UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CURSO: Balance de Materia y Energía PROFESOR: Ing. Rangel Morales Fabio Manuel INTEGRANTES: Borjas Celis, Julio César Campos Flores, Lesly Johana 090859G Sencara Valencia, María Elena Sulca Chumpitazi, Angie 072816H Tacza Yupanqui, Helen Lisbeth 080816C TAREA: pasitos 1, 2, 3, 4 y 5 FECHA DE ASIGNACION: 09-10-2013 2013-B Balance de Materia y Energía 1 PASITO 1: El coeficiente de transmisión de calor (h), para el calentamiento o enfriamiento en la región del flujo laminar viene dado por la ecuación empírica: h=24.2 ( ) x Donde: h: coeficiente de transmisión de calor en C: calor especifico en u: viscosidad de fluido en u w : viscosidad de fluido de la pared en k: conductividad térmica en D i : diámetro del tubo en pie L u : longitud del camino recorrido por el fluido en pie W: velocidad del flujo de masa Calcular el valor de la constante que se debe utilizar en esta Ec en vez de 24.2 cuando todas las unidades están en S.I. Solución: C=C ´ x x x =9.088 C ´ K =K ´ x x x x =0.0037568 K ´ u=u ´ x x x =0.000413379 W=W ´ x x =0.000125998 W ´ D i =D i ´ =0.3048mD i ´ L u =L u ´ =0.3048mL u ´ Reemplazando: h=24.2 ( ) x h= 0.298276 ( ) x Balance de Materia y Energía 2 PASITO 2: ¿Qué es balance de materia? El balance de materia es el conteo de flujo y cambio de masa en el inventario de materiales de mi sistema. Antes de comenzar con los balances es necesario definir claramente el sistema con el que se va a trabajar. Un balance de materiales no es más que una contabilización de material, donde existen flujos de entrada y salida. Se deben distinguir los siguientes conceptos: Sistema: Se refiere a cualquier porción arbitraria o a la totalidad de un proceso establecida para su análisis Frontera del sistema: Se circunscribe formalmente alrededor del proceso mismo Sistema abierto(continuo): Es aquel en que se transfiere material por la frontera del sistema; esto es, entra y sale del sistema Sistema cerrado(por lotes): no hay transferencia de material fuera de la frontera ¿Cuál es la ecuación general de balance? Acumulación dentro del = Entrada por las – Salida por las + Generación dentro – Consumo dentro sistema fronteras del fronteras del del sistema del sistema sistema sistema ¿Qué es balance diferencial? Indican lo que está sucediendo en un sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (velocidad de entrada, velocidad de producción) y tiene unidades de la unidad de la cantidad balanceada dividida entre una unidad de tiempo (g/s, barriles/día). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos continuos. ¿Qué es balance integral? Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una cantidad de la cantidad balanceada y tiene las unidades correspondientes (g, barriles). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos intermitentes siendo ambos instantes de tiempo el momento en que se efectúa la entrada y el momento previo a la extracción del producto. Para que sirven los grados de libertad Los grados de libertad nos permite saber si un problema debidamente planteado, si faltan datos o si se tienen datos por demás. Cuando se tiene mas de un unidad de proceso el análisis de grados de libertad me indica con cual unidad debo empezar mis balances. E-S+G-C=A Balance de Materia y Energía 3 PASITO 3: La reacción química: Se lleva a cabo en un reactor catalítico. A la entrada del reactor se tiene de ( ) .Calcule el flujo de agua a la entrada y los flujos de los productos a la salida del reactor, si: A) El agua a la entrada en cantidad estequiométrica y se tiene un 90% de conversión. B) El agua entra en un 20% de exceso y se tiene un 100% de conversión SOLUCION A) 1 2 MOLES DE SALIDA 1+(-1)0,9) = 4,0897 Kmol/h 1+(-1)(0,9) = 4,0897 Kmol/h 0+1(0,9)) = 36,80973 Kmol/h 0+1(0,9)) = 110,4219 Kmol/h REACTOR Balance de Materia y Energía 4 B) Con un exceso de 20% de H2O y 100% de conversión Hallando las moles de entrada de H2O SABEMOS: Como: TIENE UNA CON CONVERSION AL 100%, Entonces X=1 MOLES DE SALIDA 1-1(1) = 0 =8,10012 0+1(1) = 40,8976 = 122,697 Balance de Materia y Energía 5 PASITO Nº 4 El etano se clora en un reactor continuo: Parte del monocloro que se produce se clora aun más por una reacción secundaria indeseable: a) suponiendo que el objetivo principal sea maximizarla selectividad de producción de monocloroetano respecto de la producción del dicloroetano. ¿Diseñaría el reactor para que realizara una conversión alta o baja de etano? Explique su respuesta.(sugerencia: si el contenido del reactor permaneciera en este el tiempo suficiente para que se consumiera la mayor parte de etano en la alimentación.¿ Cuál sería el principal constituyente del producto?)¿Qué pasos adicionales con seguridad se llevarían a cabo para el proceso fuera razonable desde el punto de vista económico. b) Tome como base una producción de 100 moles de .suponga que la alimentación solo contiene etano y cloro, y que se consume todo el cloro. Haga un análisis de grado de libertad basado en los balances de especies atómicas. c) el reactor está diseñado para dar una conversión de 15%de etano y una selectividad de 14 molde / y con una cantidad insignificante de cloro en el gas producido. Calcule la proporción de alimentación (molCl 2 /mol C 2 H 6) y la fracción de rendimiento del monocloro. d) suponga que el reactor se construye y arranca, y la conversión es solo del 14%.El análisis cromatografico muestra que no hay cloro el producto sino otras especies de mayor peso molecular que el dicloroetano. De una explicación posible para estos resultados. Solución: a) se diseñaría un reactor que realizara una conversión de alto etano para que tuviera una conversión mayor el principal constituyente seria y para que fuera razonable desde el punto de vista económico el reactor tendría que tener una corriente de recirculación. b) Reactor Balance de Materia y Energía 6 Grados de Libertad: Está bien especificado. c) Balance para el carbono “c” Balance para el “H” Balance para el cloro R1: R2: Remplazando en las ecuaciones: moles Proporción de alimentación Fracción de rendimiento d) Se consume menos hexano por ello se forma otras especies en la reacción. NVI 7 NEB -3 NFE 0 NCE -2 NR -2 GL 0 Balance de Materia y Energía 7 Pasito 5: Un horno utilizado para fundir bronce usa carbón pulverizado como combustible. Sucomposición es la siguiente: C 68.8 % H2 6.4 % O2 8.4 % H2O 3.2 % Cenizas 13.2 % Las cenizas del horno contienen un 15 % del peso total de carbón alimentado. Para obteneruna mejor operación en el horno se emplea un 60 % de aire en exceso. Suponiendo que elaire se alimenta como aire seco, calcule: a. El diagrama de flujo y los grados de libertad b. El volumen de aire teóricamente necesario por tonelada de carbón. c. El volumen de aire alimentado por tonelada de carbón d. La composición de los gases de combustión en base seca y húmeda. e. La composición de los gases húmedos, suponiendo que el aire se alimenta a 25 C y 50 % de humedad. Solución: Grados de libertad por especies atómicas NVI 13 NBE -5 NFE 0 NCE -5 NR -2 GL 1 GL= 1 entonces asumo 100mol de carbón Balance de Materia y Energía 8 Ecuaciones de Balance por especies atómicas: C: N 1 C = N 3 CO2 H 2 : N 1 H2 + N 1 H2O = N 3 H2O O 2 : N 1 O2 + N 1 H2O + N 2 O2 = N 3 H2O + N 3 O2 + N 3 CO2 N 2 : N 2 N2 = N 3 N2 Cenizas: N 1 cenizas = N 3 cenizas Resolviendo: N 3 CO2 = 68.8mol 6.4mol +3.2mol = N 3 H2O entonces N 3 H2O = 9.6mol 5.2mol + 3.2mol + 110.08mol= 9.6mol + N 3 O2 entonces N 3 O2 = 43.08mol N 2 N2 = 414.110mol N 1 cenizas = 13.2mol M 1 C = 68.8mol x 12g/mol = 825.6g M 1 H2 = 6.4mol x 2g/mol = 12.8g M 1 O2 = 8.2mol x 32g/mol= 262.4g M 1 H2O = 3.2mol x 17g/mol = 56,6g M 1 cenizas = 231.68g es el 15% del peso del carbón M 1 = 1390.08g M 2 N2 = 414.110 x 28g/mol = 11595.05g M 2 O2 = 110.08mol x 32g/mol = 3522.56g M 2 = 15117.64g de aire seco con 60% en exceso PV= RTn = RTm/M V/m = RT/(PM) V/m = 0.082 x 298.15 /(1 x 28.8) = 0.84889Laire/g de aire V/m = Solo aire necesario para la reacción: M 2 N2 = 256.938mol x 28g/mol = 7194.267g M 2 O2 = 68.3mol x 32g/mol = 2185.6g M 2 = 9379.867g de aire seco necesario para la reacción V/m = Balance de Materia y Energía 9 Composición por vía seca y vía húmeda: Productos Moles % vía húmeda % vía seca CO 2 68.8mol 12.6% 12.76% O 2 43.08mol 7.95% 7.99% H 2 O 9.6mol 1.49% 0 Cenizas 13.2mol 2.49% 2.45% N 2 414.110mol 75.47% 76.80% N total (húmedo) 548.79mol N total (seco ) 539.19mol