Balance de Materia y Energía
Introducción
Las dos funciones principales del Ingeniero de Procesos son: Desarrollar y Diseñar procesos que conviertan materias primas, recursos y fuentes básicas de energía en productos deseados o formas superiores de energía; así como Mejora y Operar procesos existentes, de manera que lleguen a ser tan seguros, confiables, eficientes y económicos como sea posible.
Principio de la conservación de la Materia y Energía
Los principios de conservación de Masa y Energía establecen que ni la una, ni la otra pueden ser creadas o destruidas, pero si pueden ser modificadas en sus formas. Este principio, que constituye la base de todos los cálculos de balance de materia y energía es una hipótesis ya que nunca se ha demostrado de manera definitiva, sin embargo, una hipótesis muy sólida, ya que jamás se ha demostrado experimentalmente su falsedad. Una expresión precisa del principio de conservación de la masa y la energía requiere definir cuidadosamente algunos términos:
De ese modo, es posible contabilizar todos los cambios en el total de la cantidad conservada que se encuentra dentro del sistema, simplemente midiendo la transferencia desde y hacia el sistema, que cruzan las fronteras del mismo.
En ausencia de reacciones nucleares o velocidades cercanas a la de la luz, la interconversión entre materia y energía resulta despreciable. Por lo tanto, puede separarse a la ecuación de conservación en dos expresiones:
A la primera ecuación se le llama el principio de conservación de la materia y a la segunda, el principio de conservación de la energía.
Balance de Materia, Sistema, Múltiples sistemas o Subsistemas
Clasificación de los procesos
Un proceso industrial puede clasificarse fundamentalmente en dos grupos:
Si las variables de un proceso dentro de un sistema no sufren modificaciones con el tiempo puede decirse que el proceso está en Régimen Permanente o Estable. Si al contario una de las variables cambia su valor con el paso del tiempo se dice que el proceso es en Régimen Transitorio o Inestable.
Diagrama de flujo
El diagrama de flujo está constituido por un rectángulo u otros símbolos que representan la unidad de proceso y se utilizan flechas para indicar las entradas y salidas del mismo.
En todos los casos la información disponible se traslada al diagrama constituyéndose este en una gran ayuda para los cálculos de balance de masa. A medida que se avanza en los cálculos, sus resultados pueden ir colocándose en el diagrama de manera que este proporciona un registro continuo de lo que se ha hecho y de lo que falta por hacer.
Base seca, Base Humedad, Base libre de un componente
Reciclaje
Derivación
Purga
Balance de energía en los procesos industriales
Una de las tareas principales del Ingeniero Industrial al diseñar un proceso consiste en justificar con cuidado la energía que entra y sale de cada unidad de proceso y determinar los requerimientos energéticos totales de este. Para ello, recurre a escribir los balances de energía de manera muy similar a los balances de materia que se describen para explicar los flujos de masa que entran y salen del proceso y de sus unidades. La energía total de un sistema tiene tres componentes:
Balance de energía en Sistemas Cerrados
Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del sistema durante el tiempo cubierto por el balance de energía. Por definición, un sistema de proceso por lotes es cerrado, y los sistemas semicontinuos y continuos son abiertos. Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema cerrado entre dos instantes dados como.
Acumulación = Entrada — Salida
La forma básica de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado seria:
Balance de energía en Sistemas Abiertos
La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma:
Entrada = Salida
La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado no estacionario tiene la forma:
Acumulación = Entradas — Salidas
Ejemplo:
1. Un tanque elevado tiene una capacidad de 8 m³ y se encuentra en la parte superior de un edificio de tres pisos. El tanque inicialmente tiene almacenado 2 m³ de agua. Considerando que se está alimentando por la tubería de la red pública agua a razón de 0,25 m³/min y que al mismo tiempo el consumo por los inquilinos de los departamentos del edificio se mantiene constante a razón de 0,10 m³/min, determine el tiempo necesario para que el tanque llegue a su máxima capacidad.
2. Se tiene inicialmente un tanque lleno con 40 litros de una solución de alcohol al 10%. Al tanque se han conectado dos líneas de tuberías, una de alimentación a través de la cual va a ingresar un flujo volumétrico de 4 lt/min de una solución al 50% de alcohol y la otra de líneas es de drenado con una capacidad para extraer 4 lt/min de la solución que tenga el tanque. Suponiendo que cada línea tiene una válvula de apertura rápida y que las dos son accionadas en el mismo momento, determinar la concentración dentro del tanque a los 9 minutos y a los 15 minutos de haberse abierto las válvulas.
Instrumentación y Control de Procesos Industriales
La instrumentación es el conjunto de herramientas que sirven para la mediación, la conversión o transmisión de las variables que pueden ser químicas o físicas necesarias para iniciar, desarrollar y controlar las diversas etapas que involucran a los yacimientos.
Sistema de Control Automático
El principio de todo sistema de control automático es la aplicación del concepto de realimentación o feedback cuya característica especial es la de mantener al controlador central informado del estado de las variables para generar acciones correctivas cuando así sea necesario.
El control automático es el mantenimiento de un valor deseado para una cantidad o condición física, midiendo su valor actual, comparándolo con el valor referencia, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla mediante una acción correctiva. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana”.
Para lograr este objetivo se debe diseñar e implementar un sistema de control. En la figura se muestra un sistema de control y sus componentes básicos.
Son obligatorias para todo sistema de control.
- Medición (M): se controla mediante la combinación de sensor y transmisor.
- Decisión (D): el controlador decide que hacer para mantener la variable en el valor que se desea.
- Acción (A): se debe efectuar una acción en el sistema, es realizada por el elemento final de control.
Principales razones para el Control de Proceso
El control automático de proceso se puede definir como una manera de mantener la variable controlada en el punto de control.
Se puede decir que estas son las razones de la automatización de las plantas de proceso la cual son proporcionar un entorno seguro y mantener la calidad deseada.
Ingeniería de las Reacciones Químicas – Diseño de Reactores
En el diseño de reactores se utiliza la información, el conocimiento y la experiencia de varios campos tales como la termodinámica, cinética química, mecánica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa y economía. La Ingeniería de las Reacciones Químicas es la síntesis de todos estos factores con el propósito de diseñar el mejor Reactor Químico.
Los procesos químico-industriales se diseñan para obtener de manera económica un producto a partir de diversos materiales no elaborados que se someten a las diferentes etapas de tratamiento. El diseño de equipos para las etapas físicas se estudia al tratar las operaciones unitarias. En este apartado el interés se centra en la etapa de tratamiento químico de un proceso.
Clasificación de las Reacciones
A fin de averiguar lo que es capaz de hacer un reactor, se necesita conocer de este la cinética, el modelo y la ecuación de diseño.
La Cinética Química
La cinética química es el estudio de las velocidades de reacciones químicas y los mecanismos de reacción. El Diseño de los Reactores y la Cinética Química constituyen la base de la producción de casi todos los productos químicos industriales.
La selección de un sistema de reacción que opere de la forma más segura y eficiente puede ser la clave para el éxito o el fracaso económico de una planta química.
Velocidad de Reacción (-𝒓𝑨)
La velocidad de una reacción nos indica con qué rapidez se consume cierta cantidad de moles de una especie química. El término especie química se refiere a cualquier compuesto o elemento químico con una identidad dada.
Hay tres maneras básicas por las cuales una especie puede perder su identidad química:
- Descomposición: La molécula pierde su identidad por romperse en moléculas más pequeñas, átomos o fragmentos de átomos.
- Combinación: Una molécula llega a perder su identidad como especie es por combinación con otra molécula u otro átomo.
- Isomerización: La molécula no se une a otra ni se rompe en moléculas más pequeñas, sino que pierde su identidad porque hay un cambio en su configuración.
La velocidad de reacción -𝑟𝐴 es el número de moles de A (en el ejemplo el coral) que reaccionan (desaparecen) por unidad de tiempo, por unidad de volumen:
Para reacciones heterogéneas -𝑟𝐴′ representa el número de moles de A que reaccionan por unidad de tiempo por unidad de masa de catalizador:
Ecuación General De Balance Molar
Si todas las variables del sistema son espacialmente uniformes en todo el volumen del sistema, la velocidad de generación de la especie j, Gj, es sólo el producto del volumen de reacción V, por la velocidad de formación de la especie j, rj. Es decir:
Entonces, la formula básica de la ingeniería química en términos de balance molar es:
Reactores Químicos
Reactores intermitentes (Batch)
Se emplean para operaciones a pequeña escala, para probar nuevos procesos que aún no se han desarrollado en su totalidad, para fabricar productos costosos y para procesos difíciles de convertir en operaciones continuas.
Reactores de Flujo Continuo
Los reactores de flujo continuo casi siempre operan en estado estacionario. Se consideran tres tipos de reactores: el reactor continuo de mezcla perfecta CSTR, el reactor de flujo tapón PFR y el reactor empacado PBR.
- Reactor Continuo de Mezcla Perfecta CSTR
- Reactor Tubular
- Reactor de Lecho Empacado
Ecuaciones para Diseño de Reactores
Ejemplo:
- Considere la isomerización cis - trans del 2 buteno que podríamos representar simbólicamente como A → B. La reacción de primer orden –rA = KCA se lleva a cabo en un reactor tubular en el cual la velocidad de flujo volumétrico es una constante.
- Dibuje el perfil de concentración.
- Deduzca una ecuación que relacione el volumen del reactor con la concentración de entrada y de salida de A. La constante de velocidad K y la velocidad del flujo volumétrico Q.
- Determine el volumen del reactor necesario para reducir la concentración de salida al 10% de la concentración de entrada cuando la velocidad de flujo volumétrico es 10dm³/min y la constante de velocidad de reacción K es 0,23 min ̄ ¹.
2. Considerare la isomerización isotérmica en fase gas A → B. En el laboratorio se determina la velocidad de una reacción química en función de la conversión del reactivo A. Las mediciones de laboratorio que se proporcionan en la tabla muestran la velocidad de reacción química en función de la conversión. La temperatura fue de 500 K (440°F), la presión global de 830 kPa (8.2 atm) y la carga inicial al reactor fue A puro.
La reacción descrita debe correrse en un reactor CSTR. La especie A entra al reactor con velocidad de flujo molar de 0.4 mol/s.
a) Usando los datos de la tabla, calcule el volumen necesario para lograr una conversión del 80% en un CSTR.
b) Sombree el área de la figura, que indique el volumen necesario de un CSTR para lograr la conversión del 80%.
c) Si por temas de espacio la máxima altura del reactor puede ser de 3,6 m, determine el diámetro del mismo para terminar el diseño.
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