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OPERACIONES UNITARIAS AGROINDUSTRIALES I BALANCE DE ENERGIA •

Alonso Rossel Fiorella

•

Huanio Estrada Lilibeth

•

Lozano Villar Carolin

LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA La energía no se crea ni se destruye, solo transforma.

(Primera ley de la termodinámica)

ENERGIA:  Capacidad de producir trabajo.  Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras : Radiación electromagnética, Energía Potencial, Energía Eléctrica, Energía Química ( de enlace), Energía Cinética, Calor.

Cantidad absoluta :Energía, J, cal, kcal, kJ Caudal: Energía/tiempo, J/s (W) Flujo: Energía/(tiempo*superficie), W/m2 Especifica : Energía/masa, J/ Kg

FORMAS DE ENERGIA  TRABAJO MECANICA (W): Producto del desplazamiento (x) por la componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento (Fx).  ENERGIA POTENCIAL (Ep): Capacidad de producir trabajo que posee un sistema en virtud de su posición respecto a un plano de referencia.

 ENERGIA CINETICA (Ec): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpo en función de su movimiento.  Calor (Q): Energía en transito de un cuerpo que se haya a una temperatura hacia otro que esta a menor temperatura con el fin de igualar ambas.

FORMAS DE ENERGIA  ENERGIA INTERNA (U): Variable termodinámica (Función de estado) indicativa del estado energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor se fija respecto a una referencia.  ENERGIA ELECTROMAGNETICA: Asociada con la frecuencia de onda. Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser absorbida. Normalmente su absorción se expresa como aumento de temperatura.  ENERGIA NUCLEAR (En):Transformación de masa en energía de acuerdo a 𝐸 = 𝑚. 𝑐 2 .Desintegraciones nucleares.

ENERGIA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL:  ENERGIA CINETICA de un sistema material en movimiento, en función de su velocidad:

m=masa del cuerpo v=velocidad del cuerpo

 ENERGIA POTENCIAL de un sistema material en función de su posición en el campo gravitatorio:

m=masa del cuerpo g=aceleración de la gravedad

h=posición del cuerpo

ENERGIA INTERNA DE ESPECIES QUIMICAS (U):  Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la composición química, temperatura y el estado de agregación de la materia. Energía debida al movimiento de las moléculas con respecto al centro de masas del sistema, al movimiento de rotación y vibración, a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos de las moléculas.  Relacionable con tras propiedades termodinámicas, ENTALPHIA.

H=U+PV U=H-PV

𝑑𝑈 = 𝑑𝐻 − 𝑃𝑑𝑉 − 𝑉𝑑𝑃

FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENRGIA  SIN TRANSEFERENCIA DE MATERIA: Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras): SISTEMA Energía interna

Intercambio de energía

ALREDEDORES

calor y trabajo

T y P : parámetros de estado del sistema  CON TRANSFERENCIA DE MATERIA: Sistemas abiertos: además de la formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere

CALOR Y TRABAJO  Son formas de energía en transito, entre el sistema y sus alrededores. •

Trabajo (W), energía en transito debido a la acción de una fuerza mecánica.

•

Calor (Q), transito resultado de la diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores.

 En un sistema cerrado su balance neto en 0, en un sistema abierto, su balance neto afecta a la energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo

BALANCE DE ENERGIA Contabilidad del flujo de energía de un sistema Determinación de los requerimientos energéticos de un proceso

Junto con los balances de materia son una herramienta fundamental para el análisis de procesos  Todas las corrientes de un proceso están relacionadas de forma que dados los valores de algunas variables de las corrientes de entrada y salida se pueden derivar y resolver ecuaciones para obtener los valores de otras sin necesidad de medirlas.

BALANCE DE ENERGIA Cualquier proceso de transformación en la naturaleza conlleva un intercambio de energía  Algunas aplicaciones de los balances de energía en la industria: •

Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido.

•

Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Cálculos de Perdidas y Aislamientos. Optimación de procesos de Obtención de Energía Eléctrica (Cogeneración)

•

Calculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor

•

Calculo de la energía mecánica que hay que comunicar a un fluido para mantenerlo en movimiento.

BALANCES DE ENERGIA  Sistemas donde se pueden aplicar: •

Una planta agroindustrial, biotecnológica, etc.

química,

petroquímica,

•

Ejemplo: Una planta de etanol. Planta de azúcar.

BALANCE DE ENERGIA:  Unidad de una planta:

Ejemplo: Columna de rectificación, reactor

BALANCE DE ENERGIA  Unidad de una planta:

Parte de una unidad. Ejemplo: Cambiador de calor

ECUACION GENERAL DE BALANCE mentra

PROCESO

msale

Sistema material sometido a transformaciones físicas y químicas que transcurren en régimen no estacionario Entrada + Producción – Consumo = Salida + Acumulación

Energía que entra del exterior

Energía que sale del exterior

Energía acumulada en el sistema

En régimen estacionario Energía que entra del exterior

Energía que sale del exterior

ECUACION GENERAL DEL BALANCE L1

SISTEMA

L2

EC1

EC2

EP1

EP2

EPe1

Q

W

U1

EPe2 U2

Li= Flujo másico ECi= Energía Cinética EPi= Energía Potencial EPei= Energía de presión Ui= Energía Interna

Q= Calor W= Trabajo

ECUACION GENERAL DEL BALANCE 𝐿2 ∗ 𝐸𝑃2 + 𝐸𝐶2 + 𝐸𝑃𝑒2 + 𝑈2 − 𝐿1 ∗ 𝐸𝑃1 + 𝐸𝐶1 + 𝐸𝑃𝑒1 + 𝑈1 =𝑄−𝑊

𝑑 𝑈𝑉 + 𝑑𝑡

𝑣22 𝑣12 𝑑 𝑈𝑉 𝐿2 ∗ 𝑍2 𝑔 + + 𝑃2 𝑉2 + 𝑈2 − 𝐿1 ∗ 𝑍1 𝑔 + + 𝑃1 𝑉1 + 𝑈1 + 2 2 𝑑𝑡 =𝑄−𝑊 𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉

∆𝐻 = 𝐶𝑝∆𝑇

𝑣22 𝑣12 𝑑 𝑈𝑉 𝐿2 ∗ 𝑍2 𝑔 + + 𝐻2 − 𝐿1 ∗ 𝑍1 𝑔 + + 𝐻1 + =𝑄−𝑊 2 2 𝑑𝑡

BALANCES ENTALPICOS  Aplicación a sistemas en que no se considera la contribución de la energía mecánica ( variaciones de energía potencial y cinética despreciables) y que no intercambian trabajo con el medio:

𝑚𝑔 ∗ 𝑍2 − 𝑍1 + 𝐻2 − 𝐻1

1 + 𝑚 𝑉22 − 𝑉12 = 𝑄 − 𝑊 2

𝑸 = 𝑯𝟐 − 𝑯𝟏

BALANCES ENTALPICOS  Aplicación a sistemas en régimen estacionario que intercambian calor con el medio.  Incluye cambios en la temperatura, en el estado de agregación o en la naturaleza química de las sustancias.  No se considera la contribución de la energía mecánica ( variaciones de energía potencial y cinética despreciable) al estado energético del sistema.

Algunas aplicaciones de los balances entalpicos  Calculo de la cantidad de calor (Q) necesaria para modificar la temperatura, estado de agregación o naturaleza química de una determinada cantidad de materia.  Calculo de caudal de fluido refrigerante o de calefacción necesario para mantener las condiciones de trabajo de una operación.  Calculo de los caudales de calor intercambio requeridos para que una operación se realice en condiciones isotérmicas o adiabáticas.

 Calculo del consumo de combustible para producir el calor necesario en una operación.  Calculo de rendimiento y propuestas de estrategias.

CALCULOS DE ENTALPIAS  No se pueden calcular absolutos de entalpia 𝑸 = 𝑯𝟐 − 𝑯𝟏

valores

 Para aplicar la ecuación hay que establecer un estado de referencias

El correspondiente a los elementos libres de todas las sustancias a una presión y temperatura (generalmente 1 atmosfera y 25 °C) La entalpia de una sustancia (con respecto a un estado de referencia) es la suma de tres contribuciones:  Entalpia o calor de formación

 Calor sensible  Calor latente

EJERCICO 01:  Se calienta 4500kg/h de leche de vaca desde 5°C hasta 6O°C en un intercambiado de calor y utilizando para ello agua caliente . ¿Cuánto calor debe transmitir si el Cp de la leche es de 0.916kcal/kg°C

Solución: 5°C

PROCESO

60°C

𝑄 = 𝑚𝐶𝑝∆𝑡 𝑘𝑔 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑄 = 4500 ∗ 0.916 ∗ 60 − 5 °𝐶 ℎ 𝑘𝑔°𝐶

𝑄 = 226710

𝑘𝑐𝑎𝑙 ℎ

EJERCICIO 02:  Un liquido fermentado se bombea a razón de 2000 kg/h a 30°C a través de un intercambiador de calor, en donde se calienta hasta 70°C. El agua para este proceso entra a 95°C y sale a 80°C. El Cp del liquido fermentado es de 0.966kcal/kg°K. las corrientes de fermentación y de agua están separadas por una superficie metálica través de la cual se transfiere calor y no hay mezcla física de una corriente con la otra. Indique el agua necesaria

Solución: HC

C=D Tc= 95°C

HA

HB

A=2000kg/h

B=2000kg/h

TA= 30°C

HD

Cp=0.966 kcal/kg°C

TB= 70°C

D=C TD= 80°C

𝐻𝐴 ∗ 𝐴 + 𝐻𝐶 ∗ 𝐶 = 𝐻𝐵 ∗ 𝐵 + 𝐻𝐷 ∗ D A=B

C=D

2000 ∗ (𝐻𝐴 -𝐻𝐵 ) = C * (𝐻𝐷 -𝐻𝐶 ) 2000 ∗ (𝐶𝑝∆𝑇) = C * (𝐶𝑝∆𝑇) 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑐𝑎𝑙

2000 ∗ 0.966 𝑘𝑔°𝐶 ∗ (30 − 70)°C = C *1 𝑘𝑔°𝐶 ∗ (80 − 95)°C C= 5152 kg/h

CONCLUSIÓN  Él balance de energía se basa en la Ley de la Conservación de energía que indica que en un proceso, la energía no se crea, ni se destruye, solo se trasforma.  En un balance total de energía se toma en cuenta las transferencias de energía a través de los limites del sistema. Ciertos tipos de energía están asociados a la masa que fluye, otros tipos como Q ( calor) y W ( trabajo) son solo formas de transmisión de energía.