Presentación 3. Base de Cálculo

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA BASE DE CÁLCULO

Oscar Javier Medina González Ingeniero Químico Magíster en Ingeniería Ambiental

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

¿qué fecha cumple años el profe Oscar? Un reloj de manecillas con la hora militar que se adelanta 1 minuto por hora empieza a funcionar a las 12 del día jueves 15 de abril. El reloj volverá a marcar la hora correcta el día del cumpleaños del profe ¿Cuál es la fecha del cumpleaños? A) 14 de julio B) 14 de junio C) 14 de agosto D) 15 de julio E) 20 de agosto 2

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Un policía quiere infiltrarse en una guarida de ladrones, ellos tienen un código para poder ingresar. El primer ladrón golpea la puerta y desde adentro le dicen 8 y él responde 4, llega el segundo, vuelve a golpear y le dicen 14 y él responde 7, llega el tercero vuelve a golpear y le dicen 1, él responde 3. Finalmente el policía infiltrado se atreve a golpear y le dicen desde adentro 0. ¿Qué debería responder el policía para poder ingresar sin ser descubierto?

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BASE DE CÁLCULO Normalmente, los cálculos relacionados con un problema dado de balance de materia y energía se establecen con respecto a una cantidad o valor específico de una de las corrientes de materiales que entran o salen al proceso. Esta cantidad de materia/valor se designa como BASE DE CÁLCULO y, generalmente, es necesario establecerla en las primeras etapas en la solución del ejercicio. 4

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BASE DE CÁLCULO Generalmente, el planteamiento del problema da una guía sobre la base de cálculo a seleccionar. Por ejemplo: • Si se conoce la • Unidades composición másica de másicas una corriente: • Si se conoce la composición molar de una corriente:

100 kg de mezcla 100 g de mezcla 100 lb de mezcla 100 kgmol de mezcla 100 gmol de mezcla 5

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EJEMPLO 1. BASE DE CALCULO

Una mezcla de alcohol etílico y agua contiene 80% en volumen de alcohol a 15.5ºC y su densidad relativa, la de la mezcla, es 0.8638 ¿Cuál será el porcentaje en peso de alcohol etílico? Asuma que los volúmenes del alcohol y el agua son aditivos.

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EJEMPLO 1. BASE DE CALCULO Una mezcla de alcohol etílico y agua contiene 80% en volumen de alcohol a 15.5ºC y su densidad relativa (la de la mezcla) es 0.8638. ¿Cuál será el porcentaje en peso de alcohol etílico?. Asuma que los volúmenes del alcohol y el agua son aditivos.

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EJEMPLO 1. BASE DE CALCULO Una mezcla de alcohol etílico y agua contiene 80% en volumen de alcohol a 15.5ºC y su densidad relativa (la de la mezcla) es 0.8638. ¿Cuál será el porcentaje en peso de alcohol etílico?. Asuma que los volúmenes del alcohol y el agua son aditivos.

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EJEMPLO 2. BASE DE CÁLCULO

Una solución acuosa de sulfato férrico, Fe2(SO4)3, contiene 16% en peso de sulfato férrico y la densidad relativa de esta es de 1,1409. Determinar la concentración molar del Fe2(SO4)3 en lbmol/pie3 de solución y la molaridad (gmol de soluto/l de solución). 9

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EJEMPLO 2. BASE DE CALCULO Una solución acuosa de sulfato férrico, Fe2(SO4)3, contiene 16% en peso de sulfato férrico y la densidad relativa de dicha solución es 1,1409. Determinar la concentración molar del Fe2(SO4)3 en lbmol/pie3 de solución y la molaridad (gmol/l de solución).

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EJEMPLO 2. BASE DE CALCULO Una solución acuosa de sulfato férrico, Fe2(SO4)3, contiene 16% en peso de sulfato férrico y la densidad relativa de dicha solución es 1,1409. Determinar la concentración molar del Fe2(SO4)3 en lbmol/pie3 de solución y la molaridad (gmol/l de solución).

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BASE SECA, BASE HUMEDA Y BASE LIBRE DE UN COMPONENTE Se dice que un material es húmedo cuando el agua es uno de sus componentes. La composición que incluye el agua se dice que es en BASE HÚMEDA. Cuando en la composición se excluye el agua, pero está presente en el material, se dice que está en BASE SECA.

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BASE SECA, BASE HÚMEDA Y BASE LIBRE DE UN COMPONENTE Ejemplo: Composición de un carbón: BASE SECA Carbono fijo: 50.6 % Materia volátil: 33.7 % Ceniza: 15.7%

BASE HUMEDA Carbono fijo: 45% Materia volátil: 30% Ceniza: 14% Humedad: 11% 14

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BASE SECA, BASE HÚMEDA Y BASE LIBRE DE UN COMPONENTE En algunas operaciones, como la deshidratación de lodos, se acostumbra a expresar el contenido másico de humedad por unidad de peso de sólido seco o por unidad de peso de sólido húmedo. A está composición multiplicada por 100 se le denomina composición porcentual de humedad en base seca y en base húmeda, respectivamente.

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BASE SECA, BASE HÚMEDA Y BASE LIBRE DE UN COMPONENTE Para algunas mezclas, generalmente gaseosas, la composición se da sin tener en cuenta uno de los componentes. En este caso, dicho componente no aparece en los porcentajes, aunque sí está presente en la mezcla, y se dice que la composición de la mezcla esta libre de ese componente.

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EJEMPLO 1. BASE HÚMEDA Y SECA

La ceniza producida en un incinerador de residuos no peligrosos sale libre de humedad, pero después al analizarla se encontró que tenía la siguiente composición en peso: Fe 2O3 8,5%, Al2O3 8,0%, CaO 11,1%, SiO2 54,6% y H2O 17,8% ¿Cuál era el porcentaje en peso del Fe2O3 y el SiO2 al salir del horno? 17

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EJEMPLO 1. BASE HÚMEDA Y SECA

La ceniza producida en un incinerador de residuos no peligrosos sale libre de humedad, pero después al analizarla se encontró que tenía la siguiente composición en peso: Fe2O3 8,5%, Al2O3 8,0%, CaO 11,1%, SiO2 54,6% y H2O 17,8% ¿Cuál era el porcentaje en peso del Fe2O3 y el SiO2 54,6% al salir del horno?

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EJEMPLO 2. BASE LIBRE DE UN COMPONENTE

Los gases que salen de un quemador de azufre tienen la siguiente composición molar en base libre de SO3: SO2 9.67%, O2 8.46%, y N2 81.87%. Se sabe también que hay 6.08 g de SO3 por cada 100 g de gas libre de SO3 ¿Cuál es el porcentaje molar de SO3 en la mezcla de los 4 gases?

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EJEMPLO 2. BASE LIBRE DE UN COMPONENTE

Los gases que salen de un quemador de azufre tienen la siguiente composición molar en base libre de SO3: SO2 9.67%, O2 8.46%, y N2 81.87%. Se sabe también que hay 6.08 g de SO3 por cada 100 g de gas libre de SO3 ¿Cuál es el porcentaje molar de SO3 en la mezcla de los 4 gases?

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EJEMPLO 3. BASE HÚMEDA – BASE SECA Convertir: a) 15% de agua en base seca a base húmeda b)

60% de agua en base húmeda a base seca.

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EJEMPLO 3. BASE HÚMEDA – BASE SECA Se mezclan 150 lb de un sólido húmedo que contiene 75% de agua en base seca con 18 lb de agua ¿Cuál es el porcentaje de agua en la mezcla resultante en base seca y en base húmeda?

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EJEMPLO 3. BASE HÚMEDA – BASE SECA Se mezclan 150 lb de un sólido húmedo que contiene 75% de agua en base seca con 18 lb de agua ¿Cuál es el porcentaje de agua en la mezcla resultante en base seca y en base húmeda?

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EJERCICIOS BASE DE CALCULO – BASE HÚMEDA

1. Un gas tiene la siguiente composición molar: O2 10%, N2 75% y CO 15%. Calcular: a) El peso molecular medio. b) La composición en peso.

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EJERCICIOS BASE DE CALCULO – BASE HÚMEDA

2. Para cálculos de combustión, el aire se toma con la siguiente composición molar: O2 21% y N2 79%, ¿Cuál es su composición en peso? 3. Una mezcla de oxígeno y nitrógeno tiene un 53% en peso de oxígeno, ¿Cuál es la fracción molar de N2? 25

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EJERCICIOS BASE DE CALCULO – BASE HÚMEDA 4. El análisis de un gas es: CO 60% molar, C2H4 10% molar y H2 30% molar. ¿Cuál es el peso molecular medio y cuál es la composición en peso del gas? 5. Una solución acuosa de H2SO4 contiene 40% molar de ácido y fluye hacia un tanque de proceso con un caudal 26de 10 m3/min. Si la densidad relativa de la solución es 1,13 ¿Cuántos kg/s de H2SO4 libres de agua se alimentan al tanque?

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EJERCICIOS BASE DE CALCULO – BASE HÚMEDA 6. Convertir: a) 5% de agua en base seca a base húmeda b) 75% de agua en base húmeda a base seca. 7. Se mezclan 1000 g de un material húmedo que contiene 60% de agua en base seca con 270 g de agua. ¿Cuál es el porcentaje de agua en la mezcla resultante en base seca y en base húmeda? 27

¿preguntas?

Gracias por la atención .