Balance de Enegia

Tema4:Bal ancesdeener gí a Seest udi aot r adel asl eyesf undame ment al esdel aI ngeni er í aQuí mi cacomoesl al eydeconserv aci óndel a ener gí a,basedel osbal ancesma macr oscópi cosdeest apr opi edadext ensi va.Losbal ancesdeener gí at i enengr an i mpor t anci aymuyampl i aut i l i zaci ónenpr ocesosi ndust r i al esdondeespr eci socal ent ar ,enf r i aroai sl ar t ér mi cament e,l oqueocur r eenl amayor í adel oscasos.Apart i rdel aecuaci óndeconserv aci óngenér i case pl ant eal aecuaci ónma macr oscópi cagener aldeconser vaci óndel aener gí ayseanal i zanl asdi f er ent esf or masde ener gí aquepuedeposeerunsi st ema ma,asícomol asdi st i nt asf or masenqueést apuedet r ansf er i r se.A cont i nuaci ónsepl ant eanl osbal ancesdeener gí apar asi st emasabi er t osenr égi menest aci onar i o( bal ancesde ener gí amecáni caydeent al pí a)yl osbal ancesdeener gí apar asi st emascer r ados( pr i merpr i nci pi odel a Ter modi námi ca) .

401l_Caracterizacion_de_la_energia.pdf  402l_Equivalencias_de_Energia.pdf  403l_Equivalencias_de_Potencia.pdf  404p_Propiedades_Termodinamicas.pdf  Eemplos_T04p.pdf  Esquema_T04l.pdf 

Balance de Energía Edi t ar0305…

BALANCE DE ENERGÍA

Habitualmente se define la energía como la capacidad de la materia para producir trabajo, pudiendo adoptar distintas formas, todas ellas interconvertibles directa o indirectamente indirectamente unas en otras. El balance de energía al igual que el balance de materia es una derivación matemática de la "Ley de la conservación de la energía" !rimera Ley de La ermodinámica#, es decir "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". El balance de energía es una principio físico fundamental al igual que la conservación de masa, que es

aplicado para determinar las cantidades de energía que es intercambiada y acumulada dentro de un sistema. La velocidad a la que el calor se transmiten depende directamente de dos variables$ la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fríos y superficie disponible para el intercambio de calor.ambi%n influyen otros factores como la geometría y propiedades físicas del sistema y, si e&iste un fluido, las condiciones de flujo.Los fluidos en bioprocesado bioprocesado necesitan calentarse o enfriarse. Ejemplos típicos de ellos son la eliminación de calor durante las operaciones de fermentación utili'ación utili'ando agua de refrigeración y el calentamiento del medio original a la temperatura de esterili'ación mediante vapor. En el siguiente vídeo se e&plica mas a fondo la !rimera Ley de la ermodinámica en la que se basa el (alance de )asa$

*no de los principales intereses del balance de energía es determinar la cantidad de energía que tiene un sistema, sin embargo esta no puede ser determinada, es decir no podemos conocer la energía absoluta en un momento determinado. En realidad lo que nos interesa es conocer los cambios en los niveles de energía que puede e&perimentar e&perimentar un sistema, para lo cual es necesario definir claramente la frontera entre el sistema o sus partes y los alrededores o el entorno. +ttp$youtu.bed-pyrpimc Los objetivos del balance de Energia son$

•

/eterminar la cantidad energía necesaria para un proceso.

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/eterminar las temperaturas temperaturas a las cuales el proceso es mas eficiente.

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/isminuir el desperdicio de energía.

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/eterminar el tipo de materiales y equipos que mejor sean mas eficientes.

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-in embargo el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energ%tico es uno de los mas importantes rubos durante la operación.

DEFINICIONES

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SISTEMA

0ualquier masa de material o segmento de equipo especificados arbitrariamente y en el cual deseamos concentrar nuestra atención. *n sistema se define circundándolo con una frontera. La frontera del sistema no tiene que coincidir con las paredes de un recipiente. oda masa, equipos y energías e&ternas al sistema definido se designan como entorno. -iempre debemos tra'ar fronteras similares al resolver los problemas, pues este paso fija claramente el sistema y su entorno Himmelblau,1223#.

Tipos de Sistemas:

1. 5. 6.

Sistemas Abiertos: son aquellos que intercambian materia y energía con el entorno a trav%s de las fronteras. Ej. 4lla con agua +irviendo.

ermo.

Sistemas Cerrados: son aquellos que solo pueden intercambiar energía con el entorno, pero no materia. Ej.

Sistemas Aislados: son aquellos en los que no se pueden intercambiar ni energía ni materia a trav%s de las fronteras. Ej. (omba 7diabática.

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PROPIEDAD !ariable o Par"metro#$

*na característica de un material que se puede medir presión, volumen o temperatura, masa, etc.# o que se puede calcular, si no se mide directamente ciertos tipos de energía, entalpía, energía interna, numero de moles, etc#. Estas propiedades pueden ser manipuladas o variar indirectamente junto a otras, por lo cual tambi%n se les denomina variables. Las propiedades de un sistema dependen de su condición en un momento dado y no de lo que +aya sucedido al sistema en el pasado. Las propiedades pueden ser$

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Propiedad E%te&si'a$( Es aquella cuyo valor depende de la cantidad de material y es aditiva volumen 8 masa#. Es decir las propiedades e&tensivas se relacionan con la estructura química e&terna9 es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. !or ejemplo$ peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etc%tera.

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Propiedad i&te&si'a$( Es aquella cuyo valor no es aditivo, y no varia con la cantidad de material. Estas tienen que ver más con la estructura química interna de la materia. Ejemplo$ temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración , índice de refracción, densidad, viscosidad, concentración, concentración, pH etc. Las propiedades intensivas pueden servir para identificar y caracteri'ar una sustancia pura, es decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de mol%cula , como, por ejemplo, el agua, que está formada solo por mol%culas de agua H54#, o el a':car, que solo la conforman mol%culas de sacarosa 015H55411#.

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ESTADO

El conjunto dado de propiedades de los materiales en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o la configuración del sistema sino sólo de sus propiedades intensivas como la temperatura, la presión y la composición. El estado suele ser una función de 6 variables independientes$ E ; f  !,,=7 EA !B40E-4- BE70=G4-e calcula con KH ; Bar . KHrG7D  -alida niHi 8 Entrada niHi /onde$  7$ cualquier reactivo o producto n7,r; )oles de 7 que producen o consumen durante el proceso  no necesariamente los moles que se alimentan o que están presentes en el producto # 7$ 0oeficiente estequiometrico de 7 anto A7,r como 7 son valores positivos E.emplo:

E.emplo:

Ejemplo$ El calor estándar de reacción a condiciones normales para la o&idación de amoniaco es de 82QN,V gmol. La reacción Es$ NAH6 g# D Uh+# 88888 NA4 +# D VH54 g# *n reactor se alimenta con 1QQ mol de AH6 por +ora y 5QQ moles de 45+ a 5Uh0. En donde el amoniaco se consume completamente. El flujo se productos sale como gas a 6QQh0. 0alcular el calor trasferido +acia o desde el reactor cuando se trabaja a una presión de 1 atmosfera.

>rado de avance nN48, sal ; nN48 entr J N k1 1QQmol+  N ;k k; 5Umol+ AH6 nO, sal ; AO entr J U k n45, sal ; 5QQmol+ J U5U#

 3Umol+. 45



nAo+#, sal ; nNO+#,entr D N k nA4 g#, sal ; N5U#  1QQmol+ A4 

n4O+#sal ; n4O+# , ent D Vk nH54 g# sal ; V5U#  1UQmol+ H54 

0alcular entalpias Ko5 ; 0p o5# dt ; 5U6QQ V,113 D 6,1V3 & 1Q86  81,QQU & 1Q8V 5# dt ; V,113# 6QQ85U# D 6,1V3 & 1Q86 6QQ85U#5 5 J 1,QQU&1Q8V 6QQ85U#5 6 ;1VX5,13U D 112,3U J V,2VV2 ;132N,2UX calmol KNO ; 5U6QQ V,NNQD5,QV2&1Q86 8 Q,N5QV&1Q8V5# dt ;1XNV,6 calmol K4O ; 5U6QQ 3,16VD5,VNQ&1Q86DQ,QNU2&1Q8V5# dt ;5QV5,Ucalmol Aota$ los estados de referencia se toman a ! y  normales, para ello se +ace cero los reactivos o productos que se encuentran a las condiciones normales. KH ; 1QQmol+ 82QN,VWjmol & 1WcalN,1XNWj &1QQQcal1Wcal N  3Umol+132N,2UXcalmol D 1QQmol+ & 1XNV,6 calmol D 1UQmol+ & 5QV5,Ucalmol \ KH ; 8UNQU11N,35 D [V5XV5V,XU\ cal+

KH ; 8N,X &1QVcal+ user81N16

)*uda + )cerca de + ,log + Precio + Privacidad + T-rminos + Apoyo + Elevar de categoría Contri(utions to $ttp//(meingenieria.iispaces.com/ are licensed under a Creative Commons )ttri(ution $are')lie 3.0 icense. Portions not contri(uted (* visitors are Cop*rig$t 2014 Tangient C

GUÍA 9 DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA  J

 Curso IntersemestralProfesor JUAN ANDRÉS SAND!AL "ERRERA#$U$A$ %&'(Balan)es *e ener+,a )on rea))-.n /u,m-)a 0ERÍA “Las reacciones químicas comúnmente están asociadas a grandes cambios energéticos. Estos cambios suelendesempeñar un papel importante en la economía de unproceso; puede resultar que el calor que se necesita agregartenga un costo mayor que el de los reactivos, o que el calor quese desprende pueda ser utiliado en otro pro ceso.! “ Los cambios en la estructura molecular de la materia queconllevan las reacciones químicas generan cambios en laenergía interna que conducen a la liberaci"n o absorci"n deenergía. ! “Es así, que en las reacciones e#otérmicas la energía requerida para mantener unido los productos de una reacci"n es menorque la que se requiere para mantener unidos los reactivos. $por ende, se libera energía. %or el contrario, en una reacci"nendotérmica se requiere energía, porque la energía requeridapara mantener unidos los productos es mayor a la que serequiere para los reactivos. !

Balan)e *e ener+,a 1ara un 1ro)eso rea)t-2o

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                  

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 

 es el calor de *ormaci"n estándar, a + atm y - /.Entonces, el calor de reacci"n estándar es la di*erencia entre lasuma de los calores de *ormaci"n de reactivos menos la sumade los calores de *ormaci"n de los reactivos, a - / y + atm. $ laentalpía total del proceso, involucra no solamente el calor dereacci"n, sino también la entalpía involucrada en elcalentamiento de los productos y0o en*riamiento de reactivospara llegar a la temperatura estándar, - /. Es decir, si losreactivos entran a una temperatura di*erente a - / se debesumar la entalpía de esos reactivos. $ si los productos salen auna temperatura di*erente a - /, también se suman esasentalpías. %ero la reacci"n se toma a - /.El calor de reacci"n estándar se da por mol de reactivo límite. 1ise duplican, o triplican, las moles, también se debe duplicar otriplicar el calor de reacci"n; es decir, es proporcional a lasmoles de reactivo límite. El calor de reacci"n estándar nodepende prácticamente de la presi"n, pero sí de latemperatura.1i la entalpía, o calor, estándar de reacci"n es

ne+at-2a

, lareacci"n es

E30ÉRMICA , porque el calor de *ormaci"n de losproductos es menor al de los reactivos. Esto involucra unaliberaci"n de energía, gracias a la reacci"n. $ si la entalpía es

1os-t-2a

, la reacci"n es

END0ÉRMICA . Esto conlleva unconsumo de energía para que la reacci"n se dé.En ocasiones, es posible conocer la entalpía de reacci"n sinnecesidad de conocer las entalpías de *ormaci"n, sino ut iliardirectamente ese dato. Esto es muy común para reacciones de combusti"n. )e 2ec2o, en esos casos se 2abla de “calor decombusti"n!, sabiendo que es un calor de reacci"n, pero de esa reacci"n de combusti"n en particular.

PRBLEMAS PRPUES0S

+ . 1e realia la combusti"n de +,34- g de na*taleno 5/ +6 (

7 8en una bomba calorimétrica. La temperatura del agua aumentade 6,+9 / a -,73 /. La cantidad del agua que rodea a labomba es e#actamente 666 g. 1i el calor perdido 2acia laspartes del calorímetro es :666  B( c5/C8 +7/ ' D@93+6 cal0mol. /p co466/ ' 9,6@ cal0mol /; /p C 466/ ' 9,-: cal0mol /; /p F 466/ ' 9,+9 cal0mol /; /p co +66/ ' +,+7 cal 0 mol /; /p C +66/ ' 7,63 cal 0 g /; /p F +66/ ' 9,-7 cal 0 mol /8. RESPUESTA: Q per!o = (-) 4"44#,1 k$%l

4. Gn 2orno quema aceite combustible con aire seco a-6/ y + atm"s*era. El análisis Crsat de los gases decombusti"n arro?a la siguiente composici"n> +,:A de /C  , 4,7Ade C  , y 74,4A de F   5porcenta?es molares8. Hsumiendo que elaceite combustible está compuesto s"lo por / e ( y que su calorde combusti"n es D7666 /al0g, determine> H8 A de e#ceso deaire; I8 /alor perdido en gases si salen a :6/. RESPUESTAS:

A4 %&56%7 *e e8)eso *e a-re$ B4 6:;65%:le  4&

El "#ido nítrico se obtiene por o#idaci"n parcial delamoníaco con aire según>3 F( 4  5g8 J - C   5g8 