• Author / Uploaded
• Yudith Rosaluz Imata Condori

• Categories
• Importar
• Reactor Quimico
• Sistema
• Masa
• Color

Citation preview

PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA N° 2

BALANCE DE MATERIA SIN REACCION QUIMICA EN TANQUES 1. OBJETIVOS  Comprobar prácticamente el proceso de acumulación en un balance de tanque estacionario.  Comprobar prácticamente el proceso de acumulación en un balance de tanque transitorio.  Comparar la practica con el modelo matemático de tanque estacionario y del tanque transitorio. 2. COMPLEMENTO DEL FUNDAMENTO TEORICO

GENERALIDADES En primer lugar, recordemos algunas definiciones necesarias para introducir las operaciones o procesos unitarios. Un sistema se puede entender como un conjunto de componentes que actúan de manera conjunta a fin de cumplir con cierto(s) objetivo(s). Un sistema se considera abierto cuando se transfiere materia por la frontera del sistema; es decir, que entra materia del entorno al sistema o sale materia del sistema hacia el entorno, o ambas cosas. Un sistema es cerrado cuando no tiene lugar una transferencia semejante de materia, durante el intervalo de tiempo en el que se estudia el sistema. Un balance de materia es simplemente la aplicación de la Ley de conservación de la masa: “La materia no se crea ni se destruye”. En un proceso químico, en particular, no es más que el conteo o inventario de cuánto entra, sale y se usa de cada componente químico que interviene en cada proceso. Se podría traducir la ley de conservación de la masa, para este caso, como sigue: El total de la masa que entra a un proceso o unidad es igual al total de la masa que sale de esa unidad. Obsérvese que se hace referencia a la masay no a la cantidad de materia (medida en moles) ni a cualquier otra relación física de los componentes (volumen, área,...).

Los balances de materia se aplican a cualquier sistema al que se le hayan definido sus fronteras, no importa si su naturaleza es física, química o abstracta. Son una de las herramientas básicas de análisis de los sistemas, así como también lo son: el balance de energía, las relaciones físico- químicas entre algunas variables y las especificaciones o restricciones en el funcionamiento del proceso. Los diagramas de flujo son muy útiles al momento de analizar un sistema. Estos diagramas permiten representar mediante rectángulos las operaciones unitarias o procesos (e.g. reactores, condensadores, columnas de destilación, separadores) y mediante flechas las corrientes (i.e.flujos que circulan por tuberías) de los componentes que intervienen en el sistema y que circulan entre las unidades de operación. Las corrientes de entrada, salida e intermedias están representadas por flechas que indican el sentido del flujo. También se ha especificado, sobre cada flecha, cada uno de los componentes de cada flujo utilizando letras. Por ejemplo, la alimentación del sistema contiene solamente sustancias X e Y, mientras que la corriente que sale del reactor hacia el condensador contiene ciertas cantidades de los compuestos X, Y y Z.

En

esta figura se observa también una línea punteada (en color azul), la cual representa la frontera del sistema. Hay tres recuadros en línea discontinua (de color rojo), que representa cada uno la frontera propia de la unidad de proceso. Cada unidad puede ser estudiada por separado, o se puede estudiar el sistema en conjunto. También podría estudiarse la combinación de unidades mezclador-reactor o reactor-condensador, si fuera necesario (línea discontinua de color verde). Clasificación de los procesos

Basándose en la dependencia o no respecto del tiempo, un proceso pueden clasificarse como: 

Proceso en estado estacionario, aquel cuyo estado (i.e. las variables que intervienen en el mismo) no cambia en el tiempo o sus variaciones son despreciables durante un intervalo de tiempo suficientemente amplio.

Basándose en la manera en que es diseñado para llevar a cabo sus operaciones, un proceso puede ser clasificado como: 

Proceso continuo, cuando las corrientes de entrada y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso.



Proceso por lotes o intermitente, cuando, por ejemplo, se cargan en un recipiente las corrientes de alimentación al comienzo del proceso solamente y, después de transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido del recipiente en parte o en su totalidad.



Proceso semi-continuo, cuando tiene características de los dos anteriores.

Tipos de balance.

Para procesos continuos es normal recoger información sobre un determinado instante en el tiempo las cantidades de más que entran y salen del sistema se especifican mediante caudales; por ejemplo , la melaza entra al sistema a una velocidad de 50lb/h mientras que el caldo de fermentación sale a una velocidad de 20lb/h , un balance de masa que se basa en las velocidades se denomina BALANCE DIEFERENCIAL

Para procesos discontinuos o de alimentación intermitente se emplea otro tipo de balance. La información sobre estos sistemas se recoge durante un periodo de tiempo y no en un determinado instante. Por ejemplo se añaden 100Kg de un sustrato en un reactor, después de 3 días de incubación se recogen 45Kg de producto. Cada término de

la ecuación del balance de materia en este caso es una cantidad de masa, no una velocidad. Este tipo de balance se denomina BALANCE INTEGRAL.

2.1 FUNDAMENTO TEORICO Los balances de materia permiten conocer los caudales y las composiciones de toda las corrientes de un sistema. En un proceso en el que tiene lugar a cambios el balance de materia informa sobre el estado inicial y final del sistema. los balances se plantean alrededor de un entorno, una determinada región del espacio perfectamente delimitada. El balance de materia tiene la forma.

Según el caso ante el que son encontremos este balance puede ser modificado, desapareciendo algunos de sus miembros. En un sistema en régimen no estacionario las variables físicas, químicas, mecánicas y termodinámicas del sistema no permanecen constante con el tiempo. La ley de la conservación puede aplicarse a la masa total del sistema o ala de cualquier componente individual que pertenezca a este. Partiendo de la ley de conservación.

SALIDA- ENTRADA: cantidad de propiedad que cruza los limites del sistema en uno u otro sentido por unidad de tiempo. ACUMULACION: Cantidad de propiedad existente en el sistema e en un momento dado menos la que había en un instante inmediato anterior dividido entre el intervalo de tiempo. Puede ser positiva o negativa, según la cantidad de propiedad contenido en el sistema aumente o disminuya. GENERACION: Cantidad de propiedad que aparece o desaparece dentro del sistema por unidad de tiempo, en estar presente inicialmente en el sistema y no habiendo atravesado sus limites. Puede ser positiva o negativa según aparezca o desaparezca propiedad. Concretamente en nuestra experiencia la generación es nula. Balance total de materia expresado en masa

Es una magnitud conservada, ya que el termino de genracion es nulo. El balance de materia se expresa como:

∑ m 2−∑ m 1+

dM =0 dt

Donde: m2: caudal masico de salida (Kg/s) m1: caudal masicode entrada (Kg/s) M: Cantidad de materia total (Kg) 

Observese que el termino de generación es nulo.

Si las densidades de las corrientes de entrada y salida admitimos que son constantes en toda la sección, aunque corriente a corriente sean distintas, el balance anterior se puede expresar en funcion del caudal volumétrico Q (m3/s) y la densida ρ (Kg/ m3): L

∑ ρ2 ×Q L2−∑ ρ1 ×Q L1 +

d (ρ .V ) =0 dt

Si admitimos que densidad es constante en toda la sistema ( como en nuestro caso), se puede escribir como: dV

∑ Q L2−∑ Q L1 + dt =0 Balance de componentes en unidades másicas En el caso de que no susceda ninguna reacción química el termino de generación será nulo. El balance queda como:

∑ m j2 −∑ m j 1 +

dM j =0 d

Mj: caudal parcial masico (Kg comp.j/s). se halla como mj=QL.QJ. Cj: concentracion másica del componente j ( Kg comp. A/ m3). Mj: cantidad del componente j contenida en el sistema (Kg). En nuestro caso la generación es nula, el volumen permanece constante ( las corrientes de entrada y salida son únicas e idénticas), la concentracion de la corriente de salida

coincide con la concentracion en el interior del sistema ( tanque perfectamente agitado) y la densidad ρ permanece constante. Por ello podemos escribir . QL . C j 2−Q L. C j 1 +V .

dCj =0 dt

C j2 = C j QL2=

QL 1

=

QL

En nuestro caso el término

QL . C j 1

es nulo debido a que el HCl no entra al

sistema por medio de una corriente sino que es añadido puntualmente con una probeta al inicio del experimento y ya no vuelve a agregarse más. 3. MATERIALES Y REACTIVOS           

Sistema de tanques del laboratorio de operaciones unitarias. Bureta de 50ml. Soporte de bureta. Pipeta de 10ml Vasos de 250ml Balde graduado en volumen para medir. Cronometro. Acido muriático. Agua Hidróxido se sodio Fenolftaleína.

4. PROCEDIMIENTO Primer Experimento  Lavar los tanques para retirar el óxido que tiene adherido.  Preparar 8 litros de solución con 4 g/l de acido muriático (Hl) cuyas características son los siuientes concentraciones 19% de HCl, densidad 1.09g/l.  Alimentar esta solución al tanque central, teniendo en cuenta que la valcula este completamente cerrada.  En el tanque superior llenar 8lt de agua pura, cuidando que la valcula este completamente cerrada.  Tomar una muestra de tanque central de 5ml. Y titular con solución de hidróxido de sodio o.1 M preparado previamente, usar como indicador fenoltalaina, anotar

el gasto para determinar la concentracion de esta solución en g/l. luego abrir simultáneamente las válvulas del tanque superior y del central a un flujo de 0.4l/mint, respectivamente y agitar constantemente con la paleta el tanque central. Iniciando desde este momento la medición del tiempo mediante un cronometro tomando una muestra de la solución que sale del tanque central cada 4 minutos y titulándolo con solución de hidróxido para calcular su concentración en g/ l.  Los datos obtenidos resumirlos en una tabla como la siguiente. Tiempo

Volumen HCl

Gasto del titul

Minutos

ml

ml

[HCL] Practico g/l

[HCL] Teorico g/l

La concentracion del HCl teorico se calculara con el modelo matemático de tanques estacionarios. 4.1procedimiento del experimento 1 Cálculos  Hallar el volumen requerido del ácido muriático Concentracion: 9.5% Densidad: 1.0456g/ml Hallando la masa del HCl 4g × 8 l=32 g l 32g

9.5%

x

100%

X= 336.84g ρ=

m V

V=

336.84 g =322.15 ml 1.0456 g / ml

 Procedimiento

1.El tanque superior ya esta llenado con 8 litros de H2O pura.

3. acido muriático ya medido. 322.16 ml

5. homogenizando la mezcla de la solución.

2. acido muriático para hallar el volumen requerido

4. mezclando la el agua con el acido muriático.

6. el agua pura de 8l se mezcla con la solución del balde

7. esta es la solución sacada cada 4 min.. ya listo para titular

El flujo del balde superior es de 0.4 ml/min y el de central también es lo mismo.l alasolución del 8. titulando balde central se recibe a solución. una tercera balde de donde se saca 5ml de solución cada 4 min y se

5

9.hacer gotear NaHo hasta que cambie de color y sea estable. También se mide el gasto del NaHO.

Segundo experimento Se hará lo mismo que en el primer experimento solo cambiando las velocidades de descarga del tanque central a 0.47 l/mint. Y continuar con todo los puntos anteriores.

La descarga del tanque superior con la solución de 8l de acido muriático es de 0.47l/min al igual que el del tanque central. La descarga del tanque superior de pura agua es de 0.4l/min. o En este segundo experimento se utilizó el ácido muriático con diferentes características que el primero. Calculo o Hallar el volumen requerido del acido muriático para el tanque superior. Para preparar 8 litros de solución 4g/l de acido muriático. Cuyas características son las siguientes: Densidad: 1.115g/ml, Concentración: 24.27% Calculando la masa. 4g × 8 l=32 g l 32g

24.27%

X

100%

X=131.85g ρ=

m V

V=

133.85G =118.25 ml 1.115 g ml

o Hallar el volumen requerido del acido muriático para el tanque central. Para preparar 8 litros de solución con 8g/l de acido muriático (HCl) cuyas características son 24.27% y su densidad 1.115g/ml. 8g ×8 l=64 g l 64g X

24.27% 100%

X=263.70g

ρ=

m V

V=

263.70 g =236.5 ml 1.115 g/l

5. RESULTADOS

5.1 resultados del primer experimento. contracion de NaHO 0.1

PM del K HCl( g/l) 36.5

B 2.2215

-0.0339

 para hallar la concentracion del HCl experimental C 1 ×V 1=C 2 ×V 2

Para hallar el valor, se calculo por hoja de calculo ( Excel) C2==(($H$12*D12)/C12)*$I$12 Donde: $H$120 = contracion de NaHO, D12= Gasto de titulo(ml), Volumen(ml)= C12,$I$12= PM del HCl( g/l).  para hallar la concentracion del HCl toerico primero se grafico [HCL] experimental VS TIEMPO

[HCl] practico(g/l) 10 8 [HCl] practico(g/l)

6 4 2 0 0

5

10

15

20

25

30

35

En seguida se convierte [HCL] experimental en LN([HCl] para poder obtener la ecuación de la recta y con la ecuación obtener la ecuación matemática y halla [HCL] teorico.

LN([HCl] 2.5 f(x) = - 0.03x + 2.22

2

LN([HCl]

1.5

Linear (LN([HCl])

1 0.5 0 0

5

10

15

Donde: e=2.718281828 y = -0.0339x + 2.2215 LN([HCl])=K+tB

[ HCl ] =k e Bt

20

25

30

35

Tiemp Volumen(ml o (min) ) 0

5

Gasto de titulo(ml ) 10.9

[HCl] practico(g/l ) 7.957

[HCl] teorico (g/l) 2.2215

4

5

10.5

7.665

1.939795 7 1.693813 8 1.479024 3 1.291472

8

5

10

7.3

12

5

8.6

6.278

16

5

8.1

5.913

22

5

7.5

5.475

24

5

6

4.38

28

5

5.4

3.942

32

5

3

2.19

1.053778 9 0.984700 9 0.859832 8 0.750799

LN([HCl]

2.07405 204 2.03666 451 1.98787 435 1.83705 146 1.77715 332 1.70019 228 1.47704 872 1.37168 821 0.78390 154

Comparando la concentración teórico con la concentración experimental del HCl. 9 8 7 6 5

[HCl] practico(g/l)

4

[HCl] teorico (g/l)

3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

5.2 resultados del segundo experimento se sigue los mismos pasos que el primero.

35

Tiemp Volumen(ml o (min) ) 0 4 8 12 16 22 24 28 32

5 5 5 5 5 5 5 5 5

Gasto de titulo(ml ) 4.7 4.6 4.5 4.5 4.4 4.3 4 4.4 4.8

El gasto para el tanque superior como se observa en la tabla es de 4.7ml de NaHO para titular. El gasto para el tanque central es de 4.3ml de NaHO para titular. 6. CONCLUSION  Se comprobó el proceso de acumulación en las 2 tanques superiores y en la central, para poder estar seguro con la elaboración de practica y asi no cometer errores.  Se pudo lograr comprobar con el modelo matemático del tanque estacionario y del tanque transitorio. 9 8 7 6 5 4

[HCl] practico(g/l)

3

[HCl] teorico (g/l)

2 1 0 0

5

10 15 20 25 30 35

7. CUESTIONARIO 7.1 preparar con los datos de tiempo practico y teorico una grafica de comparación, analizar y comentar lo observado.

7.2 con los datos obtenidos del tiempo y concentracion practica, linealizar para determinar el modelo matemático practico y compararlo con el modelo matemático teorico. 7.3¿ definir que es acumulación y por que el termino generación se considera 0 en el balance de tanque? 7.4 un tanque contiene 240l de agua pura, una solución acuosa de NaCl contiene 0.1Kg de sal/ l y se alimenta al tanque de agua a razón de 12l/min y la mezcla agitada sale deltanque al mismo gasto a) que cantidad de sal contiene el tanque en cualquier instante b) cuando contendrá 0.07 kg de sal/l de solución que sale del tanque. Resolver problema 7.5 un tanque contiene 300l de agua pura. Se le suministra una solución de BaSo4 a razón de 10l/mint, contiene 0.4 Kg de BaSO4/ l de solución y del tanque sale un flujo de 16 l/mint, a) halle la concentracion de BaSO4 al cabo de t minutos b) la concentracion a los 15 minutos. Resolver problema. 8. BIBLIOGRAFIA  http://blog.utp.edu.co/balances/files/2015/02/LIBRO-BME2015-1.pdf  https://www.academia.edu/25489335/Informe_10estado_transitorio  https://www.academia.edu/25489335/Informe_10estado_transitorio 