Laboratorio 2 - Balance

PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA N°2 BALANCE DE MATERIA SIN REACCION QUIMICA EN TANQUES 1. OBJETIVO 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 del tanque estacionario y del tanque transitorio 





2. FUNDAMENTO TEORICO El balance de materia es un  método matemático utilizado principalmente en Ingeniería Química. Se basa en la ley de conservación de la materia (la materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma), que establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante (excluyendo, las reacciones nucleares o atómicas en las que la materia se transforma en energía según la ecuación de Einstein E=mc2, y la materia cuya velocidad se aproxima a la velocidad de la luz). La masa que entra en un sistema debe salir del sistema o acumularse dentro de él, así:  =  + ó

Un balance de masa o de materiales es una secuencia de cálculos que permite llevar la cuenta de todas las sustancias que intervienen en un proceso de transformación, satisfaciendo la ley de la conservación de la masa, la cual establece que la materia se transforma pero no se crea ni se destruye. Un balance de materia es, pues, una contabilidad de los materiales que toman parte del proceso. Las sustancias pueden entrar, salir, producirse, acumularse o consumirse durante el proceso. Se entiende por proceso cualquier conjunto de operaciones que produce una transformación física o química en una sustancia o en un grupo de sustancias. Todas las sustancias que ingresan en un proceso reciben el nombre de alimentación o entrada, mientras que las que emergen del proceso se llaman producto o salida. Un proceso puede estar constituido por varias unidades de proceso, recibiendo este nombre cualquier aparato o sitio donde se lleve a cabo una operación de transformación. Un proceso puede tener sólo una unidad de proceso. Para realizar los cálculos de balances de masa, es necesario recolectar información bien sea de las cantidades (en masa, en moles o en volumen) de las sustancias participantes o de los flujos de las mismas (velocidades másicas, molares o volumétricas), como también de las composiciones de las mezclas y de las condiciones de operación principalmente las presiones y las temperaturas.

ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE Al hacer el conteo del material que participa en un proceso deben considerarse las entradas y las salidas que atraviesan las fronteras del sistema, las reacciones químicas que suceden pues en ellas se ´presenta consumo y producción de material y la cantidad de éste que se acumula. Por ello, el balance de materiales responde a esta ecuación:

 −  + ó = ó

 



Salida – Entrada: cantidad de propiedad que cruza los límites del sistema en uno u otro sentido por unidad de tiempo. Acumulación: cantidad de propiedad existente en el istema en un momento dado menos la que había en un instantes inmediatamente anterior dividido entre el intervalo de tiempo. Puede ser positiva o negativa, según la cantidad de propiedad contenida en el sistema aumente o disminuya. Producción: cantidad de propiedad que aparece o desaparece dentro del sistema por unidad de tiempo, sin estar presente inicialmente en el sistema y no habiendo atravesado sus límites. Puede ser positiva o negativa según aparezca o desaparezca propiedad. Concretamente en nuestra experiencia la generación es nula.

Si al aplicar esta ecuación se tienen en cuenta todos los componentes de las corrientes del proceso, se realiza un balance total de masa, y si se aplica solamente a alguna sustancia o a algún elemento químico se efectúa un balance parcial de masa. La ecuación anterior, llamada ecuación general de balance de masa, puede ser empleada con unidades correspondientes a velocidades de flujo o a cantidades. En el primer caso el balance de masa corresponde a una unidad de tiempo determinado (una hora, un día, etc) y se aplica a procesos continuos y recibe el nombre de balance diferencial. En el segundo caso el balance corresponde a una determinada cantidad de material procesado o producido, aplicándose, por lo general, a procesos intermitentes y denominándose balance integral. Se hacen las siguientes consideraciones: 



Los términos “material consumido” y “material producido” se aplican en aquellos

casos donde hay reacciones químicas. Todos los cálculos se hacen sobre procesos estacionarios o en régimen permanente y, por ello, el término acumulación siempre vale cero, porque en caso contrario la cantidad de materia en el sistema cambia con el tiempo.

3. MATERIAL Y REACTIVOS            

Sistema de baldes con velocidades establecidas Bureta de 50ml Agitador Soporte de bureta Pipeta de 10ml Vasos precipitados de 250ml Balde graduado en volumen para medir Cronometro Ácido Muriático Agua Hidróxido de Sodio Fenolftaleína

4. PROCEDIMIENTO 

  









1ER EXPERIMENTO Lavar los baldes a usar para retirar cualquier impureza adherida Llenar con 8 L de agua el balde superior , cuidando que la válvula este cerrada Preparar 8 L de solución con 4g/L de ácido muriático (HCl) cuyas características son las siguientes concentración 9.5% de HCl , densidad 1.0456 g/ml. Tomar una muestra del tanque central de 5ml y titular con solución de NaOH 0.1M preparado previamente, usar como indicador fenolftaleína. Luego abrir simultáneamente las válvulas del balde superior y del central a un flujo de 0.4 L / min, respectivamente y agitar constantemente el balde central. Iniciando desde que se abren las válvulas la medición del tiempo mediante un cronometro, tomando 5 ml de muestra de la solución que sale del tanque central cada 4 minutos. Titular con solución de NaOH usando como indicador fenolftaleína para calcular su concentración en g / L Cálculos para la preparación de la solución HCl a la concentración de 4 g / L: Concentración del ácido muriático: 9.5 % Densidad: 1.0456 g / ml 32 g -------- 9.5 % X ----------- 100 % X= 336.54g P=m/v 1.0456 g/ml= 336.54g / v V = 322.15 ml Se añadió 322.15ml de ácido muriático y se completó con agua hasta 8 litros, así se obtuvo la solución con concentración de 4 g/L Fórmula para hallar concentración HCl (practico)

C1 = C2 (gasto) / V1 Fórmula para hallar concentración HCl (teórico)

C1 = Cpractico e-0.4 t / 8

TABLA DE DATOS OBTENIDOS EN EL EXPERIMENTO 1 Tiempo (min) 0 4 8 12 16 20

[] NaOH M 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

Volumen HCl (ml) 5 5 5 5 5 5

Gasto (ml) 17.5 14.5 11.3 9.1 7.1 6.1

[HCl] practico (g/L) 12.7575 10.5705 8.2377 6.6339 5.1759 4.4469

[HCl] teórico (g/L) 12.75 10.43 8.54 6.99 5.72 4.69

Ln [HCl]

GRAFICA CONCENTRACION - TIEMPO 14 12    N10    O    I    C    A 8    R    T    N    E 6    C    N    O 4    C

[HCl] practico [HCl] teorico

2 0 0 min

4 min

8 min

12 min

TIEMPO

16 min

20 min

2.5461 2.3580 2.1087 1.8921 1.6440 1.4922

GRAFICA Ln[HCl] -TIEMPO 25

20

    ] 15     l    H    C     [    n    L

tiempo

10

5

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

TIEMPO



  



2DO EXPERIMENTO Lavar los baldes a usar para retirar cualquier impureza adherida Llenar con 8 L de agua el balde superior , cuidando que la válvula este cerrada Preparar 8 L de solución con 8 g/L de ácido muriático (HCl) cuyas características son las siguientes concentración 9.5% de HCl, densidad 1.0456 g/ml. Tomar una muestra del tanque central de 5ml y titular con solución de NaOH 0.1M preparado previamente, usar como indicador fenolftaleína.







Luego abrir simultáneamente las válvulas del balde superior a un flujo de 0.4 L/min y del balde central a un flujo de 0.47 L / min agitando constantemente el balde central. Iniciando desde que se abren las válvulas la medición del tiempo mediante un cronometro, tomando 5 ml de muestra de la solución que sale del tanque central cada 4 minutos. Titular con solución de NaOH usando como indicador fenolftaleína para calcular su concentración en g / L Cálculos para la preparación de la solución HCl Concentración del ácido muriático : 9.5 % Densidad: 1.0456 g / ml 64 g -------- 9.5 % X ----------- 100 % X= 673.684 g P =m/v 1.0456 g/ml= 673.684 g / v V = 644.3 ml

Se añadio 644.3 ml de acido muriático y se completó con agua hasta 8 litros , asi se obtuvo la solución. Fórmula para hallar concentración HCl (practico)

C1 = C2 (gasto) / V1 Fórmula para hallar concentración HCl ( teorico )

C1 = Cpractico e-0.4 t / 8

TABLA DE DATOS OBTENIDOS EN EL EXPERIMENTO 2 Tiempo (min)

[] NaOH M

Gasto (ml)

Volumen[HCl] (ml)

[HCl] practico g/L

0 4 8

0.1 0.1 0.1

11.9 10.4 8.7

5 5 5

8.687 7.592 6.351

[HCl] teórico g/L 8.687 6.216 4.257

Ln [HCl]

2.162 2.027 1.848

12 16 20

0.1 0.1 0.1

7.2 4.2 3.1

5 5 5

5.256 3.066 2.263

2.885 1.378 0.833

1.659 1.12 0.816

GRAFICA CONCENTRACION-TIEMPO 10 9 8    N 7    O    I    C    A 6    R    T 5    N    E    C 4    N    O 3    C 2 1 0

[HCl] practico [HCl] teórico

1

2

3

4

5

6

TIEMPO

GRAFICA Ln[HCl]-TIEMPO 25

20

15     ]     l    C    H     [    n    L

TIEMPO

10

5

0 0

0.5

1

1.5

TIEMPO

2

2.5

  











3ER EXPERIMENTO Lavar los baldes a usar para retirar cualquier impureza adherida Llenar con 8 L de agua el balde superior derecha, cuidando que la válvula este cerrada Preparar 8 L de solución con 4g/L de ácido muriático (HCl) cuyas características son las siguientes concentración 9.5% de HCl, densidad 1.0456 g/ml. Tomar una muestra del tanque central de 5ml y titular con solución de NaOH 0.1M preparado previamente, usar como indicador fenolftaleína. Luego abrir simultáneamente las válvulas del balde superior derecho a un flujo de 0.4 L/min, el balde superior izquierdo a un flujo de 0.47 L/min y del balde central a un flujo de 0.47 L / min agitando constantemente el balde central. Iniciando desde que se abren las válvulas la medición del tiempo mediante un cronometro, tomando 5 ml de muestra de la solución que sale del tanque central cada 4 minutos. Titular con solución de NaOH usando como indicador fenolftaleína para calcular su concentración en g / L Cálculos para la preparación de la solución HCl : Concentración del ácido muriático: 9.5 % Densidad: 1.0456 g / ml 64 g -------- 9.5 % X ----------- 100 % X= 673.684 g P =m/v 1.0456 g/ml= 673.684 g / v V = 644.3 ml Se añadio 644.3 ml de acido muriático y se completó con agua hasta 8 litros , asi se obtuvo la solución. Fórmula para hallar concentración HCl (practico)

C1 = C2 (gasto) / V1 Fórmula para hallar concentración HCl ( teórico )

C1 = Cpractico e-0.4 t / 8

TABLA DE DATOS OBTENIDOS EN EL EXPERIMENTO 2

Tiempo (min)

[] NaOH M

Gasto (ml)

Volumen[HCl] (ml)

[HCl] practico g/L

0 4 8 12 16 20

0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

16 15.4 14.4 14.1 13.8 13.5

5 5 5 5 5 5

11.664 11.228 10.497 10.279 10.06 9.841

[HCl] teórico g/L 11.664 9.193 7.036 5.641 4.520 3.620

GRAFICA CONCENTRACION-TIEMPO 14 12    N 10    O    I    C    A 8    R    T    N 6    E    C    N    O 4    C

[HCl]practico [HCl]teorico

2 0 1

2

3TIEMPO4

5

6

Ln [HCl]

2.456 2.425 2.351 2.330 2.309 2.287

GRAFICA Ln[CHl] - TIEMPO 25

20

15     ]     l    C    H     [    n    L

Tiempo

10

5

0 2.25

2.3

2.35

2.4

2.45

2.5

TIEMPO

5. NORMAS DE SEGURIDAD Tener mucho cuidado al preparar las soluciones del experimento considere que no se echa agua sobre el acido sino acido sobre el agua De contactar con los reactivos lavarse con abundante agua para evitar quemaduras 6. CUESTIONARIO 





Preparar con los datos de tiempo practico y teorico una grafica de comparación, analizar y comentar lo observado tiempo



Con los datos obtenidos de tiempo y concentración practica, linalizar para determinar el modelo matemático practico y comparado con el modelo matemático teorico.



¿Definir que es acumulación y porque el termino generación se consideran en balance de tanques? ACUMULACIÓN: cantidad de propiedad existente en el sistema e un momento dado menos la que había en un instante inmediatamente anterior dividido entre el intervalo de tiempo. Puede ser positiva o negativa, según la cantidad de propiedad contenida en el sistema aumente o disminuya. GENERACIÓN: cantidad de propiedad que aparece o desaparece dentro del sistema por unidad de tiempo, sin estar presente inicialmente en el sistema y no habiendo atravesado sus límites. Puede ser positiva o negativa según aparezca o desaparezca propiedad. Concretamente en nuestra experiencia la generación es nula.



Un tanque contiene 240 L de agua pura, una solución acuosa de NaCl contiene 0.1 Kg de sal/l y se alimenta al tanque de agua a razón de 12l/min y la mezcla agitada sale del tanque 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.



Un tanque contiene 300 l de agua pura se le suministra una solución de BaSO4 a razón de 10 l/min conteniendo 0.4 Kg de BaSO4 l de solucion y del tanque sale un flujo de 16 l/min a)Halle la concentración de BaSO4 al cabo de t minutos b)Halle la concentración al cabo de 15 minutos