INTRODUCCIÓN A LOS BALANCES DE MASA

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICAUNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

Los balances de materia permiten conocer los caudales y lascomposiciones de todas las corrientes de un sistema. En un proceso enel que tienen lugar cambios; el balance de materia informa sobre elestado inicial y final del sistema.

Los balances se plantean alrededor de un entorno, una determinada región del espacio perfectamente delimitada

El balance de materia tiene la forma:

ENTRADA – SALIDA + GENERACIÓN = ACUMULACIÓNGENERACIÓN = PRODUCCIÓN - CONSUMO

QUÉ ES UN BALANCE DE MASA?

Es un inventario de la materia en todos los puntos del proceso.

PARA QUÉ SIRVE? FINALIDAD?

Diseñar equipos del procesoPlanificar la producciónOptimizar el uso de las materias primas

EN QUÉ CONSISTE?

Determinar los flujos totales y de cada compuesto en las corrientes delproceso.

MOLARES

SALIDA - ENTRADA:cantidad de propiedad que cruza los límites del sistema en uno u otrosentido por unidad de tiempo.

ACUMULACIÓN:cantidad de propiedad existente en el sistema en un momento dado menosla que había en un instante inmediatamente anterior dividido entre elintervalo de tiempo. Puede ser positiva o negativa, según la cantidad depropiedad contenida en el sistema aumente o disminuya. En estadoestacionario la acumulación es nula.

GENERACIÓN:cantidad de masa que aparece o desaparece dentro del sistema por unidadde tiempo, sin estar presente inicialmente en el sistema y no habiendoatravesado sus límites. Puede ser positiva o negativa según aparezca odesaparezca propiedad. La masa total no se genera o consume, amenos quehaya reacciones nucleares. La masa o moles de un compuesto químico sepuede generar o consumir por medio de reacciones químicas.

Cuando un sistema implica reacciones químicas, losbalances de componentes y el global deben realizarsereferiblemente en unidades molares.

Si no hay reacciones químicas, los balances pueden hacerseen unidades másicas o molares.

En los sistemas reactivos no estacionarios en los que elvolumen varia con el tiempo, es muy conveniente realizarun balance global en unidades másicas (el termino degeneración es nulo) dado que eso permitirá conocerexplícitamente la variación de volumen con el tiempo.

Procedimiento sugerido:

1) Hacer un esquema claro del proceso

2) Anotar sobre el diagrama todos los datos suministrados

3) Asignar la nomenclatura adecuada a las corrientes y a los compuestos.

Nota: definir si se hace el balance en moles o en masa, teniendo en

cuenta que para hacer el balance en moles se deben tener claros los

pesos moleculares. Cuando hayan reacciones químicas es mas

conveniente hacer los balances en moles.

4) Seleccionar el volumen de control o entorno al que se le aplicaran los

balances.

Nota: en el balance solo participan las corrientes que crucen el volumen

de control.

5) Aplicar las ecuaciones de balance de masa

Nota: se puede aplicar un balance de masa por cada componente y un

balance de masa total (global)

6) Resolver algebraicamente las ecuaciones

Nota: enumerar cada ecuación obtenida. Indicar claramente cada paso

algebraico que se haga. Tratar de introducir los valores numérico solo al

final del proceso. Identificar las variables que se conocen.

TALLER: BALANCES DE MASA EN SISTEMAS EN ESTADO ESTACIONARIO Y

SIN REACCIÓN QUÍMICA

1)Un secadero se alimenta con una suspensión acuosa de pulpa depapel, con un 6,7% en peso de sólido seco. El sólido que abandona elsecadero contiene el 11% en peso de agua. Si el secadero elimina 75000 kg/h de agua, ¿cuál será la producción diaria de pulpa de papelcon un 11% en peso de agua?

2) 1000Kg./h de una mezcla de benceno (B) y tolueno (T) conteniendo50% de benceno es separada en dos fracciones mediante unadestilación. El flujo masa de benceno en la cabeza de destilación es de450Kg/h y el de tolueno en la cola es de 475Kg/h. La operación es enestado estacionario. Calcular los flujos masa de benceno y tolueno enla cola y la cabeza de destilación respectivamente.

3) Una corriente líquida, F = 1.000 Kg/h, formada por una mezcla debenceno y tolueno, con una composición de 60% en peso de benceno,entra como alimentación de una torre de rectificación en la que seescinde en una corriente de cabeza del 95% en peso de benceno y unacorriente de cola del 2% en peso de benceno. Calcúlense los flujomásicos, en kg/h, de las corrientes de cabeza y cola que salen de lacolumna.

R: wcabeza = 624 Kg/h; wcola = 376 Kg/h

4) Debajo se muestra un diagrama de flujo de dos procesos unitarioscontinuos en estado estacionario. Cada corriente contiene doscomponentes, A y B, en diferentes proporciones. Hay tres corrientes(1, 2 y 3) que no se conocen su flujo y/o su composición. Calculardichos flujos y composiciones.

5) En la figura se muestra un diagrama de flujo simplificado de la fabricación deazúcar. La caña de azúcar se alimenta a un molino donde se extrae jarabe portrituración; bagazo resultante contiene un 80% de pulpa. El jarabe (E) que contienefragmentos finamente divididos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda lapulpa y produce un jarabe transparente (H) que contiene 15% de azúcar y un 85% deagua en peso. El evaporador produce un jarabe pesado y el cristalizador produce 800Kg/h de cristales de azúcar. Determinar: a) El agua eliminada en el evaporador.b) Elcaudal de alimentación de caña de azúcar.

6) En la figura se representa un diagrama de flujo para la recuperación de acetona contenida enuna corriente de aire procedente de un secadero. Según puede verse, 100 Kmol/h de una mezclagaseosa de acetona y aire se trata con una corriente de agua A en una torre de absorción paradar lugar a una corriente gaseosa residual C, que se vierte a la atmósfera, y una corrientelíquida B consistente en unamezcla de acetona y agua. La corriente B entra como alimentaciónde una columna de rectificación en la que se escinde en una corriente de cabeza D y otra de colaW. En la corriente de cabeza D se recupera el 80% de la acetona que entra en el sistemaprocedente del secadero. Todos los porcentajes están en % en moles. Calcúlense los flujos, enKg/h, de las corrientes A, B, C, D y W. (PM aire: 29,8 g/mol, PM acetona: 58 g/mol, PM agua: 18g/mol).