CONCEPTOS BÁSICOS DE BALANCES DE MASA Y ENERGÍA CAPÍTULO 3 CONCEPTOS BÁSICOS DE BALANCES DE MASA Y ENERGÍA Narración : este capítulo revisará los conceptos básicos de balances de masa y energía.

Balance de Masa mcv = mi - me = - Variaciones de masa contenida en el volumen de control al tiempo “t” Flujo total de masa entrando al sistema al tiempo “t” Flujo total de masa dejando el sistema al tiempo “t” = - mcv = mi - me Narración : La siguiente ecuación describe los cálculos de balance de masa. Esta expresión incluye velocidades de entrada y salida, así como velocidadeds de descomposición y acumulación. Donde : mcv : cambio de masa¿ mi : entradas me: salidas

Ejemplo : Balance de Masa Balance de Masa para un sistema con reacción química Un aceite combustible es analizado y se encuentra que contiene 87% en peso de carbono, 11% de hidrógeno y 1.4% de azufre, mientras que el resto es material no combustible (inerte). El aceite es quemado con 20% de exceso de aire (en base a la combustión completa del carbono a CO2, el hidrógeno a H2O, y el azufre a SO2). El aceite es quemado completamente, pero 5% del carbono forma CO en vez de CO2. Calcula la composición molar del gas exhausto que deja el quemador.

Ejemplo: Balance de Masa Narración : Esta diapositiva demuestra como excel puede ser usado para resolver este problema en vez de hacerlo manualmente. NOTE : INPUT RATE = Qs * Cs + Qw * Cw OUTPUT RATE = Qm * Cm = (Qs + Qw) * Cw DECAY RATE = KCV INPUT RATE = OUTPUT RATE + DECAY RATE

Balance de Energía para Sistemas Cerrados Principio de conservación de la energía: ENRADA SALIDA Energía Neta transferida a través de los límites del sistema por transferencia de calor al sistema Energía Neta transferida a través de los límites del sistema por el trabajo hecho por el sistema Variación del intervalo de tiempo de la energía total en un sistema = - Narración : Para efectuar un balance de energía en un sistema cerrado, uno debe tener en mente el principio de conservación de energía. Si la energía no entra ni sale del sistema, la variación de la energía total permanecerá como 0, sin embargo si existe una diferencia, la variación la indicará, así como indicará en que dirección fluye la energía.

Variación Total de Energía KE + PE + U = Q – W Donde :  KE = Cambio de energía cinética  PE = Cambio de Energía Gravitacional Potencial  U = Cambio de Energía Interna Q = Calor W = Trabajo Narración : Esta ecuación, basada en la primera ley de la termodinámica, permite a cualquiera calcular los flujos de energía dentro de límites determinados. All parameter mentioned above, are in Joules, Btu or Calories.

Características de los Cálculos de Balance de Energía – W es el trabajo transferido de los alrededores al sistema. + Q es la energía calorífica trasferida dentro del sistema desde los alrededores. Por lo tanto : + W es el trabajo hecho por el sistema y liberado en los alrededores - Q es la energía calorífica transferida dentro de los alrededores desde el sistema Narración : Los signos algebraicos deben ser considerados como una convención al efectuar ecuaciones de b alance de energía.

Ejemplo : Balance de Energía Una mezcla de 1 kimol de metano gaseoso y 2 kmol de oxígeno inicialmente a 25°C y 1 atm se quema completamente en un contenedor rígido cerrado. La transferencia de calor ocurre hasta que los productos son enfriados a 900K. Determina la cantidad de calor transferida en kJ. Estado 1 Estado 2 1 kmol CH4 (g) 2 kmol O2 T1= 25°C P1= 1 atm Productos de la combustión T2 P2

Ejemplo: Balance de Energía Consideraciones : El contenido del contenedor rígido cerrado es considerado como el sistema Efectos de energía cinética y potencia y trabajo = 0. La combustión es completa Los reactivos y productos forman mezclas de gases ideales. Los estados inicial y final son estados en equilibrio. Narración : las siguientes consideraciones deben ser tomadas en cuenta para resolver este problema

Ejemplo: Balance de Energía La eq. de reacción química para la combustión completa de metano con oxígeno es: Con las consideraciones 2 y 3, el balance de energía del sistema cerrado toma la forma Cada coeficiente en esta eq. Es el mismo que el término correspondiente de la ecuación química balanceada. Puesto que cada reactivo y producto se comporta como gas ideal, las energías específica e interna pueden El balance ahora se convierte en: Narración : estas imágenes (esta diapositiva y la siguiente) demuestran como usar excel para resolver este problema.

Ejemplo: Balance de Energía Donde T1 y T2 denotan, respectivamente, la temp. inicial y final., la ec. se convierte en: Puesto que el metano y el oxígeno están inicialmente a 25°C, Dh=0 para cada uno de estos reactivos. También: Con la entalpía de valores de formación para CO2, H2O (g), Y CH4(g); y valores de entalpía para H2O y CO2 de tablas reportadas en libros: para el oxígeno Narración : Por lo tanto, en esta situación el calor (energía) transferido es hacia los alrededores desde la combustión del sistema (note el signo).