7.- Balance De Materia

PRÁCTICA # 7 “BALANCE DE MATERIA” OBJETIVOS:

 

General: Que el alumno demuestre la ley que dice “todo lo que entra es igual a lo que sale” estableciendo el balance de materia. Particulares: Aplicar la ley de la conservación de la materia en un proceso experimental Conocer los fundamentos de evaporación al aplicar experimentalmente el balance de materia y explicar su relación con esta.

RESUMEN En esta práctica se podrán encontrar los conceptos más útiles para el balance de materia, su definición, uso y formas de cálculos. Se realizó un experimento en el cual se hizo una reacción en la cual se quemo una cantidad de nuez para que sus componentes se evaporaran y pasaran de un lado del sistema armado al otro, obteniéndole así una disminución en el tubo original del sistema ya que había pasado una parte de esa cantidad del otro lado del tubo, lo demás se perdió en forma de gas al paso del sistema y otra parte se acumuló en este mismo, lo que se puede observar en los cálculos realizados así comprobando la ley de la conservación de la materia. INTRODUCCIÓN Una de las leyes básicas de la física se conoce como la “Ley de la conservación de la masa” y dice que la masa no puede crearse ni destruirse. Por consiguiente; la masa o el peso de todos los materiales que entran a un proceso de operación unitaria debe ser igual a la masa total de todos los materiales que salen del mismo. Los problemas de balance de materias en los que se pide determinar la masa de sustancias químicas que se mezclan, se separan en varias fases o corrientes, o se combinan o transforman en otras, se mantienen invariantes dos principios fundamentales : El primero es el principio de conservación de la materia que establece que la masa total del sistema no varía. Este principio puede extenderse también al caso de la conservación de la masa de aquellas sustancias químicas que no sufren reacción química. El segundo principio es el de conservación de los elementos químicos que intervienen en el sistema y que se asocian en las diferentes moléculas que constituyen las sustancias químicas. Finalmente cuando en el sistema intervienen iones podríamos añadir un tercer principio que sería el de electroneutralidad de cargas eléctricas o de igualdad de cargas positivas y negativas.1 En un proceso industrial, el balance de materia es la aplicación al mismo de la conservación de la materia. Su aplicación conduce a una ecuación que expresa el cómputo total de la materia que entra, sale se acumula y se genera (o desaparece) en un recinto determinado: Entrada + Generación = Salida + Acumulación El balance de materia puede aplicarse considerando la materia total, un componente (especie química) o un elemento:

En

el balance de materia total el término Generación es nulo, ya que de acuerdo con el propio principio de la conservación de la materia, ésta sólo se puede transformar.

Si el sistema contiene varios componentes, pueden establecerse tantos balances como componentes se consideren, relacionados entre sí; el término generación indica la cantidad de componente que se produce (por reacción química) a partir de otro que desaparece (por la misma reacción). Si no hay reacción, el término Generación será nulo.

Cuando se aplica el balance a un elemento, también será nulo el término generación, ya que no sólo no hay variación de masa, sino tampoco de la naturaleza del elemento, aunque éste pase a formar parte de diferentes compuestos. 1

http://quim.iqi.etsii.upm.es/

Si

el sistema opera en régimen estacionario, es decir, las propiedades fisicoquímicas no varían con el tiempo en el interior del recinto considerado, el término Acumulación será nulo, ya que no puede haber acumulación de materia en el recinto (de haberla, cambiarían las propiedades).

Para

realizar el balance de materia, es necesario considerar todos y cada uno de los términos implicados con precisión, expresándolos en las mismas unidades. De esta forma podrá calcularse uno de sus términos en función de los demás, que figurarán como datos.2

Ley de conservación de la materia

Si no hay generación o consumo de materia dentro del sistema Acumulación = Entradas – Salidas Si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado estacionario o uniforme. Entradas = Salidas Si no existen flujos de entrada y salida, se reduce al concepto básico la conservación de la materia dentro de un sistema cerrado o aislado. Para todo balance de materia debe definirse un sistema, se entiende por este a cualquier porción arbitraria o total de un proceso.

El método general para resolver balances de masa (BM) es simple: 1. Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso. 2. Colocar en el diagrama los datos disponibles. 3. Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente. 4. Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo. 5. Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base. 6. Asegurarse de que el sistema esté bien definido. Una vez logrado lo anterior, se estará preparado para efectuar el número necesario de balances de materia. ♦ Un BM total. ♦ Un BM para cada componente presente. Definiciones importantes ♦ Reactivo limitante: es aquel que se encuentra en la mínima cantidad estequiométrica. ♦ Reactivo en exceso: es el reactivo en exceso respecto al reactivo limitante.

♦ Porcentaje de conversión: es la proporción de cualquiera de los reactivos que se transforma en productos. ♦ Rendimiento: para un solo reactivo y producto es:

En caso de más de un producto y un reactivo se debe determinar claramente el reactivo en el cuál se basa el rendimiento. Fórmulas a utilizar en el BM ♦ RLCF * C = PD (molar) 2

http://fjarabo.quimica.ull.es/Practics/IQ2/IQ2Files/Practicas_10.pdf

♦ RLCF * PM2/PM1 * C = PD (peso) ♦ (RLCF + RLR) * C = PD (molar) ♦ (RLCF + RLR) * C * PM2/PM1 = PD (peso) Donde RLCF: Reactivo limitante de carga fresca RLR: Reactivo limitante de reciclo C: Conversión PD: Producto deseado PM: Peso molecular ♦ Producto convertido = Carga fresca * Cfinal ♦ Producto convertido = (Carga fresca + Reciclo) * Cpor paso ♦ Producto obtenido = Producto convertido * PMo/PMc Donde PMo = peso molecular del producto obtenido PMc = peso molecular del producto convertido Se debe tener en cuenta para resolver los problemas de BM que por cada variable desconocida se tendrá que establecer un BM independiente en caso de que el conjunto de ecuaciones pueda tener solución única. Cuando en lugar de balance de un equipo se requiere resolver toda una planta es necesario establecer alrededor del proceso total y de cada equipo un BM. Elementos de correlación El elemento de correlación es alguno de los materiales que pasa de una a otra de las corrientes sin cambiar en ningún aspecto, o sin permitir que se le sume o pierda material semejante a él. Siempre es conveniente tomar como base una cifra redonda (100, 10, 1) aunque se disponga de un dato ya fijo, una vez realizado los cálculos se pueden transformar los resultados a la base primitiva. Cálculos en procesos con recirculación Los procesos que implican “alimentación a contracorriente” o recirculación del producto se encuentran con frecuencia en la industria química y del petróleo. En las reacciones químicas, el material sin reaccionar puede separarse del producto y recircularse, tal como en la síntesis del amoníaco. Otro ejemplo del uso de las operaciones con recirculación es el de las columnas de destilación fraccionada, en donde una parte del destilado sirve como reflujo de la columna para aumentar la concentración del producto. En la figura se muestra un proceso típico de recirculación.

Se debe entender que el proceso mostrado en la figura se encuentra en condicionesuniformes, es decir, no se verifica la formación o el agotamiento de ningún material dentro del reactor o en la corriente de recirculación. La alimentación al proceso está constituida por dos corrientes: la alimentación fresca y el material de recirculación. En algunos casos la corriente de recirculación puede tener la misma composición que la corriente del producto principal, mientras que en otras circunstancias la composición puede ser completamente diferente, dependiendo de la forma como se efectúa la separación. En muchos casos se emplea una corriente de recirculación y estos son: 1. Cuando se utiliza un exceso estequiométrico de uno de los componentes. Esto se hace cuando interesa que reaccione completamente un reactivo limitante. 2. Cuando la reacción se lleva a cabo en un diluyente inerte, generalmente se recircula el diluyente una vez que se han separado los productos. 3. Cuando la transformación de los reaccionantes en los productos está limitada, bien por consideraciones de equilibrio, o bien porque la velocidad de reacción se hace extraordinariamente lenta a medida que aumenta la concentración de los productos. 4. Cuando hay reacciones laterales con intervención de los productos de reacción. Por ejemplo en la cloración de un hidrocarburo alifático, en presencia de cloro, el compuesto monoclorado reacciona para formar el diclorado, que a su

vez se transforma en triclorado y así sucesivamente. Para evitar esto se usa un exceso de sustancia orgánica y se detiene la cloración antes de que en el sistema haya excesiva proporción de compuesto monoclorado. El exceso de compuesto alifático y cloro se recircula La recirculación de corrientes fluidas en los procesos químicos es práctica para incrementar rendimientos, enriquecer un producto, conservar calor, etc3 Fundamentos de evaporación El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es el agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. La evaporación difiere del secado en que el residuo es un líquido-a veces altamente viscoso- en vez de un sólido; difiere de la destilación en que el vapor es generalmente un solo componente y aun, cuando el vapor sea una mezcla, en la evaporación no se intenta separar el vapor en fracciones; difiere de la cristalización en que su interés reside en concentrar una disolución y ni en formar y obtener cristales. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. Sin embargo, en algún caso concreto puede ocurrir lo contrario. Al agua salubre se evapora con frecuencia para obtener un producto exento de sólido para la alimentación de calderas, para procesos con requerimientos especiales o para el consumo humano. Esta técnica se conoce con frecuencia con el nombre de destilación de agua, pero se trata en realidad de evaporación.4 Es un proceso de separación o cualquier otro tipo de proceso que transforma una mezcla o una sustancia. La evaporación es un cambio progresivo del estado líquido al estado gaseoso. La presencia del vapor de agua en la atmósfera se debe a la presencia de agua líquida en el planeta. El proceso de evaporación consiste en la eliminación de un líquido de una solución, por tratamientos térmicos. Factores y criterios a tener en cuenta ante un proceso de evaporación La resolución práctica de un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. La gran variedad de características del líquido es lo que hace que esta operación constituya un arte separado de la simple transmisión de calor. • Concentración. • Formación de espuma. • Sensibilidad a la temperatura. • Incrustaciones. • Materiales de construcción. • Solubilidad. • Presión y temperatura. Criterios de selección de evaporadores Para determinar las condiciones óptimas de diseño, se debe tener en cuenta una gran cantidad de factores para obtener de esta manera, un equipo que tenga una relación óptima entre rendimiento de evaporación, economía y calidad del producto. • Calidad del producto • Rendimiento del evaporador • Economía Tipos de evaporadores • Evaporador de tubo horizontal • Evaporador de tubo vertical • Evaporador vertical de tubos largos • Evaporador de película descendente • Evaporador de película ascendente • Evaporador de circulación forzada Aplicaciones industriales 3

http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/integracion3/UT2_Balance_de_materia.pdf Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Warren L. McCabe, Smith, Harriott. Cuarta Edición. Mc Graw-Hill Pag:482 4

Industria Lechera evaporadores verticales de tubos largos Industria de jugos de frutas evaporadores de película descendente y el de película agitada Hidrolizados Extractos Industria frigorífica Industria avícola Ventajas: • Costo moderado en la gran mayoría de los evaporadores. • Calefactores de gran superficie en un solo cuerpo. • Bajo tiempo y volúmenes de residencia. • Ocupan poco espacio. • Buenos coeficientes de transferencia de calor a diferencias de temperaturas razonables. Desventajas: • La mayoría de los evaporadores utilizados poseen gran altura (hasta 18 m). • Por lo general, no son apropiados para soluciones precipitantes o incrustantes. • Con diferencias de temperaturas pequeñas, sus coeficientes de transferencia de calor son pobres. • Presentan demasiada sensibilidad hacia el cambio en las condiciones de operación.5 MATERIAL

1 piseta

1 espátula

1 cronómetro 1 probeta 50ml 1 tubo de vidrio 2 tubos de ensaye de20 x 200 1 varilla de vidrio doblada en 45º

1 pinzas morh 1 vidrio de reloj 2 tapones horadados 1 manguera

2 soporte universal

1 vaso de precipitados 250ml

3 pinzas de 3 dedos

1 mechero bunsen SUSTANCIAS Hielo Acetona

Agua destilada Semillas de nuez

EQUIPO Balanza analítica Cortador de vidrio PROCEDIMIENTO Pesar todo el material involucrado

Para armar el sistema: Colocar las nueces en el tubo de ensaye y tapar con un tapón horadado el cual este conectado a una manguera por medio de una varilla. Conectar el otro extremo de la manguera a otra varilla conectada a otro tapón que cubra el otro tubo de ensaye vacío. Sujetar ambos tubos en los soportes universales con las pinzas de 3 dedos El tubo que se encuentra vacío colocar en un baño de hielo. Quemar las nueces por medio del mechero hasta las cenizas y cuidar que no haya reacción de combustión. Retirar el equipo, enfriarlo y volver a pesar cada una de las partes Realizar el balance de materia global y por componentes. RESULTADOS PESOS INICIALES 5

http://ccaa.ica.googlepages.com/EVAPORACION.pdf

PESOS FINALES

DIFERENCI

Tubo de ensaye en donde iba nuez: 42.5640 Corchos y manguera: 57.6217 g Corchos y Manguera: 57.5921g nuez: 1.0718 g. Nuez combustionada: 1g sistema inicialmente: 145.4192 g sistema después del calentamiento: 145.3583g Tubo de ensaye y nuez: 43.6358g Tubo con nuez: 43.564g Tubo donde se recibió la muestra: 44.1617g Tubo donde se recibió la muestra: 44.2022g

A 0.0296g 0.718g 0.0609g 0.0718g -0.0405g

Acumulación = 1.0718 g − 0.0405 + 0 − 0.718 = 0.3133g 0.3133 − 0.0609 = 0.2524 g DISCUSIÓN DE RESULTADOS

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Se realizó la combustión de una nuez en un tubo de ensaye el cual se calentó para originar que esta se calentara y evaporara sus componentes para que pasara a través de un sistema conectado en el cual los gases generados se condensaran al otro extrema del sistema por medio del enfriamiento de hielo.



El peso inicial de la nuez dentro del tubo 1 era de 1.0718g y al realizar el experimento en el tubo 2 (con hielo) se obtuvo un total de 0.0405g en ese tubo. Se volvió a pesar el tubo 1 y se obtuvo una masa de la nuez de 1g. No hubo generación dentro del sistema y el consumo dentro del sistema fue de 0.718g por lo que la acumulación fue de 0.0313g que fue la cantidad que se debió quedar en alguna parte del sistema (corchos, mangueras, etc). Se realizó la resta de la diferencia del peso del sistema después del calentamiento con respecto a la acumulación y este resultado nos dio de 0.2524g lo cual se puede deducir que fue una cantidad que se escapo del sistema en forma de gas ya que no se encontraba este completamente cerrado aunque se intento incluso con parafilm cubrir las posibles fugas, pero no se logro en su totalidad posiblemente ya que algunas de las conexiones de este eran más grandes de lo necesario.

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Con esto y las posibles causas de fuga se tiene un balance de la materia en el cual todo lo que entra es igual a todo lo que sale ya que de esta forma se puede decir que casi la misma cantidad que entro fue similar a la que salio y ya se explico la razón por la cual hay una diferencia. No se realizó un balance estequiométrico ya que no se tenían los datos suficientes para realizar estos cálculos, sin embargo en la introducción se muestran las diferentes formas que se pueden aplicar a distintos tipos de sistemas para realizar estos cálculos.

CONCLUSIONES En esta práctica se peso cierta cantidad de nueces, en donde estas se calentaron en un sistema completo donde se colocaron en un tubo y se calentó, al calentarse la materia (nueces en este caso) se descompuso en diferentes componentes, dando carbón como principal residuo ya que este es la base de carbohidratos otro fase fue la gaseosa que es desprendimiento del CO2 por el quemado del carbón y por ultimo se obtuvo una fase liquida es la grasa de las nueces que se desprende por el mismo calor proporcionado con la flama del mechero, aquí se comprueba que la masa no se crea ni se destruye solo se trasforma ya que al final se peso el sistema con los residuos y se comparo con el peso inicial del sistema y de lo que se agrego de nueces y es muy similar el peso. REFERENCIAS http://fjarabo.quimica.ull.es/Practics/IQ2/IQ2Files/Practicas_10.pdf http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/integracion3/UT2_Balance_de_materia.pdf Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Warren L. McCabe, Smith, Harriott. Cuarta Edición. Mc Graw-Hill Pag:482 http://ccaa.ica.googlepages.com/EVAPORACION.pdf http://quim.iqi.etsii.upm.es/