BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO DE PROBLEMAS AMBIENTALES Prácticas De Laboratorio Pre- informe
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Universidad Nacional Abierta y a Distancia- UNAD Tecnología en Saneamiento Ambiental Abril, 201 Bogota, DC
TEMA 1. BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA Marco Teórico Un balance de materia para un proceso industrial es la contabilidad exacta de los materiales que intervienen en el mismo, constituyendo así la más amplia aplicación de la ley de la conservación de las masas. “Ley de conservación de la materia. La masa de un sistema permanece invariable cualquiera que sea la transformación que ocurra dentro de él; esto es, en términos químicos, la masa de los cuerpos reaccionantes es igual a la masa de los productos en reacción. Así fue enunciada en el año 1745, Mijaíl Lomonosov. En el mismo año, y de manera independiente, el químico Antoine Lavoisier propone que “la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Es por esto que muchas veces la ley de conservación de la materia es conocida como ley de Lavoisier-Lomonosov.” La energía está asociada a la vida de las personas. Gracias a ella, somos capaces de calentar, iluminar, desplazar o producir fuerza. La energía se obtiene a partir de fuentes o recursos energéticos como pueden ser el sol, el viento, el agua, el carbón, el petróleo o el gas. Estas fuentes energéticas se denominan energías primarias, ya que son recursos naturales que no se han sometido a ningún proceso de transformación. Cuando se utiliza la calefacción o el agua caliente o se encienden las luces, se realiza consumo de energía útil. Se dispone de esta energía útil gracias a las denominadas energías finales, que son aquellas que se ponen a disposición del consumidor para su aprovechamiento (electricidad, gas,…). En los procesos químicos ocurre algo similar, Normalmente la energía que se consume en un proceso no es la misma que requiere el proceso, sin embargo, las pérdidas de energía hacen que el consumo sea mayor. Ej. Una reacción requiere 500 kJ para que ocurra, pero el sistema debe calentarse a 200 °C y en este proceso se tienen perdidas de calor hacia los alrededores del sistema de 400 kJ. Ete tipo de situaciones es muy común en sistemas y procesos químicos. En este capítulo estudiaremos diferentes tipos de balance de energía y balance de materia y energía combinados. Al final del capítulo haremos una breve introducción al balance de materia y energía en reactores químicos. Objetivos de la Práctica OBJETIVO GENERAL Estudiar los cambios que ocurren en procesos de separación de mezclas sin reacción química y verificar la ley de la conservación de la materia. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar las propiedades físicas de sustancias puras y mezclas. Realizar balances de materia sin reacción química. Verificar la ley de la conservación de la materia.
Materiales y Reactivos
1. 2. 3. 4. 5.
2 probetas graduadas de 100 ml. 2 probetas graduadas de 50 ml. 50 ml de agua destilada. 30 ml de alcohol etílico. Solución A, B, C, D, E, F, G.
Metodología y Diagramas de Flujo de los Procesos En una
Practica a. MEZCLA DE ALCOHOL ETÍLICO CON AGUA En una
Probeta graduada de 50 ml
Probeta graduada de 100 ml
Probeta graduada de 100 ml
Colocar
25 ml de agua destilada
Colocar
10 ml de alcohol etílico
Añadir 20 ml de alcohol etílico
Verter 25 ml de agua destilada
Determine
La masa de agua (solución A)
Probeta graduada de 50 ml
Determine
La masa de alcohol (solución B)
La masa de agua destilada (solución D)
Mezclar las soluciones A y B
Determinar la masa de alcohol (solución E)
Mezclar las soluciones D y E
Determine
Determine
La masa, el volumen y la densidad de la solución resultante (solución C)
La masa, el volumen y la densidad de esta mezcla resultante (solución Mezclar las soluciones C y F (solución G) Determine
La masa, el volumen y la densidad de la solución resultante (solución G)
TEMA 2. BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA Marco Teórico Previo a introducirnos en el tema vamos a recordar (y aprender) conceptos básicos relacionados a las reacciones químicas. 1) Estequiometria: Se refiere a la proporción en que se combinan ciertos reactivos para dar los productos. Ej: 2A + B → C + 3D Significa: 2 mol de A + 1 mol B → 1 mol C + 3 mol D O sea que la relación estequiométrica: mol A/mol B = 2, es decir, siempre será necesario el doble de moles de A que de B para que se produzca la reacción. Cociente estequiométrico: mol A/ mol B = relación de coeficientes estequiométricos. Coeficiente estequiométrico: es el nº mínimo de moles de 1 especie dada que debe ponerse en juego en una reacción química para asegurar el balance atómico. Los números que preceden a cada especie molecular son los coef. Estequiométicos y los denominamos con la letra griega ν, o sea el coef. Esteq. De A → ν A= 2 Otra lectura de la ecuación estequiométrica referida los productos es: se consumen 2 mol de A para producir 3 mol de D. 2) Conversión (α): Ya hemos visto en Química General que una reacción química no necesariamente se produce en un instante y también que no necesariamente se produce en su totalidad; es decir que no desaparecen totalmente los reactivos y sólo obtengo productos al terminar la reacción. En otras palabras, no es práctico diseñar un reactor que consuma totalmente los reactivos. 3) Exceso: Recordemos el concepto de reactivo limitante: es el reactivo que desaparece cuando se lleva a cabo una reacción. Ej: 2A + B → C + 3D Ingreso: 200 moles A + 150 moles B Podemos ver que en caso que la reacción se produzca totalmente se consumirá todo el A y sobrarán 50 moles de B. O sea A es el reactivo limitante. El o los reactivos que no son limitantes (en este caso, B) se conoce como reactivo en exceso. 4) Grado de Avance (ξ): Es una medida de la extensión en que se ha completado la reacción química consumiendo los reactivos. Es una variable dimensional, cuyas unidades pueden ser: mol, lbmol, etc. Veamos un ejemplo: Ejemplo 11 2A + B → C + 3D Supongamos que parto de proporciones estequiométricas de reactivos y a la salida del reactor.
Objetivos de la Práctica OBJETIVO GENERAL Estudiar los cambios que ocurren en reacciones químicas OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar la propiedades físicas de reactivos y productos de diferentes reacciones químicas. Clasificar las reacciones químicas según los cambios ocurridos en cada sistema. Realizar balance de materia con reacción química.
Materiales y Reactivos 1. 4 vasos de precipitados de 50 ml 2. Un disco de papel filtro (debe determinar la masa del papel filtro seco) y colocarlo a 3. Un embudo de plástico 9 4. Soporte universal con aro metálico 5. un horno secador. 6. 40 ml de agua destilada. 7. 0.1 g y 0.25 g de cromato de potasio. 8. 0.35 g de nitrato de plomo. Metodología y Diagramas de Flujo de los Procesos . Práctica c. REACCIONES DE PRECIPITACIÓN
En
Dos vasos de precipitados de 50 ml
Dos vasos de precipitados de 50 ml Vierta
20 ml de agua destilada
20 ml de agua destilada Adicione
0.1 g y 0.25 g de cromato de potasio
0.35 g de nitrato de plomo
Verter
Las soluciones de cromato de potasio a las de nitrato de plomo
Utilizar un disco de papel filtro
(Debe determinar la masa del papel filtro seco) y colocarlo a un embudo de plástico 9)
Armar el soporte universal con aro metálico donde se instala el embudo y el papel filtro
Secar el precipitado en el papel filtro en un horno secador.
Filtrar por separado los productos obtenidos.
Determinar la masa del precipitado
TEMA 3. BALANCE DE ENERGIA Marco Teórico Habitualmente se define la energía como la capacidad de la materia para producir trabajo, pudiendo adoptar distintas formas, todas ellas interconvertibles directa o 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" (Primera Ley de La Termodinámica), 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. También influyen otros factores como la geometría y propiedades físicas del sistema y, si existe un fluido, las condiciones de flujo. Los fluidos en bioprocesado necesitan calentarse o enfriarse. Ejemplos típicos de ellos son la eliminación de calor durante las operaciones de fermentación utilización utilizando agua de refrigeración y el calentamiento del medio original a la temperatura de esterilización mediante vapor.
Uno 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 experimentar un sistema, para lo cual es necesario definir claramente la frontera entre el sistema o sus partes y los alrededores o el entorno. Los objetivos del balance de Energía son:
Determinar la cantidad energía necesaria para un proceso.
Determinar las temperaturas a las cuales el proceso es más eficiente.
Disminuir el desperdicio de energía.
Determinar el tipo de materiales y equipos que mejor sean más eficientes.
Sin embargo el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energético es uno de los más importantes rublos durante la operación.
Objetivos de la Práctica OBJETIVO GENERAL Estudiar los cambios que ocurren en procesos con consumo o generación de energía. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Identificar propiedades físicas de sustancias puras. Realizar balances de energía. Verificar la ley de la conservación de la energía Materiales y Reactivos
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Un vaso de precipitados 50 g de agua líquida. Un recipiente resistente al calor 5 g de gasolina. Un mechero. Diesel y etanol
Metodología y Diagramas de Flujo de los Procesos . Practica a. COMBUSTIÓN
Un vaso de precipitados pese exactamente 50 g de agua líquida
En un recipiente resistente al calor pese exactamente 5 g de gasolina
Inmediatamente se apague la llama de la combustión de la gasolina
Mida la temperatura a la que se encuentra el agua.
Con la ayuda de un mechero incinere la gasolina de tal forma que la mayor parte de calor desprendido por la combustión sirva para calentar el vaso de precipitados que contiene los 50 g de agua
Mida la temperatura del agua.
Deje enfriar hasta temperatura ambiente y mida la masa de agua en el recipiente.
Realice los balances de masa y energía
Repita las actividades 1 a 5 empleando diesel y etanol como combustibles.
(con ayuda de tablas termodinámicas determine la capacidad calorífica de la gasolina).
Calcule la masa de agua perdida por evaporación. ¿Se ajustan los balances de energía? ¿si? ¿no? ¿Por qué?
Bibliografía O. JIMÉNEZ.2012. Capítulo 4. Balance de Materia en Sistemas No Reaccionantes. Balance másico y energético en problemáticas ambientaleshttp://datateca.unad.edu.co/contenidos/358081/ContenidoLine a/unidad_2_balance_de_materia.html.
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