Tema 2.1. BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA Aplicación a Operaciones de Separación de Procesos Químico-

Industriales en régimen estacionario

ECUACION GENERAL DE CONSERVACIÓN DE LAS PROPIEDADES EXTENSIVAS Las propiedades extensivas, que son las asociadas a la masa (materia, energía y cantidad de movimiento), no se crean ni se destruyen; es decir, permanecen constantes, se conservan. Estas propiedades son consustanciales en los procesos químico-industriales ya que implican flujos de masa por las unidades del proceso. Dada la similitud o analogía entre las tres propiedades extensivas, quedan representadas por la “Ecuación General de Conservación de las Propiedades Extensivas”. Sin embargo, a efectos prácticos, se particulariza para cada una de ellas, dando lugar a: - Ecuación de conservación de la materia (Balance de Materia) - Ecuación de conservación de la energía (Balance de Energía) - Ecuación de conservación de la cantidad de movimiento

ECUACION DE CONSERVACIÓN DE MATERIA EN PROCESOS QUÍMICO-INDUSTRIALES

La aplicación de la ecuación de conservación de materia a procesos químico-industriales por el que circula corrientes de materia (sistemas abiertos) que pueden experimentar cambios físicos y/o químicos, se expresa mediante el balance total y los balances parciales para cada componente que interviene en el proceso

◘ Balance Total

velocidad de flujo velocidad de flujo velocidad de flujomásico total de entrada másico total de salida másico acumulado

◘ Balances parciales (para cada componente i)

En los balances parciales se tiene en cuenta si el componente i experimenta cambio físico o está implicado en reacciones químicas.

velocidad flujo másicodel velocidad flujo másicodelcomponente i a la entrada componente i a la salida

velocidad flujo másico develocidad flujo másicodel

formación odesaparicióncomponent

delcomponente i

e i acumulado

Estas ecuaciones son genéricas y, por consiguiente, válidas para operaciones en régimen permanente o estacionario como para régimen no estacionario.

Por aplicación de balances de materia es posible calcular flujos y composiciones de las corrientes en distintos puntos del proceso químico, a partir de otros datos conocidos.

BALANCE DE MATERIA PARA PROCESOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO

La mayoría de los procesos químicos operan en continuo y en régimen estacionario, en cuyas condiciones “no se produce acumulación de materia” en el sistema y este término se anula.

Balance de Materia para Procesos en Régimen Estacionario “Con Reacción Química”

◘ Balance Total

velocidad de flujo velocidad de flujo

másico de entrada másico de salida

◘ Balances parciales (para cada componente i)

velocidad flujo másico develocidad flujo másico velocidad flujo másico

formación o desaparicióncomponente i a la entrada componente i a la salida

delcomponente i

El término de desaparición de los reactivo y formación de los productos se calcula aplicando la estequiometria de las reacciones (proporciones con que intervienen en las reacciones).

Balance de Materia para Procesos en Régimen Estacionario “Sin Reacción Química”

Cuando no tiene lugar reacción química en el sistema sobre el que se ejecuta el balance de materia, el término de formación de productos y desaparición de reactivos se anula.

◘ Balance Total

velocidad de flujo velocidad de flujomásico de entrada másico de salida

◘ Balances parciales (para cada componente i)

velocidad flujo másicodel velocidad flujo másicodelcomponente i a la entrada componente i a la salida

PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA (PROCESOS SIN DERIVACIÓN. RECIRCULACIÓN NI PURGA)

En una operación unitaria de ósmosis inversa se tratan 4000 KgIh de disolución salina con 4% de sales. La salida está formada por una corriente de 1200 KgIh de agua desalinizada con 0,3% de sales y otra corriente de salmuera de rechazo . Hallar

a) Flujo másico de salmuera de rechazo b) Composición de la salmuera de rechazo

Una corriente que contiene dos componentes A Y B es tratada en una o~eració~ básica por destilación para separar la mayor parte del componente A. La salIda esta fOlmada por dos conientes (destilado y producto de fondo) . Completar el balance a partir del diagrama de flujo que se muestra

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- Una corriente de 15000 kg / h de composición 90% cristales de sal inorgánica , 0,2% impurezas y 9,8% H20 , procedente de la etapa de cristalización y posterior filtración del proceso de recuperación de la sal a partir de una disolución acuosa , se introduce en un secadero para reducir el contenido del producto hasta el 3% H20 . Hallar el flujo y composición del producto seco B .

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La sal contenida en un petróleo crudo debe eliminarse antes de ser tratado en la refinería para su fraccionamiento. Para ello, se mezcla el crudo con agua en proporción másica 4:1 (crudo/agua) en un extractor, y posteriormente la mezcla se introduce en un separador de fases para separar el crudo lavado del agua salada (la separación es posible ya que el crudo y el agua son inmiscibles) El crudo contiene un 5% de sal (masa) y el agua sa lada que sale del separador un 15% de sal (masa). Hallar:

a) Flujo y composición másica del crudo lavado b) Eficacia del proceso (% sal extraída)

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Un proceso de digestión aerobia para la eliminación de la materia orgánica de un agua residual precisa el aporte de 67,2 Kg/h de O2. Para ello, se emplea aire de composición molar 21 % O2 Y 79% N2.

Hallar el flujo másico de aire que debe introducirse en el proceso

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La separación de benceno, tolueno y xileno de una corriente se lleva a cabo en dos columnas de destilación en serie, tal como se muestra en el diagrama de flujos . A partir de los datos conocidos de las corrientes, hallar:

a) Flujos molares de las corrientes C, D y E b) Composiciones molares de las/corrientes A y C

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Una corriente gaseosa de 40 m3/min a 15 oC y 2 atm de presión, fonnada por 20 % NH 3

Y 80 % aire (moles) se introduce en contínuo en una columna de absorción para eliminar el NH3. Para ello se emplea como absorbente una corriente de agua. El gas de salida tiene una composición del 1 % NH3 Y 99 % aire (moles), y la disolución acuosa de salida 90 % H20 Y 10 % NH3 (masa) Calcular:

a) Flujos másicos de las corrientes A, B, C y D (kglmin) b) % NH3 absorbido o eliminado (eficacia del proceso).

Datos.- Masas moleculares NH3 (17 glmol), aire (28,9 glmol)

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. Una corriente de aire contaminada con acetona debe ser tratada antes de su emisión a la atmósfera. Esta se introduce en un proceso para recuperar la acetona y conseguir el objetivo medioambiental. El diagrama de flujo con los datos disponibles es el que se adjunta. Hallar los flujos másicos de las corrientes G, F, A Y R, Y la composición de A.

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El proceso de obtención de aceite de oliva se esquematiza en el siguiente diagrama de flujos. A partir de los datos que se expresan, hallar:

a) Producción de aceite virgen/1000 kg de aceitunas b) Producción de aceite refinado/ 1 000 kg de aceitunas c) Rendimiento global del proceso (% aceite total extraído)

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Una corriente residual es tratada según el diagrama de flujos que se indica al objeto de conseguir la especificación de vertido final legalmente exigible. Inicialmente se introduce en un sedimentador para provocar la concentración de los sólidos. El lodo formado alimenta un filtro para separar lo sólidos, uniéndose el liquido filtrado a la corriente clarificada del sedimentador. Esta corriente con solo orgánicos como contaminantes pasa por una columna de adsorción en donde se retienen la mayor parte de los orgánicos, completándose su tratamiento. Hallar:

a) Flujo y composición de la corriente e de entrada a la columna de adsorción. b) Flujo y composición de la corriente de vertido final D (salida de la columna)

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El gas procedente de un reactor está formado por un alcohol (C4HlOO), cetona (metil­etil-cetona) e hidrógeno en relaciones molares H2/ alcohol : 9 y H2/cetona : 1. La corriente de entrada se introduce en un condensador para separar el hidrógeno del alcohol y cetona . Como la separación no es completa , el gas de sa lida del condensador pasa por un absorbedor donde el alcohol y la cetona se absorben con un disolvente. El gas de sa lida del absorbedor tiene una composición molar del 0,4% alcohol, 3,6% cetona y 96% hidrógeno. La corriente líquida de la parte inferior de la columna de absorción se une a la corriente líquida del condensador. Esta mezcla formada por alcohol , cetona y disolvente se introduce en un separador donde se recupera todo el disolvente y el resto se conduce a una columna de destilación en la que se obtiene como producto principal un destilado del 99% cetona (masa) y por fondo de la columna una corriente con 94% alcohol (masa). Datos.- Masas Moleculares: H2 (2), cetona (72), alcohol (74) Calcular, para F = 100 kmol/ h

a) Flujos másicos de las corrientes G, P Y R b) % de cetona en P respecto de la contenida en la alimentación F c) extrapolar los resultados para P =10000 kg/h

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