ingenieria quimica tema: 2 balance de materia y energia en mezclado y evaporacion
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INGENIERIA QUIMICA
TEMA: 2
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA EN
MEZCLADO Y EVAPORACION
INTEGRANTES:
ZAVALA, Yusmely
C.I: 21.018.864
SANTAELLA, Jorman
C.I: 16.772.658
MOLINA, Milfre
C.I: 17.258.046
MORA, Juliene
C.I: 17.450.192
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO
SANTIAGO MARIÑO
EXTENSION VALENCIA
ESCUELA DE INGENIERIA INDUSTRIAL
Valencia, Agosto 2015
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
Dentro de las muchas materias que forman la carrera de ingeniería química, están los balances que, sin lugar a duda,
forman la base de los conocimientos de esta técnica. Ellos no son más que, como su nombre los indica, un proceso contable en el que se mide tanto la materia como la energía entrante y saliente, de manera que se balanceen o igualen las entradas con las salidas.
Mediante estas técnicas, los ingenieros químicos, pueden calcular los requerimientos de materiales y energéticos necesarios para la obtención de un producto. Además estas técnicas llegan a dar una idea de la magnitud que deberán tener los equipos y maquinarias con la que deberá producirse ese bien.
MEZCLADO
La operación de mezclado es frecuente en los procesos de ingeniería química, ya que por la regla general en esto se trata más con mezclas que con materiales de sustancias puras.
El mezclado se usa para preparar una combinación uniforme de dos o más sustancias o materiales; las sustancias que se mezclan pueden ser sólidas, liquidas o gaseosas.
La operación de mezclado se utiliza para preparar diluciones, pinturas, alimentos, cerámicas o como medio de aumentar la superficie de contacto entre las fases en otras operaciones como absorción, extracción y secado, entre otros.
EQUIPOS EPLEADOS EN MEZCLADO
Los líquidos se mezclan casi siempre en tanques provistos de agitadores y deflectores.Para mezclar solidos se usan equipos más complicados, que se ajustan a la naturaleza del solido (arena, pastas,
polvo). Estos aparatos sirven también para mezclar líquidos con sólidos, los culés son:
Mezcladores de rodillos Mezcladores de banda Molino de engranes Molino de bola
Los gases se mezclan generalmente por medio de toberas o burbujeadores.
BALANCE DE MASA EN MEZLADO
En general para el mezclado a régimen permanente se tiene que:
Rapidez de entrada de materia = Rapidez de salida de materia
1
2 3
L1
Xi1
L2
Xi2
L3
Xi3
L1 + L2 = L3 y para la sustancia i
L1 Xi1 + L2 X
i2 = L3 X
i3
En régimen transitorio se tendrá que:
Rapidez de
entrada de materia – Rapidez de salida
de materia – rapidez neta de
acumulación de masa = 0
La acumulación podrá ser positiva o negativa según que haya incrementado o decremento de la cantidad de materia acumulada.
BALANCE DEL ENERGIA EN MEZCLADO
LC (Ep+ Ec + EPe + U)C – LA (Ep + Ec + EPe + U)A – LB (Ep + Ec + EPe +U)B = 0
Rapidez de salida de energía en sistema
termodinámico
Rapidez de entrada de energía en el sistema
termodinámico
0
En términos de entalpia:
LC (Ep + Ec + H)C - LA (Ep + EC + H)A – LB (Ep + Ec + H)B = 0
En los procesos donde se mezclan corrientes a temperaturas diferentes, los términos Ep y Ec son, en general, despreciables frente a los términos de entalpia, por lo tanto:
LC HC – LA HA – LB HB = 0
LA HA + LB HB = LC HC
En general:
Dónde:
TO = Temperatura base para computar las entalpias
CpC = CpA xA + CpB xB
CpA = Capacidad calorífica a presión constante del fluido A
Xb = Fracción masa del compuesto B
Si en el proceso hay acumulación:
LC + HC – LA HA – LB HB +
Mezclas de líquidos reales:
En muchos casos, al mezclarse dos líquidos o dos soluciones se desprenden o se adsorbe calor; cuando esto sucede se dice que hay un calor de disolución. El cambio de entalpia que se produce al mezclar dos líquidos a la misma temperatura se denomina calor de disolución.
Calores integrales estándar de disolución:
Se define como el cambio en la entalpia en un sistema cuando un mol de soluto se disuelve en n moles de disolvente manteniendo la temperatura a 25°C y 1 atm de presión.
El valor numérico del calor integral de disolución depende del número de moles de disolvente. Al aumentar la cantidad de disolvente en aumentos iguales, el calor en cada adición disminuye progresivamente, hasta que se obtiene una gran disolución, generalmente de 100 a 20 moles de disolvente por mol de soluto, en la que ya no se perciben efectos de desprendimientos de calor. El calor integral de disolución se acerca un máximo a disolución infinita. Este valor límite se conoce como calor integral de disolución a dilución infinita.
Los calores de disolución se obtienen experimentalmente, por lo general se presentan en forma de gráficas, como la que se muestra en la figura.
La entalpia de una disolución a la temperatura T será:
Ĥ disolución = ẋ1 Ĥ1 + ẋ2 Ĥ2 + ẋ2 Δ Ĥs
Ĥ1 = entalpia del disolvente a T y P
Ĥ2 = entalpia del soluto a T y P
Δ Ĥs =entalpia de disolución por mol de soluto
Capacidades caloríficas de disoluciones a presión constate:
En ciertas disoluciones en las que un sólido inorgánico esta disuelto en agua, los calores específicos de la mezclas se pueden obtener a partir de graficas del tipo siguiente:
Como el cálculo de las entalpias de las disoluciones que presentan calores de mezcla es tedioso, los ingenieros suelen utilizar los diagramas de entalpia a concentración para mezclas binarias, en tales graficas las entalpias por unidad de peso de solución se grafican contra la concentración para una serie de temperaturas a presión constante.
Con el uso de lates diagramas, los cálculos de mezclado son simpes y rápidos, requiriéndose solo el uso adecuado de la regla de la palanca.
Regla de la palanca:
Los problemas de mezclado se pueden resolver por medio de gráficos. Estos gráficos se basan en la utilización de la regla de la palanca.
Si una corriente de concentración zi1 y otra corriente de concentración zi
2 se mezclan, la composición final de la mezcla resultante
cera sobre la línea recta que conecta las composiciones z i1 y zi
2 de tal manera que la relación M1/M2 será igual a la distancia desde
zi2 a zi
3 dividida por la distancia desde zi1 a zi
3 o sea:
1
2 3
M1
Zi1
M2
Zi2
M3
Zi3
Balance total:
M1 + M2 = M3
M1 Zi1 + M2 Z
i2 = (M1 + M2) Z
i3 𝑀1𝑀2 = 𝑍𝑖3− 𝑍𝑖2𝑍𝑖1− 𝑍𝑖3 = 𝑍3 𝑍2𝑍1 𝑍3
Diagramas triangulares:
Las coordenadas triangulares son convenientes para representar la composición de un sistema de tres componentes. En el diagrama triangular los vértices representan componentes puros y los lados mezclas de componentes.
El punto A representa el 100% del componente A, el punto D de acuerdo con la regla de la palanca representa una mezcla binaria de 40% de B y 60% de C.
Si la altura del triángulo se toma como l unidad, la suma de dos distancias perpendiculares desde un punto situado en el interior del triángulo a los lados da igualmente la unidad y esas distancias pueden usarse para representar las concentraciones individuales de los tres componentes.
En el diagrama la distancia de XB representa la concentración de las sustancias B en el punto M.
Todos los puntos de las líneas que unen los vértices con un punto del lado opuesto representan mezclas de una misma relación entre las concentraciones de los componentes situados en los otros dos vértices.
La mezcla cuya composición corresponde a puntos sobre una recta paralela a un lado tiene una concentración constante del componente situado en el vértice opuesto.
Si a L1 Kg de una mezcla situada en el punto K se le añaden L2 Kg de una mezcla situada en el punto N, la nueva mezcla tendrá
una composición dada por R, tal que:
GASES Y MEZCLAS DE GASES
Los gases son de importancia vital en los procesos químicos, ya sean como reactivos, intermediarios o productos. El volumen ocupado por un peso dado de gas varia con la temperatura y la presión así como con la composición del gas al tratar las propiedades de los gases se nota que cada gas difiere de los otros en sus comportamientos cuantitativos aunque hay ciertas relaciones simples que se aplican a los gases en general.
Ecuación general del estado gaseoso:
Los problemas relacionados con gases, cambios de volumen, presión o temperatura, se pueden resolver usando la ecuación general del estado gaseoso:
V1 P1 / T1 = V2 P2 / T2 = constante
Mezclas de gases:
Para las mezclas de gases reales se pueden usar también las gráficas de propiedades correspondientes si se usan, en vez de presiones y temperaturas críticas, las presiones y temperaturas seudocriticas definidas por:
De manera que la presión y las temperaturas seudocriticas son las que se usaran en las gráficas de apéndice V:
P’T = P / P’C T’T = T / T’C
EVAPORACIÓN
En esta operación se necesita dar calor a la disolución para que llegue a su temperatura de ebullición y allí se debe proporcionar el calor suficiente para que se evapore la disolución. Como medio de calentamiento se puede utilizar el vapor de agua, aunque también el contacto directo con gases de combustión.
Cuando se trabaja con disoluciones la temperatura de ebullición se altera debido al soluto disuelto. El aumento en el punto de ebullición se obtiene mediante el uso de graficas de Dühring.
Para efectuar la evaporación a temperatura más baja, y así proporcionar una mejor transferencia de calor entre medio calentante y la disolución, se suele operar al vacío.
Los equipos utilizados en la evaporación se llaman evaporadores. Si los gases calientes pasan directamente sobre la disolución son evaporados de contacto directo.
BALANCES EN UN EVAPORADOR
La mayor parte de las disoluciones no producen mucho calor de disolución; cuando se quiere concentrar esas disoluciones se necesita adicionar, además de calor sensible y el latente, el calor de mezcla. Estas disoluciones tienen además una alta elevación del punto de ebullición.
En aquellos sistemas que tienen un calor de mezcla bajo as entalpias de entrada y salida de las soluciones se pueden calcular a partir de los calores específicos de las disoluciones.
La entalpia del vapor de calentamiento y la del vapor condensado se obtienen a partir de las tablas de entalpia para vapor de agua. La entalpia de los vapores producidos partir de la disolución evaporada se obtienen a partir de las tablas de vapor de agua a la temperatura de ebullición de la disolución. Si se trata de otro líquido, se obtendrá a partir de los Cp. y los calores latentes.
EJERCICIOS:
1. Una corriente se le añade una sustancia de manera que la concentración sea del 4,76% en masa de esa sustancia. La corriente se una a otra y corriente abajo se toma una muestra de las corrientes combinadas, que dan una concentración de 0,62% en peso de la sustancia el flujo de la primera corriente es de 2 litros por minuto, cual será el caudal de la otra corriente.
Nota: tome la densidad relativa igual a 1
1
2 3
L1 = 2 L/ min
Ρ1 = 1,00
X1 = 0,0476
Zi1
L2 =?
X3 = 0,0062
En un problema de mezclado, lo entra en las dos corrientes debe salir en las corrientes de unión.
Balance total:
a ρR = constante L1 + L2 = L3 o L1 + L2 = L3
Balance de sustancias:
L1 x1sus + L2 x2
sus = L3 x3sus
Cálculos:
Balance parcial:
0,0952 kg sustancia / min = L3 (0,00062) kg de sustancia / kg total
L3 = 15,35 total / min
Balance total:
2 kg total / min + L2 = 15,35 kg total / min
L2 = 13,35 kg total / min
Resultado: La otra corriente tiene un gasto de 13,35 kg/min o 13.35 L/min.
2. Un evaporador concentra 20000 kg/h de una disolución al 15 por 100 de NaOH hasta que tenga 52 por 100 de sólidos. La presión manométrica del vapor usado es de 20 lb/ n2.
La presión absoluta en el espacio de vaporización es de 120 mm de Hg.
La temperatura de alimentación es de 20 °C.
Calcule la cantidad de vapor consumido.
1
3
2
L1 = 20000 kg/h
T1 = 20 °C
X1NaOH = 0,15
G3
P3 = 120 mm Hg
L2
X2NaOH = 0,52
Balance de masa:
L1 = G3 + L2
L1 x1NaOH
= L2 x2NaOH
Balance de energía:
G4 (H4 – H5) = G3 H3 + L2 H2 – L1 H1
Cálculos:
Balance de masa:
20000 (0,15) = L2 (0,52) L2 = 5769 kg/h G3 = 14231 kg/h
Temperatura de ebullición de la solución de soda caustica al 52 por 100
Temperatura de ebullición del agua a 120 mm Hg = 55 °C
Temperatura de ebullición de disolución de soda caustica (usando el diagrama de Dühring.
Resultado: Se requerirán 18113 kg/h de vapor a 20 psig (libras por pulgadas cuadrada manométricas).