PROCESOSINDUSTRIALES II BALANCE DE ENERGIA Conoce el Balance de Materia y Energía, realiza Cálculos. Aplica Balances en los Procesos Ing. C. Miguel Terrones Sotomayor LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía ni se crea ni se destruye, transforma. (1a Ley de la Termodinámica) sólo se kcal. Energía Cinética. Energía Eléctrica. . Energía Química (de enlace). cal. Calor. J/kg .Específica: Energía/masa. W/m2 . Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras: Radiación electromagnética.Flujo: Energía/(tiempo. J/s (W) .Cantidad absoluta: Energía.Caudal: Energía/tiempo. Energía Potencial.superficies). kJ Magnitudes y Unidades .ENERGÍA Definiciones: Capacidad para producir trabajo. J. Primer Principio de la Termodinámica: * Basado en las observaciones de Thompson y Sir Humphry Davy: El trabajo puede ser transformado en calor por fricción. * El primer principio según por el cual la energía ni se crea ni se destruye se propone en base a estas experiencias.18 kJ <> 1 kcal. * (1840) Joule establece la equivalencia entre trabajo y calor 4. formulándose matemáticamente como: c dQ c dW 0 . Primer Principio de la Termodinámica: * La propiedad termodinámica que deriva del primer principo de conservación recibe el nombre de ENERGÍA INTERNA (U). . dQ dW 0 c c dU dQ dW U 2 U 1 U Q W * Se define la energía interna de un sistema en función de la diferencia entre el calor y el trabajo que entra o sale del sistema. Energía Potencial (Ep): Capacidad de producir trabajo que posee un sistema en virtud de su posición respecto a un plano de referencia. . Calor (Q): Energía en transito de un cuerpo que se haya a una temperatura hacia otro que está a menor temperatura con el fin de igualar ambas. Energía Cinética (Ec): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpo en función de su movimiento.FORMAS DE LA ENERGÍA Trabajo mecánico (W): Producto del desplazamiento (x) por la componente de la fuerza que actua en la dirección del desplazamiento (Fx). E=hν. Energía Electromagnética: Asociada con la frecuencia de onda. . Desintegraciones nucleares. Entropía (S). Energía Nuclear (Ec): Transformación de masa en energía de acuerdo a E=mc2.FORMAS DE LA ENERGÍA Energía Interna (U): Variable termodinámica (Función de estado) indicativa del estado energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor se fija respecto a una referencia. Está relacionada con otras variables termodinámicas como Energía Libre (G). Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser absorbida. Normalmente su absorción se expresa como un aumento de temperatura. Entalpía (H). Energía interna ( U ): Asociada a la composición química de la materia. Energía potencial (Ep): asociada a su posición con respecto a un sistema de referencia. a su estado energético (temperatura.ENERGÍA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL Energía cinética (Ec): asociada al movimiento de los cuerpos respecto a un sistema de referencia. volumen y presión) y a su estado de agregación (estado físico). . en función de su velocidad: Ec 1 m v2 2 m = masa del cuerpo v = velocidad del cuerpo * Energía potencial de un sistema material en función de su posición en el campo gravitatorio: Ep m g h m = masa del cuerpo g = aceleración de la gravedad h = posición del cuerpo .* Energía cinética de un sistema material en movimiento. a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos de las moléculas. Relacionable con otras propiedades termodinámicas. ENTALPIA H U PV U H PV dU dH PdV Vdp . temperatura y el estado de agregación de la materia. al movimiento de rotación y vibración.* Energía interna de especies químicas ( U ): Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la composición química. Energía debida al movimiento de las moléculas con respecto al centro de masas del sistema. FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Sin transferencia de materia Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras): SISTEMA Energía interna Intercambio de energía: ALREDEDORES calor y trabajo T y P : Parámetros de estado del sistema Con transferencia de materia Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere. . * Calor ( Q ): tránsito resultado de la diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores.Calor y trabajo Son formas de energía en tránsito. entre el sistema y sus alrededores. energía en tránsito debido a la acción de una fuerza mecánica. En un sistema cerrado su balance neto es 0. . su balance neto afecta a la energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo. en un sistema abierto. * Trabajo (W). Ecuación general de balance mentra msale Sistema material sometido a transformaciones físicas y químicas que transcurren en régimen no estacionario Entrada Producción (0) Consumo (0) Salida Acumulació n Energía que entra Energía que sale del exterior al exterior Energía acumulada en el sistema en régimen estacionario Energía que entra Energía que sale del exterior al exterior . . Todas las corrientes de un proceso están 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.Balances de Energía Contabilidad del flujo de energía en un sistema Determinación de los requerimientos energéticos de un proceso Junto con los balances de materia son una herramienta fundamental para el análisis de procesos. Cálculo de Perdidas y Aislamientos. Optimación de los Procesos de Obtención de Energía Eléctrica (Cogeneración). Cálculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay que comunicar a un fluido para mantenerlo en movimiento . Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas.Balances de energía Cualquier proceso de transformación en la naturaleza conlleva un intercambio de energía. Algunas aplicaciones de los balances de energía en la Industria Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido. Complejo síntesis de amoniaco - . Ej.Una planta química completa: -P.Balances de energía Sistemas donde se pueden aplicar: . Una refinería. Sistemas donde se pueden aplicar: .Un proceso de una planta: p.ej. Fabricación de olefinas Síntesis del HNO3 – 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g) – 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) – 2NO2(g) + H2O(l) HNO2(ac) + HNO3(ac) T altas (800ºC) – 3HNO2(ac) HNO3(ac) + 2NO(g) + H2O(l) Catalizador Rodio-Platino . Un proceso de una planta Síntesis del H2SO4 (Método de contacto) – S(l) + O2(g) SO2(g) – SO2(g) +O2(g) SO 3(g) reacción catalizada por V2O5 T=400ºC. P=2atm Reacción reversible: η = 88% – SO 3(g) + H2O (l) H2SO4 (ac) .Sistemas donde se pueden aplicar: . Balances de energía Sistemas donde se pueden aplicar: .Unidad de una planta: p. reactor .ej. Columna de rectificación. Balances de energía Sistemas donde se pueden aplicar: . Un cambiador de calor Cambiador de calor de tubos concéntricos en una planta de esterilización .Parte de una unidad: p.ej. 2. La materia “almacena” energía. C.1. Miguel Terrones Sotomayor . La transferencia se produce cuando hay un desequilibrio de fuerzas o temperatura. 3. La energía se puede transferir a otros cuerpos materiales. Ing. se estará intercambiando calor sensible. que podrá calcularse con las siguientes ecuaciones según intervenga o no el tiempo: Ing. Las unidades del balance serán de energía (kJ): o de potencia (kW=kJ/s) cuando intervenga el tiempo Si en el proceso de intercambio térmico se modifica la temperatura.El balance de energía es la expresión matemática del primer principio de la Termodinámica. C. Generalmente el balance se establecerá sobre entalpía específica. por lo tanto en cualquier proceso será cierto que el calor tomado coincidirá con el calor cedido. Miguel Terrones Sotomayor . que en procesos a presión constante equivale al calor intercambiado. 18 kJ/kg.Cuando en el proceso de intercambio se produzca un cambio de estado. se introduce un calentador eléctrico de 1500 W de potencia. Calcular el tiempo que transcurrirá hasta que el agua se ponga a hervir. cp agua = 4. suponiendo que no se producen pérdidas de calor contra el exterior. C.K) Ing. que pesa 1 kg y que contiene 5 kg de agua a 10ºC. Miguel Terrones Sotomayor . (cp cobre = 0. por lo que en este caso se deberán utilizar las ecuaciones siguientes: Problema nº1 En un recipiente de cobre aislado térmicamente.385 kJ/kg. se estará intercambiando calor latente.K. a 25ºC de temperatura. ¿Cuál será la temperatura de la mezcla? (cp conc tomate = 2.K) Ing. a 85ºC de temperatura.18 kJ/kg. para iniciar la fabricación de una salsa. con 350 kg de agua. C. Miguel Terrones Sotomayor . cp agua = 4.83 kJ/kg.K.Problema nº2 En un recipiente aislado térmicamente se mezclan 529 kg de un concentrado de tomate. Calcular el caudal de agua que se consumirá en el proceso de enfriamiento del autoclave. desde 120 hasta 40ºC.5 kJ/kg. cp acero inox: 0. El autoclave está construido en acero inoxidable y pesa 1000 kg. 50 g cada uno. La cesta también es de acero inoxidable y su peso es de 100 kg.Problema nº3 Se dispone de un autoclave de una jaula en el que se tratan 900 latas de medio kilo de peso neto por carga. cp hoja lata: 0. C. Miguel Terrones Sotomayor . si el agua llega al cambiador a 20ºC y lo abandona a 25ºC.K) Ing. en vacío. (cp producto: 4 kJ/kg.6 kJ/kg.K. Los envases tratados son de hojalata y pesan.K. 5 kJ. Miguel Terrones Sotomayor .09 kJ/kg. de 25 g a -10ºC de temperatura. cp hielo: 2. serán necesarios para enfriar un vaso de 250 ml de zumo de naranja desde 25 hasta 10ºC? Considerar que durante el proceso se pierden al ambiente 2. Problema nº7 ¿Cuántos cubitos de hielo.K) Problema nº5 Para congelar 10 kg de fresas. (λhielo: 334 kJ/kg.K. se han consumido 4200 kJ de energía. : 3.K. cp fresas = 3.94kJ/kg.= -0.8ºC. (cp tomate trit. λcong = 300 kJ/kg) Problema nº6 Calcular cuánto vapor saturado a 125ºC se consumirá para calentar 200 kg de agua desde 25 hasta 95ºC mediante inyección directa. cp fresas cong = 1.85 kJ/kg.K) Ing. que se encontraban a 20ºC.Problema nº4 Calcular el vapor saturado a 3 bar (absolutos) necesario para calentar 100 kg de tomate triturado desde 25 a 98ºC. ¿A qué temperatura se encontrarán al concluir el proceso? (t cong.97 kJ/kg. C. cp agua 75ºC: 4. Calcular el caudal másico de agua que deberá emplearse.Problema nº8 En un cambiador de calor se enfrían 2500 kg/h de leche entera desde 78 hasta 30ºC. Problema nº10 En un cambiador de calor de pared rascada se quieren calentar 2000 kg/h de puré de patata desde 15 hasta 50ºC.75 kJ/kg. Como fluido refrigerante se utiliza agua a 8ºC. Problema nº9 Se deben enfriar 5000 l/h de zumo de uva desde 70 hasta 25ºC. utilizando agua como medio de enfriamiento. Determinar el caudal másico de agua que será necesario si en el proceso se calienta desde 10 hasta 20ºC. C.K.K.6 kg/m3) Ing.2 kJ/kg. Para la calefacción se dispone de un caudal de 1500 l/h de agua 95ºC. ρagua 95ºC: 963. que en el proceso se calienta hasta 15ºC. ¿A qué temperatura se obtendrá el agua del cambiador? (cp puré: 3. Miguel Terrones Sotomayor . FIN Ing. Miguel Terrones Sotomayor . C.