxidante (comburente) y otra reductora (combustible) con desprendimiento de calor y eventualmente de luz.

FEMENTACIÓN: Conjunto de reacciones químicas por las que una sustancia orgánica se transforma en otra por medio de ciertos microorganismos y generalmente va acompañada de gases.

SAPONIFICACIÓN: proceso químico por el cual los esteres se desdoblan en ácidos y alcohol por acción del agua son acciones reversibles, muy lentas y en general catolizadas por ácidos minerales o por alcalisís.

SULFHIDRACIÓN: Proceso de adicionar un reactivo que contenga sulfuro de hidrogeno.

CAUSTIFICACIÓN: Proceso unitario que implica al carbonato sódico con cal y la producción electrolítica de sosa cáustica con sal común produciendo hidróxido sódico.

HIDROGENACIÓN: Reacción química entre el hidrogeno molecular y un compuesto orgánico en presencia de catalizadores.

PRECIPITACIÓN: Aparición de una fase sólida en el seno de una disolución se produce cuando la concentración de poluto supera la máxima posible.

ELECTROLISÍS: Descomposición de sustancias que se encuentran disueltas o fundidas al paso de la corriente eléctrica. El proceso tiene lugar en una cuba electrolítica, de manera de que sobre el electrodos positivo y negativo se depositan los iones negativos y positivos respectivamente.

HALOGENACIÓN: Consiste en insertar un átomo de cualquier halógeno en una cadena de compuesto orgánico por desplazamiento de una doble ligadura.

POLIMERIZACIÓN: Es el proceso en el cual se forman productos de alto peso molecular a partir de materias primas de bajo peso molecular.

REDUCCIÓN: Proceso químico caracterizado por la aceptación de electrones por parte de una molécula, átomo-ion.

SULFONACIÓN: Introducción del radical sulfurilo en un compuesto orgánico.

NITRACIÓN: Introducción del radical nitro (NO-) en un compuesto orgánico, formando nitrocompuestos.

ALQUILACIÓN: Introducción de una cadena alifática en un compuesto cíclico por sustitución de hidrogeno por un radical alquilo.

DISOLUCIÓN: Mezcla de dos o más componentes cuyas propiedades varían al ser modificadas sus proporciones.

OPERACIONES UNITARIAS: son operaciones físicas realizadas para producir cambios en el sistema, tales como la transmisión de calor, flujo de fluidos, destilación, etc., pero no en la materia.

ALGUNOS EJEMPLOS DE OPERACIONES UNITARIAS SON:

FILTRACIÓN: Separación de las partículas sólidas en suspensión en un fluido, mediante el paso forzado de este a través de un medio filtrante o membrana sobre la cual depositan los sólidos.

DESTILACIÓN: Separación de los componentes de una mezcla liquida por vaporización de la misma. Al calentar primero se desprenden los componentes más volátiles y va quedando un residuo líquido constituido por las sustancias de punto de ebullición más alto.

CENTRIFUGACIÓN:

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