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Páginas: 18 (4473 palabras)
Publicado: 8 de abril de 2015
Tema 3:
BALANCES DE MATERIA EN
RÉGIMEN ESTACIONARIO
Introducción a la Ingeniería Química
3º curso Grado IQ
Curso 2012-13
Tema 3. Objetivos de aprendizaje
Caracterizar las corrientes según flujo y composición:
revisión de las diferentes formas de expresar los flujos y las
composiciones.
Revisar las expresiones del balance de materia en régimen
estacionario. Resolver algunos ejemplos deaplicación de
balances individuales y totales en sistemas sin y con reacción
química.
Sistemas con una unidad de separación. Resolución directa
y con un análisis de grados de libertad.
Resolver ejercicios que incluyan algunas operaciones
habituales de separación para producir cambios en las
corrientes (destilación, absorción, etc.). Incluir los conceptos
de mezcla de corrientes y de divisiónde flujo.
Tema 3. Objetivos de aprendizaje
Estrategias para la resolución de sistemas con varias
unidades de separación interconectadas. Análisis de grados
de libertad. Resolver ejemplos de sistemas con recirculación,
purga y bypass.
Revisar algunos conceptos básicos de reacción química,
como estequiometria, reactivo limitante, conversión fraccional,
selectividad, rendimiento, constantede equilibrio y conversión
de equilibrio.
Hacer un análisis de grados de libertad en sistemas
reactivos. Hacer ejercicios con reacciones químicas simples y
múltiples.
Resolver problemas de sistemas con varias unidades de
separación y de reacción.
Obtener las ecuaciones de diseño de los reactores de uso
más frecuente en la industria.
Expresiones del balance de materia en régimenestacionario
Balance de materia: Expresión matemática del principio de conservación
de la materia. Constituye el inventario de un compuesto o de una corriente
determinada en un proceso.
La expresión más general es:
ENTRADA = SALIDA + ACUMULACIÓN + DESAPARICIÓN – GENERACIÓN
dM
& ENT − m
& SAL + r&GEN − r&CON
=m
dt
En sistemas de flujo, cada término tiene unidades de velocidad [masa/tiempo]Simplificaciones:
1. Proceso estacionario: [ACUMULACIÓN] = 0 ; dM/dt = 0 → M = cte
2. Proceso batch:
& ENT = m
& SAL = 0
m
→
dM
= r&GEN − r&CON
dt
Expresiones del balance de materia en régimen estacionario
Simplificaciones:
3. Proceso continuo en estado estacionario sin reacción química:
r&GEN = r&CON = 0
& ENT = m
& SAL
m
[ENTRADA]=[SALIDA]
4. Proceso continuo en estado estacionario con reacciónquímica:
a. Para balances parciales
[GENERACIÓN] ≠ 0 ; [DESAPARICIÓN] ≠ 0
b. Para balances totales
r&GEN = r&CON = 0
& ENT = m
& SAL
m
[=] kg/s
[≠] mol/s
RESUMEN BM CON REACCIÓN QUÍMICA
Balance a la masa total: La masa total, como la energía, se
conserva.
Balance a reactivos: La masa de cada componente (moles) no
se conserva y hay que mantener r&GEN y/o r&CON si hay reacción.
Análisis degrados de libertad
Un análisis de grados de libertad es una herramienta útil para resolver BM que
nos permite a) determinar si un problema concreto es resoluble (es decir, si la
información disponible es suficiente) b) en caso positivo, por dónde comenzar la
resolución (es decir, en qué orden resolver las ecuaciones)
Para BM basados en los componentes moleculares, en sistemas sin reacción
química:Nº de grados de
= Nº de incógnitas - Nº de ecuaciones - Nº de otras ecuaciones que
independientes
relacionan las variables
libertad (DFA)
Para BM basados en los componentes moleculares, en sistemas con reacción
química:
DFA = Nº de incógnitas + Nº de reac. químicas - Nº de ecuaciones - Nº de otras ec.
independientes
independientes
de relación
Análisis de grados de libertad
NÚMERO DEINCÓGNITAS
Número de variables desconocidas del problema.
NÚMERO DE ECUACIONES INDEPENDIENTES
Sin reacción: Máximo Nº ecuaciones independientes= Nº de especies
(compuestos químicos) en el proceso (los splitter son una excepción).
Con reacción: Nº ecuaciones = Nº de especies – Nº de reacciones
químicas independientes entre las especies.
OTRAS ECUACIONES QUE RELACIONAN LAS VARIABLES...
BALANCES DE MATERIA EN
RÉGIMEN ESTACIONARIO
Introducción a la Ingeniería Química
3º curso Grado IQ
Curso 2012-13
Tema 3. Objetivos de aprendizaje
Caracterizar las corrientes según flujo y composición:
revisión de las diferentes formas de expresar los flujos y las
composiciones.
Revisar las expresiones del balance de materia en régimen
estacionario. Resolver algunos ejemplos deaplicación de
balances individuales y totales en sistemas sin y con reacción
química.
Sistemas con una unidad de separación. Resolución directa
y con un análisis de grados de libertad.
Resolver ejercicios que incluyan algunas operaciones
habituales de separación para producir cambios en las
corrientes (destilación, absorción, etc.). Incluir los conceptos
de mezcla de corrientes y de divisiónde flujo.
Tema 3. Objetivos de aprendizaje
Estrategias para la resolución de sistemas con varias
unidades de separación interconectadas. Análisis de grados
de libertad. Resolver ejemplos de sistemas con recirculación,
purga y bypass.
Revisar algunos conceptos básicos de reacción química,
como estequiometria, reactivo limitante, conversión fraccional,
selectividad, rendimiento, constantede equilibrio y conversión
de equilibrio.
Hacer un análisis de grados de libertad en sistemas
reactivos. Hacer ejercicios con reacciones químicas simples y
múltiples.
Resolver problemas de sistemas con varias unidades de
separación y de reacción.
Obtener las ecuaciones de diseño de los reactores de uso
más frecuente en la industria.
Expresiones del balance de materia en régimenestacionario
Balance de materia: Expresión matemática del principio de conservación
de la materia. Constituye el inventario de un compuesto o de una corriente
determinada en un proceso.
La expresión más general es:
ENTRADA = SALIDA + ACUMULACIÓN + DESAPARICIÓN – GENERACIÓN
dM
& ENT − m
& SAL + r&GEN − r&CON
=m
dt
En sistemas de flujo, cada término tiene unidades de velocidad [masa/tiempo]Simplificaciones:
1. Proceso estacionario: [ACUMULACIÓN] = 0 ; dM/dt = 0 → M = cte
2. Proceso batch:
& ENT = m
& SAL = 0
m
→
dM
= r&GEN − r&CON
dt
Expresiones del balance de materia en régimen estacionario
Simplificaciones:
3. Proceso continuo en estado estacionario sin reacción química:
r&GEN = r&CON = 0
& ENT = m
& SAL
m
[ENTRADA]=[SALIDA]
4. Proceso continuo en estado estacionario con reacciónquímica:
a. Para balances parciales
[GENERACIÓN] ≠ 0 ; [DESAPARICIÓN] ≠ 0
b. Para balances totales
r&GEN = r&CON = 0
& ENT = m
& SAL
m
[=] kg/s
[≠] mol/s
RESUMEN BM CON REACCIÓN QUÍMICA
Balance a la masa total: La masa total, como la energía, se
conserva.
Balance a reactivos: La masa de cada componente (moles) no
se conserva y hay que mantener r&GEN y/o r&CON si hay reacción.
Análisis degrados de libertad
Un análisis de grados de libertad es una herramienta útil para resolver BM que
nos permite a) determinar si un problema concreto es resoluble (es decir, si la
información disponible es suficiente) b) en caso positivo, por dónde comenzar la
resolución (es decir, en qué orden resolver las ecuaciones)
Para BM basados en los componentes moleculares, en sistemas sin reacción
química:Nº de grados de
= Nº de incógnitas - Nº de ecuaciones - Nº de otras ecuaciones que
independientes
relacionan las variables
libertad (DFA)
Para BM basados en los componentes moleculares, en sistemas con reacción
química:
DFA = Nº de incógnitas + Nº de reac. químicas - Nº de ecuaciones - Nº de otras ec.
independientes
independientes
de relación
Análisis de grados de libertad
NÚMERO DEINCÓGNITAS
Número de variables desconocidas del problema.
NÚMERO DE ECUACIONES INDEPENDIENTES
Sin reacción: Máximo Nº ecuaciones independientes= Nº de especies
(compuestos químicos) en el proceso (los splitter son una excepción).
Con reacción: Nº ecuaciones = Nº de especies – Nº de reacciones
químicas independientes entre las especies.
OTRAS ECUACIONES QUE RELACIONAN LAS VARIABLES...
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