TRABAJO LABORATORIO 2

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BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA EN LA OPERACION UNITARIA DE DESTILACION
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INTRODUCCIÓN
Los ingenieros químicos están presentes en muchos sectores a nivel industrial, desde la industria de transformación tradicional como es el caso de los combustibles, productos farmacéuticos, productos químicos y polímeros, hasta los sectores como minería y extracción de metales. Esta presencia en tantos sectores se debe a la multidisciplinariedad que presenta el ingeniero químico, factor de gran aceptación por la parte empresarial. Tal y como Sinott et al. Muestra, una de las posibles razones es la siguiente: “a partir de una necesidad que presenta la empresa, el ingeniero químico tiene capacidad suficiente para comprender y desarrollar soluciones para un determinado problema, haciendo uso del amplio conocimiento sobre química, física, matemáticas…
 En la resolución del problema, las tareas abarcan desde conocer las especificaciones del diseño objetivo hasta evaluar, optimizar y seleccionar un determinado diseño, con el objetivo de construir y comenzar la operación” .
 Por tanto, es clave que deba tener conocimiento interdisciplinar para la correcta resolución de los problemas o necesidades que presenta cualquier empresa de un sector. En el día a día del ingeniero químico necesita calcular ciertas variables de un proceso que no son conocidas. Y es aquí es donde los Balances de Materia y Energía cogen importancia para la resolución de estas variables. Estos cálculos se basan en la ley de la conservación de la materia y energía que se define como: 
“La materia y energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”. Haciendo uso de este principio, se puede determinar las cantidades necesarias de materia prima y los productos que se han generado en un determinado proceso, además de las temperaturas en cada una de Página 2 de 9 las corrientes. 
Una buena compresión en los cálculos de balances es algo esencial en el diseño de un proceso
Los balances de materia y energía (BMyE) macroscópicos, son una de las herramientas fundamentales con las que cuenta la ingeniería de procesos. Los (BMyE) permiten contabilizar los flujos de materia y energía entre las distintas operaciones de un determinado proceso industrial y sus alrededores, contemplando siempre la sustentabilidad del proceso. 
Los BMyE permiten conocer los flujos másicos de todas las corrientes que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo. Dentro de la Ingeniería de química los BMyE tienen un papel básico en el estudio de la viabilidad de un proceso; permiten obtener la información necesaria para proceder al dimensionamiento de los equipos y la estimación de las necesidades de servicios auxiliares (vapor, aire, refrigeración)
ÍNDICE
MARCO TEÓRICO
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 
Los BMyE se basan en la “Ley de conservación de la materia y la energía”. Rigurosamente hablando, para el caso de reactores nucleares, ésta Ley no debe aplicarse por separado; sin embargo, para la Ingeniería Química, cuyo objeto de estudio son los procesos industriales, se pueden plantear los BMyE por separado
BALANCE DE MATERIA (BM) 
El balance de materia general para un sistema se expresa:
[Entrada de materia] = [Salida de materia] + [Acumulación de materia]
Habrá que analizar, por ejemplo, si todo el proceso o la parte de éste, bajo estudio, es continuo, si hay reacción química, si existe una relación impuesta entre las diferentes corrientes del proceso; según sea el problema para resolver, el balance general de materia se irá modificando. 
BALANCE DE ENERGÍA (BE) 
El Balance de energía es similar al de materia y se expresa: [Acumulación de energía dentro del sistema] = [Transferencia de energía al sistema] - [Transferencia de energía hacia fuera del sistema] - [Consumo de energía dentro del sistema] Sistema, se refiere a cualquier parte del proceso o equipo sobre el cual se establece los (BMyE), se define circundándolo con una frontera, esta frontera no necesariamente tiene que coincidir con las paredes de un recipiente, la frontera se debe fijar claramente entre el sistema y su entorno. Un sistema puede ser cerrado o abierto, con flujo o sin flujo
Planteamiento de los BM en el PFC
El primer paso para plantear los BM a un proceso determinado, consiste en, sobre el diagrama de bloques del mismo, plasmar toda la información de la que se disponga, que básicamente será:
1. Caudales de las corrientes
2. Composición de las corrientes
3. Otras relaciones o restricciones conocidas
Aunque es aconsejable analizar si el sistema está o no determinado, y el número de grados de libertad, en caso de que no lo esté, siempre se conocerá la cantidad por hora de producto final a fabricar, ya que este dato viene dado por la capacidad de producción que ha debido quedar establecida en el Estudio de Mercado. A partir de dicho dato se pueden emplear varias estrategias para plantear los balances, aunque no siempre serán todas posibles, o incluso lo será sólo una (en general no suele ser posible hacer todos los balances secuencialemente):
1. Resolver el balance al proceso global, y con los datos obtenidos plantear el balance a la primera unidad, e ir resolviendo secuencialmente, cuando sea posible.
2. Tomar como base de cálculo (variable de diseño) el caudal de materia prima (si hay varias se escogería la principal o una de ella), y resolver secuencialmente el proceso hacia delante, empezando por la primera unidad, aunque luego habría que cambiar la escala para que la capacidad de producción sea la deseada.
3. Comenzar a plantear y resolver los balances secuencialmente y hacia atrás, empezando por la última de las unidades de proceso, si fuera posible.
En general el planteamiento y la resolución de los BM exige “manipular” y trabajar con la información disponible, ensayando distintas estrategias, hasta llegar a una solución aceptable y físicamente coherente, pues en ningún caso podrá salir del sistema más materia de la que entra o viceversa.
Balances de Energía (BE)
Los BE son normalmente algo más complejos que los de materia, debido a que la energía puede transformarse de unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos, también son imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en cualquier caso habrá que asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los efectos térmicos de la reacción sean importantes. En reacciones bioquímicas dichos efectos no suelen ser muy significativos, así que se podrán ignorar en el dimensionamiento preliminar de los fermentadores o reactores enzimáticos, siempre que se justifique.
Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la mayoría de los otros equipos, y a efectos de dimensionamiento preliminar, la llamada ecuación de las entalpías, que se incluye a continuación, suele ser suficiente para su planteamiento.
Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del sistema, He y Hs las entalpías de los mismos, y Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad calorífica, y una temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase también habrá que considerar el calor latente. Para el vapor de agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua saturado o recalentado, disponibles en bibliografía o incluso en aplicaciones on-line.
Operaciones Unitarias 
Son las partes o unidades de un proceso, en las que no serealizan cambios químicos sino solamente físicos. Estos cambios pueden ser de fase, contenido energético y composición. Ejemplos: mezclado, secado, destilación, evaporación, calentamiento, enfriamiento, humidificación, centrifugación, condensación, absorción, adsorción, lixiviación, transporte de fluidos y operaciones de sólidos. Una clasificación detallada basada en el principio de separación (mecánico, equilibrio, velocidad), así como en la heurística de selección de acuerdo con la naturaleza de las mezclas que se quieren separar se encuentra en Murphy (2007). Así mismo, en el curso de Equilibrio de Fases se explican en profundidad algunas operaciones como la evaporación y destilación.
Balance de materia en operaciones unitarias simples
 En toda operación unitaria, así como también en los procesos químicos, se debe cumplir la ley de conservación de la materia. Dicha ley enuncia que toda la masa que entra a un sistema debe salir. No significa que salga intacta, porque puede cambiar su apariencia, estado o composición; pero se mantienen las mismas lb, kg, onzas, o cualquier otra unidad de masa. Los moles se conservan siempre y cuando no haya reacción química, como se verá en otro capítulo. Acá los balances se basan en ese principio que podría formularse así: “Masa que entra por las corrientes - Masa que sale por las corrientes = Masa acumulada en el sistema” Si no hay acumulación ni des acumulación (cuando se desocupa un equipo), el proceso se realiza en estado estacionario, sin cambio de la masa que está dentro del sistema con el tiempo. Las plantas industriales operan en continuo, esto significa que el proceso en cada parte de esa planta se realiza en estado estacionario.
 Determinación de los grados de libertad de un problema 
De forma sencilla se enuncia así:
El número de ecuaciones de balance independientes corresponden al número de componentes individuales del problema. Sin embargo, en el proceso de cálculo se puede plantear la ecuación de corrientes o ecuación global, más n-1 ecuaciones de n componentes, siendo n el número de componentes. 
Ecuaciones adicionales son todas aquellas que no sean de balance, pero tampoco correspondan a ecuaciones de estado, la ecuación de Antoine o a conversión de unidades. Son, por ejemplo, relaciones entre corrientes o entre componentes del tipo de porcentaje de recuperación, porcentaje de eliminación, moles de A sobre moles de B, entre otros.
 Se caracterizan porque no podemos escribir sus valores en el diagrama y generalmente dan una ecuación de dos términos, uno a cada lado del signo igual, lo que indica que se deberían resolver primero que las otras ecuaciones. 
Si los grados de libertad dan cero, el problema tiene una única solución directa. Si dan uno y no se conoce la masa o el flujo de ninguna corriente, se puede tomar una base de cálculo y resolver. Si dan más de uno, hay más incógnitas que ecuaciones y no se pueden resolver. Si dan menos de cero, hay más ecuaciones que incógnitas y puede que esté mal planteado o que tenga infinitas soluciones.
Operación Unitaria de Destilación
· Una operación unitaria o un proceso unitario también se puede dividir de la siguiente forma:
Continuos (o Flow) :en este caso, en cada etapa las materias primas o los reactantes entran en forma continua al equipo y los productos también lo hacen de la misma forma.
Discontinuos (o Batch ): en este caso, el equipo se carga con la alimentación, se realiza la operación o el proceso y luego se descarga el producto.
Una operación o proceso unitario continuo puede operar de dos formas:
· En Estado estacionario: Cuando todos los parámetros que definen las corrientes que llegan o salen del equipo, como así también los que controlan el equipo( temperatura, presión, caudal, PH, etc. ) no varían con el tiempo.
· En estado no estacionario: cuando los parámetros mencionados anteriormente varían con el tiempo, esta situación normalmente suce3de cuando se pone en marcha (o se para) una planta o un equipo determinado.
Tipos de destilación
La destilación puede llevarse a cabo de muchas modos, distinguiéndose dos tipos básicos de operación :
Destilación sin reflujo o simple y destilación con reflujo, comúnmente llamada rectificación:
· Destilación simple
· Destilación súbita o flash
· Destilación con reflujo o rectificación
Destilación Simple
En química, se llama destilación simple o destilación sencilla a un tipo de destilación donde los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual lo refresca y condensa de modo que el destilado no resulta puro. 
Destilación súbita o flash
La destilación flash es un proceso de destilación que ocurre de manera instantánea o súbita. Ocurre cuando una mezcla multicomponente o binaria en equilibrio termodinámico líquido-vapor, experimenta una expansión o disminución de la presión o un cambio en la temperatura de operación. De manera, que se vaporiza inmediatamente una de las fases ocurriendo una separación instantánea, quedando los componentes más volátiles en la fase gaseosa y los más estables en la fase líquida.
Destilación con reflujo o rectificación
La rectificación es una destilación con enriquecimiento de vapor y es el tipo más empleado en la práctica para separar líquidos volátiles en la industria, debido a la facilidad con que se consigue el enriquecimiento progresivo del vapor y del líquido en los componentes respectivos.
Columna de destilación
Las columnas de destilación son utilizadas para separar mezclas, aprovechando la diferencia de los puntos de ebullición que existen en los componentes de las mismas.
Cuando las diferencia entre los puntos de ebullición son grandes, se utiliza una Columna de Destilación simple.
Pero cuando estos valores son muy cercanos, se debe emplear una Columna de Destilación Fraccionada.
Para asegurar un adecuado contacto entre el vapor y el líquido se han diseñado varios dispositivos y el líquido se han diseñado varios dispositivos de laboratorio o industrias basadas en dos criterios:
· Columnas de contacto continúo entre vapor y líquido o columnas de relleno.
· Columnas de contacto por etapas o columnas de platos.
Columnas de relleno
Son columnas de relación diámetro altura normalmente baja, llena en su interior de elementos sólidos pequeños, en relación con el diámetro de la columna. Estos elementos de relleno son inertes a las fases circulantes y están distribuidos al azar u ordenadamente. La corriente de líquido al caer sobre ellos se rompe en pequeñas corrientes y se pone en contacto íntimo con el vapor que circula en sentido contrario. Hay muchos tipos de rellenos comerciales, y entre otras características se persigue que tenga una elevada área superficialpor unidad de volumen, poco peso, buena resistencia mecánica y que los elementos no se comparten entre sí.
Columnas de platos
Los platos son superficies planas que dividen las columnas en una serie de etapas. Tienen por objeto retener una cierta cantidad de líquido en su superficie a través de la cual se hace burbujear el vapor que asciende de la caldera consiguiendose así un buen contacto entre el vapor y el líquido.
El líquido del plato cae el plato inferior por un robosaderl situado en un extremo del plato. Según la forma del dispositivo que permite el paso del vapor a través del líquido, se distingue entre platos perforados ( con simples agujeros ), platos de campanas y platos de válvulas. En los platos normalmente no se llega a alcanzar el equilibrio entre el líquido y el vapor que abandona el plato, es decir, la eficiencia del plato no es del 100. Un plato ideal o teórico es aquel en el que se alcanza el equilibrio entre las corrientes que salen del plato
Equipos Utilizados
- Torre de destilación
- Calentador fuego directo con aprovechamiento de calor en zonas de conversión
- Calentador a fuego directo, en proceso
- Calentador a fuego directo, tipo caja
- Calentador a fuego directo, tipo vertical
- Post enfrentamiento de aire
- Ciclón
- Tolva
- Polipasto
- Chimenea
- Centrífugadora
Ecuaciones de Balancede materia y energía
Balance de Materia:
(Entrada del componente) + ( Generación Neta del componente) = ( Salida del componente) + ( Acumulación del componente)
Balance de Energía: 
(Acumulación de energía dentro del sistema) = ( Transferencia de energía al sistema a través de su frontera) x ( Transferencia de energía hacia afuera del sistema através de su frontera) + (Generación de energía dentro del sistema) x ( Consumo de energía dentro del sistema)
Descripción esquemática del balance de Materia y energía
Las columnas de destilación son un tipo de operaciones de separación que un ingeniero químico debe conocer y controlar ya que permiten la separación de uno o varios componentes de una mezcla líquida o gaseosa haciendo uso de un líquido o vapor que se ha generado mediante calefacción o enfriamiento de la mezcla original.
 Una columna de destilación se puede diferenciar tres sectores:
 La zona de alimentación: es donde se introduce el flujo de la mezcla a separar. La zona de agotamiento: es el sector inferior situado por debajo de la zona de alimentación. Aquí es donde el producto líquido va hacia el fondo y hacia arriba va el reflujo del vapor generado por el calderín. 
 La zona de enriquecimiento: sector superior situado por encima de la zona de alimentación. Tiene lugar el enriquecimiento del vapor que proviene del condensador. En la Figura 1 se muestra el esquema de una columna de destilación con sus respectivos componentes.
CONCLUSIÓN
Los balances de materia Y energía es un método de resolución muy efectivo aplicable a muchos procesos industriales. El ejercicio resuelto es un problema típico de ingeniería química, donde las columnas de destilación tienen un papel importante. Se ha hecho la resolución mediante balances de materia, mostrando una metodología paso a paso para obtener una correcta resolución. La ventaja de esta metodología es que se puede aplicar para la resolución de cualquier proceso involucrado en ingeniería química.
BOBLIOGRAFÍA
https://blog.utp.edu.co/balances/files/2015/02/LIBRO-BME2015-1.pdf
https://www.monografias.com/trabajos-pdf5/balances-masa-y-energia-evaluacion-produccion-ferrocromo-y-escoria/balances-masa-y-energia-evaluacion-produccion-ferrocromo-y-escoria
https://www.ugr.es/~aulavirtualpfciq/BMyBE.html#:~:text=Los%20balances%20de%20materia%20y,distintas%20operaciones%20que%20lo%20integran.
Es una operación que consiste en separar dos o más componentes de una mezcla líquida, aprovechando las diferencias en sus presiones de vapor.
La mezcla Líquida desprenderá vapores más ricos en componentes volátiles. Cuando la mezcla a destilar contiene sólo dos componentes se habla de destilación binaria, y si contiene más, recibe el nombre de destilación multicomponente.