OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES I

BALANCE DE ENERGIA Alonso Rossel Fiorella

Huanio Estrada Lilibeth

Lozano Villar Carolin

LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA

La energa no se crea ni se destruye, solo transforma.

(Primera ley de la termodinmica)

ENERGIA:

Capacidad de producir trabajo.

Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras : Radiacin electromagntica, Energa Potencial, Energa Elctrica, Energa Qumica ( de enlace), Energa Cintica, Calor.

Cantidad absoluta :Energa, J, cal, kcal, kJ

Caudal: Energa/tiempo, J/s (W)

Flujo: Energa/(tiempo*superficie), W/m2

Especifica : Energa/masa, J/ Kg

FORMAS DE ENERGIA

TRABAJO MECANICA (W): Producto del desplazamiento (x) por la componente de la fuerza que acta en la direccin del desplazamiento (Fx).

ENERGIA POTENCIAL (Ep): Capacidad de producir trabajo que posee un sistema en virtud de su posicin respecto a un plano de referencia.

ENERGIA CINETICA (Ec): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpo en funcin de su movimiento.

Calor (Q): Energa en transito de un cuerpo que se haya a una temperatura hacia otro que esta a menor temperatura con el fin de igualar ambas.

FORMAS DE ENERGIA

ENERGIA INTERNA (U): Variable termodinmica (Funcin de estado) indicativa del estado energtico de las molculas constitutivas de la materia. Su valor se fija respecto a una referencia.

ENERGIA ELECTROMAGNETICA: Asociada con la frecuencia de onda. Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energa puede ser absorbida. Normalmente su absorcin se expresa como aumento de temperatura.

ENERGIA NUCLEAR (En):Transformacin de masa en energa de acuerdo a = . 2 .Desintegraciones nucleares.

ENERGIA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL:

ENERGIA CINETICA de un sistema material en movimiento, en funcin de su velocidad:

m=masa del cuerpo

v=velocidad del cuerpo

ENERGIA POTENCIAL de un sistema material en funcin de su posicin en el campo gravitatorio:

m=masa del cuerpo

g=aceleracin de la gravedad

h=posicin del cuerpo

ENERGIA INTERNA DE ESPECIES QUIMICAS (U):

Variable o Propiedad Termodinmica asociada a la composicin qumica, temperatura y el estado de agregacin de la materia.

Energa debida al movimiento de las molculas con respecto al centro de masas del sistema, al movimiento de rotacin y vibracin, a las interacciones electromagnticas de las molculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atmicos de las molculas.

Relacionable con tras propiedades termodinmicas, ENTALPHIA.

H=U+PV U=H-PV

=

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENRGIA

SIN TRANSEFERENCIA DE MATERIA: Interpretacin macroscpica del intercambio de energa entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras):

CON TRANSFERENCIA DE MATERIA: Sistemas abiertos: adems de la formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere

SISTEMA Energa interna

ALREDEDORES

Intercambio de energa

calor y trabajo

T y P : parmetros de estado del sistema

CALOR Y TRABAJO

Son formas de energa en transito, entre el sistema y sus alrededores.

Trabajo (W), energa en transito debido a la accin de una fuerza mecnica.

Calor (Q), transito resultado de la diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores.

En un sistema cerrado su balance neto en 0, en un sistema abierto, su balance neto afecta a la energa interna del sistema segn el balance global sea positivo o negativo

BALANCE DE ENERGIA

Todas las corrientes de un proceso estn relacionadas de forma que dados los valores de algunas variables de las corrientes de entrada y salida se pueden derivar y resolver ecuaciones para obtener los valores de otras sin necesidad de medirlas.

Contabilidad del flujo de energa de un sistema

Determinacin de los requerimientos

energticos de un proceso

Junto con los balances de materia son una herramienta fundamental para el anlisis de procesos

BALANCE DE ENERGIA

Algunas aplicaciones de los balances de energa en la industria:

Recuperacin mxima del Calor: optimizacin energtica del proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido.

Produccin Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Clculos de Perdidas y Aislamientos. Optimacin de procesos de Obtencin de Energa Elctrica (Cogeneracin)

Calculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor

Calculo de la energa mecnica que hay que comunicar a un fluido para mantenerlo en movimiento.

Cualquier proceso de transformacin en la naturaleza conlleva un intercambio de energa

BALANCES DE ENERGIA

Sistemas donde se pueden aplicar:

Una planta agroindustrial, qumica, petroqumica, biotecnolgica, etc.

Ejemplo: Una planta de etanol. Planta de azcar.

BALANCE DE ENERGIA:

Unidad de una planta:

Ejemplo: Columna de rectificacin, reactor

BALANCE DE ENERGIA

Unidad de una planta:

Parte de una unidad. Ejemplo: Cambiador de calor

ECUACION GENERAL DE BALANCE

Sistema material sometido a transformaciones fsicas y qumicas que transcurren en rgimen no estacionario

PROCESO

Energa que entra del exterior

Energa que sale del exterior

Energa acumulada en

el sistema

Entrada + Produccin Consumo = Salida + Acumulacin

En rgimen estacionario

Energa que entra del exterior

Energa que sale del exterior

mentra msale

ECUACION GENERAL DEL BALANCE

SISTEMA L1

EC1

EP1

EPe1

U1

L2

EC2

EP2

EPe2

U2

Q

W

Li= Flujo msico

ECi= Energa Cintica

EPi= Energa Potencial

EPei= Energa de presin

Ui= Energa Interna

Q= Calor

W= Trabajo

2 2 + 2 + 2 + 2 1 1 + 1 + 1 + 1 +

=

2 2 +2

2

2+ 22 + 2 1 1 +

12

2+ 11 + 1 +

=

2 2 +2

2

2+ 2 1 1 +

12

2+ 1 +

=

= + =

ECUACION GENERAL DEL BALANCE

BALANCES ENTALPICOS

Aplicacin a sistemas en que no se considera la contribucin de la energa mecnica ( variaciones de energa potencial y cintica despreciables) y que no intercambian trabajo con el medio:

2 1 + 2 1 +1

2 2

2 12 =

=

BALANCES ENTALPICOS

Aplicacin a sistemas en rgimen estacionario que intercambian calor con el medio.

Incluye cambios en la temperatura, en el estado de agregacin o en la naturaleza qumica de las sustancias.

No se considera la contribucin de la energa mecnica ( variaciones de energa potencial y cintica despreciable) al estado energtico del sistema.

Algunas aplicaciones de los balances entalpicos

Calculo de la cantidad de calor (Q) necesaria para modificar la temperatura, estado de agregacin o naturaleza qumica de una determinada cantidad de materia.

Calculo de caudal de fluido refrigerante o de calefaccin necesario para mantener las condiciones de trabajo de una operacin.

Calculo de los caudales de calor intercambio requeridos para que una operacin se realice en condiciones isotrmicas o adiabticas.

Calculo del consumo de combustible para producir el calor necesario en una operacin.

Calculo de rendimiento y propuestas de estrategias.

CALCULOS DE ENTALPIAS

No se pueden calcular valores absolutos de entalpia

Para aplicar la ecuacin hay que establecer un estado de referencias

=

El correspondiente a los elementos libres de todas las sustancias a una presin y temperatura (generalmente 1 atmosfera y 25 C)

La entalpia de una sustancia (con respecto a un estado de referencia) es la suma de tres contribuciones:

Entalpia o calor de formacin

Calor sensible

Calor latente

EJERCICO 01:

Se calienta 4500kg/h de leche de vaca desde 5C hasta 6OC en un intercambiado de calor y utilizando para ello agua caliente . Cunto calor debe transmitir si el Cp de la leche es de 0.916kcal/kgC

Solucin:

=

= 4500

0.916

60 5

= 226710

PROCESO 5C 60C

EJERCICIO 02:

Un liquido fermentado se bombea a razn de 2000 kg/h a 30C a travs de un intercambiador de calor, en donde se calienta hasta 70C. El agua para este proceso entra a 95C y sale a 80C. El Cp del liquido fermentado es de 0.966kcal/kgK. las corrientes de fermentacin y de agua estn separadas por una superficie metlica travs de la cual se transfiere calor y no hay mezcla fsica de una corriente con la otra. Indique el agua necesaria

Solucin:

+ = + D

A=B C=D

2000 (-) = C * (-)

2000 () = C * ()

2000 0.966

(30 70)C = C *1

(80 95)C

C= 5152 kg/h

HA

A=2000kg/h

TA= 30C

Cp=0.966 kcal/kgC

C=D

Tc= 95C

HC

HB

B=2000kg/h

TB= 70C

D=C

TD= 80C

HD

CONCLUSIN

l balance de energa se basa en la Ley de la Conservacin de energa que indica que en un proceso, la energa no se crea, ni se destruye, solo se trasforma.

En un balance total de energa se toma en cuenta las transferencias de energa a travs de los limites del sistema. Ciertos tipos de energa estn asociados a la masa que fluye, otros tipos como Q ( calor) y W ( trabajo) son solo formas de transmisin de energa.