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División de Ingeniería Química y Bioquímica
Balance de Materia y Energía
Profesor Sergio Esteban Vigueras Carmona
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1.1 Importancia de los cálculos de balance de materia y energía en la solución de
problemas de ingeniería química.
El ingeniero químico está estrechamente relacionado con los procesos , éstos
transforman las materias primas en productos deseados y las formas de energía en otras que
dan mayor veneficio al ser humano, en el Diagrama 1 se describe el papel del ingeniero
químico en los procesos.
Diagrama 1. El papel del Ingeniero Químico en los procesos
En el diseño el ingeniero químico, elije y selecciona las etapas y las condiciones bajo
las cuales se lleva acabo el proceso. Para este trabajo se basa en la información acerca de:
- Las reacciones químicas
- Procesos bioquímicos
- Propiedades de los materiales
- Operación del equipo
Ingeniero Químico
Esta en estrecha
relación con
Procesos
Debe ser capaz
de
Operarlos Desarrollarlos Diseñarlos
Mejorarlos
Al realizar estas
actividades
Transforma fuente de energía Convierte las materias primas
Formas de energía de mejor disposición
Productos
(mayor valor agregado)
En
En
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Los cálculos de balance determinan los flujos, composiciones y temperaturas de las
corrientes de proceso. Contando con información del funcionamiento de los equipos de
proceso y propiedades de las corrientes; basándose en las leyes de conservación de la materia
y energía.
Generalidades de operaciones unitarias y procesos químicos.
Los procesos en ingeniería química se pueden definir como el conjunto de etapas
que implican modificaciones de la composición química o ciertos cambios físicos en el
material que se va a preparar, procesar, separar o purificar. Para lograr dichos cambios de
manera eficiente es necesario conocer que hay detrás de las etapas que conforman el proceso,
es decir, que leyes físicas o químicas gobiernan las transformaciones.
Las operaciones unitarias son etapas físicas individuales, cuyos principios son
independientes del material en proceso y de otras características del sistema particular.
Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia y los cambios de
energía, transferencia y cambios de materiales que se llevan a cabo por medios físicos y/o
fisicoquímicos. Las operaciones unitarias pueden ser clasificadas de la siguiente forma:
- Flujo de fluidos. Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier
fluido de un punto a otro.
- Transferencia de calor. Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan
la acumulación y transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.
- Evaporación. un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporación de
un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro
material en solución.
- Secado. Separación de líquidos volátiles, por lo general agua, de los materiales sólidos.
- Destilación. Separación de los componentes de una mezcla líquida por medio de una
ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.
- Absorción. En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente de gases
por tratamiento con un líquido.
- Extracción líquido-líquido. En este caso, el soluto de una solución líquida se separa
poniéndole en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la
solución.
- Lixiviación líquido-sólido. Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con
un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.
- Cristalización. Se refiere a la extracción de un soluto, tal como la sal, de una solución
por medio de la precipitación de dicho soluto.
- Separación mecánico-físicas. Implican las separaciones de sólidos, líquidos o gases por
medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que, por lo
general, se clasifican como operaciones unitarias individuales.
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de flujo, la dirección de la flecha indica también la del flujo y están debidamente
identificadas por números
En la Figura 1 se representan los dos tipos de diagramas. Para conocer los distintos
símbolos utilizados para representar los diferentes equipos consulte: Ulrich, D. G.(1986),
Procesos de Ingeniería Química , Ed. Interamericana, México.
Figura 1. Representación de diagramas de bloques y de flujo, no se incluye información
adicional
Para construir los dos tipos de diagramas debemos conocer perfectamente el
proceso, las condiciones (temperatura, presión, composición, etc) bajos las cuales se debe
llevar, las operaciones unitarias (mezclado, evaporación, sedimentación, destilación, etc) los
tipos de materiales a procesarse y las secuencias de las etapas, así como las reacciones que
suceden, si las hay. A continuación, describimos brevemente los pasos a seguir para
construir un diagrama de bloques o de flujo.
- Identificar perfectamente todas las operaciones unitarias del proceso.
- Establecer la secuencia de las etapas, es decir, distribuirlas en el orden que se
llevan a cabo.
Mezclador
Sedimentador
Evaporador
Diagrama de flujo Diagrama de bloques
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- Asignar a las corrientes de procesos los valores de las propiedades que se
conozcan, por ejemplo, T = 25 °C, Flujo = 100 Kg/min, X H2O
Ejemplo. 1. Dibuje un diagrama de bloques para el siguiente proceso: Se alimentan 100
libras masa por minuto de una mezcla que contiene 60% de aceite y 40% de agua en masa
a un sedimentador que opera a régimen permanente. Del sedimentador salen dos corrientes
de producto: la superior contiene aceite puro, mientras que la inferior contiene 90% agua en
masa. La mezcla se logró en un mezclador de flujo continuo, alimentándolo con dos
corrientes una de aceite y la otra con agua las dos en condiciones de pureza.
Solución.
- Las operaciones unitarias involucradas son de mezclado y sedimentación.
- La secuencia indica que primero se encuentra el mezclador y éste alimenta al
sedimentador.
- Las corrientes asociadas al mezclador son 3, una que transporta el agua, otra el
aceite y la última alimenta la mezcla al sedimentador. Las tres corrientes asociadas al
sedimentador tienen las siguientes características la de alimentación tiene una mezcla de
60% aceite y 40 % agua, porcentajes en masa, la corriente superior aceite puro y la inferior
una mezcla 90% aceite y el resto agua, Figura 2.
Figura 2. Diagrama de bloques del proceso descrito en el ejemplo 1
Ejemplo 2. Dibuje un diagrama de flujo para el siguiente proceso: La alimentación a un
sistema fraccionado de dos columnas es de 330 000 1bm/h de una mezcla que contiene
50% de benceno (B), 3 0 % de tolueno (T) y 20% de xileno (X). La alimentación se
introduce en la columna I y resulta en un destilado con 95% de benceno, 3% de tolueno y
2% de xileno. Los fondos de la columna I se alimentan a la segunda columna, de la cual
Mezclador Sedimentador
Agua
aceite
Agua 40%
Aceite 60%
aceite
aceite 10%
agua 90%
100 lbm/min
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Figura 3. Diagrama de flujo del proceso descrito en el ejemplo 2.
Tipos de balances.
Realizar un balance es determinar los flujos, composiciones, presión, fases y
temperaturas de las corrientes de proceso.
Los tipos de balances que se pueden hacer sobre los procesos se clasifican en
diferenciales e integrales.
Los diferenciales :
- Indican lo que sucede en un sistema en un instante dado.
- La ecuación de balance resulta una velocidad.
- Se aplica generalmente a procesos continuos.
Los integrales
- Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo
- La ecuación representa cantidades.
- Se aplica generalmente a procesos intermitentes.
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I II
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Ejercicios de los temas 1.1. y 1.
I. Clasificar los siguientes procesos como intermitentes o continuos y en régimen
permanente o transitorio.
I. 1. Se llena un tanque con metano a un ritmo constante de 20 L/min.
I. 2. Entra agua a temperatura ambiente (20 °C) a un tanque de dos litros con un flujo de 200
g/min y se elimina a la misma velocidad, saliendo con una temperatura de 40°C.
I. 3. Entra agua a temperatura ambiente (20 °C) a un tanque con un flujo de 20 gal/min y se
elimina a la misma velocidad, saliendo inicialmente con una temperatura de 40 °C
aumentando ésta 0.5°C cada 2 horas.
I. 4. Se llena un reactor con bagazo de caña como soporte y los nutrientes necesarios para
producir penicilina a partir de Penicillium sp.
I. 5. Se prepara una mezcla de harinas (harina de arroz, maíz, soya y trigo) para producir 50
toneladas de un cereal.
II. Dibuje el diagrama de bloque para los siguientes procesos.
II. 1. Se desea separar una mezcla que contiene 50% de hexano y el resto pentano. Esta
mezcla entra al destilador, la corriente de la parte superior del destilador contiene 95%
pentano y la del fondo 96% hexano, la corriente superior llega a un condensador, una parte
de la corriente condensada se retorna al destilador como reflujo eliminándose el resto como
producto.
II. 2. A un proceso de producción de metano a partir de gas de síntesis y vapor de agua,
alimentan 6 kgmol/min de un gas que contiene 50% de H 2
, 33.3% de monóxido de carbono
y el resto metano (todos en base molar), así como 72 kg/min de vapor de agua. Los productos
son 3 kgmol/min de agua líquida y 96 kg/min de un gas que contiene 25% de metano, 25%
de bióxido de carbono y el resto H 2
(todos en base molar).
III. Dibuje el diagrama de flujo para los siguientes procesos.
III. 1. En una columna de destilación se separa una mezcla equimolar de etanol, propanol y
butanol, en una corriente de destilado que contiene 66.66 % de etanol y nada de butanol, y
una corriente de fondos que no contiene etanol. La alimentación es de 1000 mol/h.
III. 2. Se utiliza un sistema de purificación con recirculación, para recuperar al solvente DMF
de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF en aire. El producto deberá tener
únicamente 100% de DMF y la purga 10% de DMF.
