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.

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.

Balances de materia - Prueba de autoevaluación 4

 Clasifique los siguientes procesos como 1) por lotes, 2) continuos, 3) ninguno de los dos o 4) ambos, con una escala de tiempo de un día:

a) Tanque de almacenamiento de petróleo en una refinería

b) Tanque de agua de un inodoro

c) Convertidor catalítico de un automóvil

d) Horno de gas doméstico

¿Qué es el balance de materia?

 El balance de materia es un concepto que se refiere a la cantidad de materia presente en un sistema. En un sistema cerrado, es decir, un sistema que no intercambia materia con el exterior, el balance de materia se mantiene constante. Esto significa que la cantidad total de materia en el sistema no cambia con el tiempo.

El balance de materia también se puede aplicar a sistemas abiertos, es decir, sistemas que intercambian materia con el exterior. En este caso, el balance de materia se mantiene constante siempre y cuando la cantidad de materia que entra al sistema sea igual a la cantidad de materia que sale del sistema.

El balance de materia es un concepto importante en la química, la ingeniería y otras disciplinas científicas, ya que permite entender cómo la materia se mueve y cambia dentro de un sistema. También es útil para predecir cómo los procesos químicos y físicos afectarán la cantidad de materia presente en un sistema.

Ejemplos de balance de materia

Algunos ejemplos de balance de materia son:

    En una reacción química, el balance de materia se mantiene constante si la cantidad de materia de cada reactivo es igual a la cantidad de materia de cada producto. Por ejemplo, en la reacción química:

2 H2 + O2 -> 2 H2O

el balance de materia se mantiene constante, ya que la cantidad de materia de hidrógeno y oxígeno es igual a la cantidad de materia de agua.

1.     En una planta de tratamiento de agua, el balance de materia se mantiene constante si la cantidad de materia que entra al sistema (agua suciamiento) es igual a la cantidad de materia que sale del sistema (agua limpia).
2.     En una fábrica de productos químicos, el balance de materia se mantiene constante si la cantidad de materia de cada reactivo que entra al sistema es igual a la cantidad de materia de cada producto que sale del sistema.
3.     En una planta de energía, el balance de materia se mantiene constante si la cantidad de materia de la combustible que entra al sistema es igual a la cantidad de materia de los productos de la combustión (como dióxido de carbono y vapor de agua) que salen del sistema.

Espero que estos ejemplos te ayuden a entender mejor el concepto de balance de materia.

Balances de materia - Prueba de autoevaluación 3

 Escriba con palabras el balance de materia general. Simplifiquelo para cada proceso del problema 1, indicando las suposiciones hechas en cada simplificación.

Balances de materia - Prueba de autoevaluación 2

Rotule los materiales que entran en los sistemas del problema 1 y salen de ellos. Designe el intervalo de tiempo de referencia y clasifique cada uno de los sistemas como abierto o cerrado.

Balances de materia - Prueba de autoevaluación 1

 Haga un dibujo de los siguientes procesos y trace una línea punteada alrededor del sistema:

a) Tetera

b) Chimenea

c) Piscina

Idea Clave derivación y purgado

1. El balance de materia general, ecuación (3.1), se aplica a procesos en los que interviene reciclaje, purgado y derivación, lo mismo que a los demás procesos.
2. El aspecto nuevo clave de los balances de materia con reciclaje en un proceso en el que ocurre una reacción es que la especificación de la fracción de conversión de un reactivo es el dato adicional que sirve para determinar el término de consumo de la ecuación (3.1)
3. El purgado sirve para mantener la concetración de un componente menor de un flujo de proceso por debajo de cierto valor determinado, de modo que no se acumule en el proceso.

Retrospectiva derivación y purgado

De los ejemplos presentados en esta sección el lector deberá concluir que los problemas que implican reciclaje, purgado y derivación no son distintos, desde el punto de vista de su análisis, de los demás problemas que resolvimos en las secciones anteriores del punto capítulo. El único factor diferente que presentamos en la sección 3.6-2 es que el reciclaje en un reactor por lo regular implica información acerca de la conversión fraccional de un reactivo, y por ende la forma completa del balance de materia. Es preciso usar la ecuación (3.1) junto con los balances de los elementos o en lugar de ellos.

Derivación y purgado (III)

Hasta ahora hemos visto balances de materia con un orden de complejidad bajo. Si tratamos de visualizar todos los cálculos que podrían requerirse en una planta incluso de tamaño regular, como la ilustrara en la figura 3.5, la resolución por pasos o smiultánea de los balances de materia para cada fase de la planta completa podría parecer una tarea abrumadora. Sin embargo, esta tarea puede facilitarse bastante empleando códigos  de computadora como se explicó en la sección 2.2. Tenga presente  que una planta puede describirse por medio de una variada cantidad de baalances de materia individuales interrelacionados, cada uno de los cuales, por tedioso que resulte de establecer y resolver, podrá plantearse de acuerdo con los principios y técnicas que estudiamos en este capítulo. En los casos reales siempre surge el problema de recabar suficiente información y de evaluar su exactitud, y para esto es necesario conocer detalladamente un proceso específico y no resulta un tema apropiado para tratarse aquí. Sólo podemos comentar que algunos de los problemas que el lector enfrentará incluyen datos tan conflictivos o tan pocos datos útiles que la capacidad para percibir que clase de datos se necesitan es el atribudo más importante  que el ingeniero puede aportar a su resolución.

Solución Purgado

Pasos 1,2,3 y 4 Ya se colocó toda la información conocida en el diagrama. El proceso está en estado estacionario con reacción. Los flujos de purgado y reciclaje tienen la misma composición (lo implica el separador de la figura). La fracción molar de los componentes  en el flujo de purgado se designo con x, y y z para H2, CO y CH4, respectivamente.

Paso 5, Escogemos una base de cálculo conveniente:

F = 100 moles

Paso 6, Las variables cuyos valores desconocemos son x, y, z, E, P y R. Ignoraremos el flujo entre el reactor y el separador porque no se nos hacen preguntas al respecto.

Paso 7, Como el problema  se plantea en términos de moles, no nos conviene realizar un balance de masa global. En vez de ello, usaremos balances elementales. Podemos hacer tres balances elementales independientes para el proceso global, los de H, C y O. Tendremos un balance adicional realizando un balance molar de CO en el reactor más el separador.

Cómo podemos obtener un quinto y un sexto balance para que el sistema de ecuaciones quede determinado? Un dato del enunciado del problema que no hemos usado es la información acerca del límite superior de la concentración de CH4 en el flujo de purgado. Este límite puede expresarse como z ≤ 0.032. Supongamos que el flujo de purgado contiene el máximo de CH4 permitido y escribamos

z = 0.032

Ejemplo Purgado

SE ha despertado un interés considerable en la conversión de carbón en productos líquidos más útiles para la subsecuente producción de compuestos químicos. Dos de los principales gases que podemos generar en condiciones apropiadas a partir de la combustión de carbón in situ en presencia de vapor de agua (como sucede en presencia de aguas freáticas) son H2 y CO. Después de lavarlos, estos dos gases se pueden combinar para producir metanol de acuerdo con la siguiente ecuación:

CO + 2H2 → CH3OH

La figura E3.23 ilustra un proceso en estado estacionario. Todas las composiciones están en fracciones o porcentajes molares. Los flujos están en moles

Solución Cálculos de derivación

Si examina el diagrama de flujo verá que parte de la gasolina libre de butano pasa por alto la torre de isopentano y procede a la siguiente etapa en la planta de gasolina natural. Se conocen todas las composiciones (los flujos son líquidos). Qué clases de balances podemos escribir para este proceso? Podemos escribir lo siguiente:

Base de cálculo: 100kg de alimentación

a) Balances globales (cada flujo se designa con la letra F, S o P y las unidades son kg)

Cálculos de derivación

En el área de preparación de la alimentación a una planta que fabrica gasolina, se elimina isoptentano de una gasolina libre de butano. Supongamos, para amplificar, que el proceso  y los componentes son como se muestra en la figura E3.22 Qué fracción de la gasolina libre de butano se pasa por la torre de isopentano? No se detallarán los pasos en el análisis y la resolución de este problema. El proceso está en estado estacionario y no ocurre reacción.

Derivación y purgado (II)

En la etapa final, para la cuarta reacción, el flujo de gas de síntesis es una mezcla de aproximadamente 3:1 de hidrógeno y nitrógeno, siendo el resto 0.9% de metano y 0.3% de argón.

La presión del gas se eleva por pasos mediante compresoras desde la atmosférica hasta cerca de 3000 psi, que es la presión necesaria para favorecer el equilibrio de la síntesis. Una vez presurizado y mezclado con gas de reciclaje, el flujo ingresa en el reactor catalítico, donde se forma amoniaco a 400-500°C. El NH3 se recupera en estado líquido mediante refrigeración, y el gas de síntesis que no reaccionó se recicla.

En el paso de síntesis, una parte de la corriente de gas debe purgarse para evitar la acumulación de argón y metano. Sin embargo, el purgado significa una pérdida significativa de hidrógeno que podría usarse para fabricar amoniaco, y los diseñadores del proceso procuran minimizar esta pérdida.

Entiende el lector por qué el proceso de reciclaje sin una corriente de purgado haría que se acumulara una impureza a pesar de que la tasa de reciclaje es constante? La tasa de purgado se ajusta de modo que la cantidad de material purgado permanezca por debajo de un nivel específico aceptable desde el punto de vista económico, a fin de que.

Los cálculos para los flujos de derivación y purgado no implican principios o técnicas nuevos diferentes de los que ya presentamos. Dos ejemplos dejarán en claro esto.

Derivación y purgado (I)

En la figura 3.15 se muestran dos tipos de flujos de proceso adicionales que se emplean con frecuencia.

1. Una derivación es un flujo que pasa por alto una o más etapas del proceso y llega directamente a otra etapa posterior (Fig. 3.15a)
2. Una purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias  inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de reciclaje (Fig. 3.15b)

Se puede usar un flujo de derivación para controlar la composición de un flujo de salida final de una unidad al mezclar el flujo de derivación  con el flujo de salida de la unidad en proporciones adecuadas para obtener la composición final deseada.

Como ejemplo del uso de un flujo de purgado, consideremos la producción de NH3. La reformación con vapor, con alimentación de gas natural, LPG o nafta, es el proceso que goza de más amplia aceptación para la fabricación de amoniaco. La ruta incluye cuatro pasos químicos principales.

Solución Reciclaje con reacción 2 (II)

Balance Global

De entre los balances globales, sólo el balance total nos sirve directamente de momento, porque los balances de S y de I implican los términos de generación y de consumo de la ecuación (3.1).

Total : P = 100 lb

A continuación realizamos balances sobre el punto de mezcla (donde F y R se unen).

Las unidades son lb