Balances de materia - Preguntas para análisis

Los marcadores isotópicos en los compuestos sirven para identificar el origen de contaminantes ambientales, investigar fugas en tanques y duetos subterraneos y seguir la pista al petróleo y otros productos líquidos que han sido robados. Se usan marcadores tanto radiactivos como isotópicos. Es común usar deuterio como marcador de compuestos orgánicos reemplazando tres o más átomos de hidrógeno de la molécula en un reactor que contiene agua pesada. También es posible usar isótopos de carbono o de oxígeno. El límite de detección de los trazadores empleando una combinación de cromatografía de gases y espectrometría de masas es de alrededor de 100 ppb en petróleo crudo y de unas 20 ppb en productos refinados. Explique cómo se usarían semejantes marcadores en los procesos químicos.

Gases ideales: fracción molar, presión parcial y ley de Dalton (con ejercicios)

1) Recordatorio: gas ideal

En muchas aplicaciones, una mezcla gaseosa se aproxima como ideal, y cumple:

$$PV=nRT$$

Donde:

• $P$: presión

• $V$: volumen

• $n$: moles totales

• $R$: constante

• $T$: temperatura absoluta (K)

2) Fracción molar

$$y_i=\frac{n_i}{n_{total}} \quad \text{y}\quad \sum y_i=1$$

3) Ley de Dalton (presiones parciales)

$$P_i = y_i P_{total}$$

 

4) Ejemplo resuelto

Una mezcla contiene:

• 2 kmol de N₂

• 1 kmol de O₂

• 1 kmol de CO₂

La presión total es 8 atm.
Calcular las presiones parciales.

Paso 1: moles totales

nT​=2+1+1=4 kmol 

Paso 2: fracciones molares

yN2​=2/4=0.5 $$$$
$$$$$$$$

Paso 3: presiones parciales

PN2​=0.5(8)=4 atm $$$$
$$$$

✅ Resultado final: 4 atm, 2 atm, 2 atm

 

5) Ejercicios propuestos

1. Si $P_T=10$ atm y $y_{A}=0.12$, hallar $P_A$.

2. Una mezcla tiene 3 mol A, 2 mol B, 5 mol C. Calcular $y_i$.

3. Si $P_A=1.5$ atm y $P_T=6$ atm, hallar $y_A$.

4. ¿Por qué se usa fracción molar en gases más que % masa?

Balance de materia: método general aplicado a procesos sin reacción (ejemplo resuelto)

 

1. Introducción al balance de materia

El balance de materia es una de las herramientas fundamentales en la ingeniería química. Se utiliza para cuantificar la masa que entra, sale, se acumula o se transforma dentro de un sistema físico o químico.

Se aplica en:

• Mezcladores

• Separadores

• Tanques

• Columnas

• Reactores (con o sin reacción)

La ecuación general es:

$$\text{Entradas} - \text{Salidas} + \text{Generación} - \text{Consumo} = \text{Acumulación}$$

En procesos sin reacción química, los términos de generación y consumo son cero.

2. Procedimiento general recomendado

Para evitar errores, se recomienda seguir siempre este orden:

1. Definir claramente el sistema

2. Dibujar un diagrama de flujo

3. Elegir una base de cálculo

4. Unificar unidades

5. Aplicar balance total

6. Aplicar balances por componente

7. Verificar resultados

3. Ejemplo resuelto

Un separador recibe 1000 kg/h de una mezcla que contiene 25% en masa de A y 75% de B.

El equipo entrega:

• Corriente 1 con 40% de A

• Corriente 2 con 10% de A

Determinar los caudales másicos de salida.

Datos

Entrada:

• Flujo total: 1000 kg/h

• Masa de A: 250 kg/h

Salidas:

• $S_1$ con 40% A

• $S_2$ con 10% A

Balance total

$$S_1 + S_2 = 1000$$

Balance del componente A

$$0.40S_1 + 0.10S_2 = 250$$

Sustituyendo $S_2 = 1000 - S_1$:

$$0.40S_1 + 0.10(1000 - S_1) = 250$$ $$0.30S_1 = 150 \Rightarrow S_1 = 500\ \text{kg/h}$$ $$S_2 = 500\ \text{kg/h}$$

$$\text{4. Resultados finales Corriente 1: 500 kg/h Corriente 2: 500 kg/h ✔ El balance se cumple correctamente.5. Ejercicios propuestos Resolver el mismo problema si la alimentación es 1200 kg/h. ¿Qué ocurre si el sistema no está en estado estacionario? ¿Por qué es importante verificar el balance total?}$$

Balances de materia - Problemas conceptuales

 Ciertos procesos críticos requieren un flujo de fluido mínimo para un funcionamiento seguro durante el paro de emergencia de una planta. Por ejemplo, durante el funcionamiento normal de un proceso, el cloro se retira sin peligro de la unidad de procesamiento junto con los líquidos que fluyen, pero durante un paro de emergencia el cloro se acumula en la unidad y en las cabeceras de sus tuberías. Por ello, se requiere una velocidad de flujo mínima para eliminar el cloro. 

Si la unidad y las tuberías se consideran como un sistema, ¿cómo puede mantenerse la velocidad de flujo mínima para un funcionamiento seguro si la planta de energía eléctrica y el controlador fallan?

Balances de materia - Problemas conceptuales

Examine la figura PC3. l-l. En 1) se coloca un trozo de papel dentro de la campana. En 2) prendemos el papel. En 3) sólo quedan cenizas. Si todo ha sido pesado (la campana, el plato y las sustancias) en cada caso, observamos que:

a) El caso 1 tiene el mayor peso

b) El caso 2 tiene el mayor peso

c) El caso 3 tiene el mayor peso

d) Ninguno de los anteriores

Seleccione su respuesta y explíquela. 

Balances de materia - Prueba de autoevaluación 5

5. ¿Qué es un proceso en estado estacionario?

6 . ¿Concuerdan las entradas y salidas de las sustancias químicas en la figura 3.5? ¿Por qué no?

7 . Defina un balance de materia y un balance de masa.

Los 20 Mejores Libros de Ingeniería Química

1.  "Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics" de J.M. Smith, H.C. Van Ness, y M.M. Abbott.
2. "Transport Processes and Separation Process Principles" de Christie John Geankoplis.
3. "Chemical Process Safety: Fundamentals with Applications" de Daniel A. Crowl y Joseph F. Louvar.
4. "Unit Operations of Chemical Engineering" de Warren L. McCabe, Julian C. Smith, y Peter Harriott.
5. "Chemical Reaction Engineering" de Octave Levenspiel.
6. "Perry's Chemical Engineers' Handbook" de Robert H. Perry, Don W. Green, y James O. Maloney.
7. "Introduction to Process Engineering and Design" de Thakore, Bhatt, and Dr. Bhatt.
8. "Principles of Chemical Engineering Processes: Material and Energy Balances" de Nayef Ghasem y Redhouane Henda.
9. "Mass Transfer Operations" de Robert Ewald Treybal.
10. "Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design" de Gavin P. Towler y R.K. Sinnott.
11. "Chemical Process Equipment: Selection and Design" de Stanley M. Walas.
12. "Fluid Mechanics for Chemical Engineers" de Noel de Nevers.
13. "Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice" de George Stephanopoulos.
14. "Chemical Process Analysis: Mass and Energy Balances" de L.K. Doraiswamy y D.A. Katz.
15. "Chemical Engineering Kinetics" de J.M. Smith, H.C. Van Ness, y M.M. Abbott.
16. "Chemical Engineering Design" de R.K. Sinnott.
17. "Chemical Process Engineering: Design and Economics" de Harry Silla.
18. "Biochemical Engineering Fundamentals" de Bailey y Ollis.
19. "Process Dynamics and Control" de Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar, y Duncan A. Mellichamp.
20. "Chemical Engineering Thermodynamics" de J.B. Smith, H.C. Van Ness, y M.M. Abbo