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UNIVERSIDAD DE CORDOBA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA DE ALIMENTOS

TRABAJO DE BALANCE DE MASA Y ENERGIA

Presentado a Ing. Fernando Mendoza

Presentado por

Julieth Rodríguez Saah Eliazith Lozano Álvarez

Universidad de Córdoba Ingeniería de alimentos Berastegui 2020

UNIVERSIDAD DE CORDOBA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA DE ALIMENTOS

INTRODUCCION Los procesos químicos son un conjunto de operaciones y procesos unitarios en los que ocurre una transformación de materia prima y materiales secundarios, en productos de mayor valor agregado, considerando que las transformaciones son económicamente rentables y amigables con el medio ambiente. En general, el estudio de los fundamentos de los procesos químicos puede dividirse en dos partes: la primera corresponde a los balances de materia y energía en operaciones unitarias; mientras que la segunda se dedica a los balances de materia y energía en procesos unitarios. Sin embargo, también es posible dividirlo en balances de materia y en balances de energía por separado, como lo hacían las escuelas de ingeniería, en especial las de Ingeniería Química, en la década de los 80.

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GRADOS DE LIBERTAD Los grados de libertad son indicadores sencillos, empleados para identificar los casos en los que probablemente el problema de balance de materia producirá o no una solución. Es simplemente un mecanismo sistemático para contar todas las variables, ecuaciones de balance y relaciones que intervienen en el problema. Los grados de libertad de un sistema se calculan así [Reklaitis, 1989]: Grados de libertad= Número total de variables de corriente independientes número total de ecuaciones de balances de independientes número total de composiciones conocidas independientes número de flujos conocidos independientes número total de relaciones adicionales independientes

    

materia

Donde: 







El número total de variables de corriente independientes (NVCI) es igual a la suma total de sustancias presentes en todas las corrientes que entran o salen de una unidad, o en todas las corrientes del proceso. El número total de ecuaciones de balance de materia independientes (NBMI) es igual al número de sustancias diferentes presentes en una unidad o en el proceso. El número total de composiciones conocidas independientes (NCCI) se determina sumando las composiciones conocidas independientes de todas las corrientes. Si un flujo tiene S sustancias y se conocen S composiciones, se tienen S-1 composiciones conocidas independientes, pero si se conocen S- 1 o menos composiciones, ellas son todas composiciones conocidas independientes. El número total de flujos independientes (NFC1) en una unidad o proceso se establece considerando que si conocen J flujos, J-1 flujos son independientes, pero si se conocen J-1 o menos flujo, ellos son todos flujos conocidas independientes.

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 El número total de relaciones adicionales independientes (NRAI) en una unidad o proceso es la suma de las relaciones adicionales independientes que afectan la unidad o el proceso.

En la siguiente tabla se muestran los diferentes tipos de problemas a los que se puede enfrentar el ingeniero al realizar un análisis de grados de libertad de una unidad o de un proceso, como paso inicial para saber si la información que se tiene de la unidad o del proceso es insuficiente, redundante o la necesaria para realizar los balances de materia o de energía. Gl

Tipo de problema

Características

Ejempl o

+

Sub especificado

El problema se caracteriza porque existen más variables desconocidas que ecuaciones independientes. Por lo tanto, el problema tiene infinitas soluciones.

+1

-

Sobre especificado

-1

0

Especificado correctamente

El problema se caracteriza por que existen más ecuaciones independientes que variables desconocidas. Por lo tanto, el problema no tiene solución. El número de incógnitas es igual al número de ecuaciones independientes, por lo que en principio puede resolverse.

Acción para especificar un problema Buscar una ecuación independiente (relación adicional) o especificación de variables (base de cálculo). En caso que se conozca un flujo, no es posible tomar una base de cálculo y el problema no tendría solución. Para especificar el problema se debe obtener información del sistema como una composición y un flujo, o dos composiciones, o un flujo y formular una relación adicional de flujos. Hay una ecuación más o una de las ecuaciones es redundante o posiblemente inconsistente, o falta identificar una variable.

El problema tiene solución siempre y cuando se conozca por lo menos un flujo.

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Importancia de los grados de libertad: La importancia de realizar el análisis de grados de libertad en el planteamiento y solución de los balances de materia elemental y por componente, y de energía, radica en:  

Determinar si el problema tiene o no solución. Determinar si el problema cuenta con suficiente información.



Proporcionar información acerca de cuantos parámetros adicionales deben especificarse para resolver el problema.



Establecer cuántas ecuaciones independientes plantearse para especificar el problema.



Plantear el orden de cálculo (orden de solución), para sistemas de múltiples unidades, que debe seguirse. Así se ahorra esfuerzo y tiempo para la solución.

necesitan

PASOS: 1. Contar el número de variables independientes que está en la primera unidad a analizar y fijarse en cada una de las corrientes 2. Plantear el número de balances independientes de la unidad 3. Plantear las relaciones independientes 4. Planteamiento del proceso global, considerar las corrientes de entrada y salida, pero no las corrientes que conectan unidades 5. Proceso total, considerar todo el proceso

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Ejemplo: En la siguiente figura se muestra un proceso de destilación. Se le pide obtener todos los valores de velocidad de flujo y composición. Los únicos componentes son los que se indican en el diagrama de flujo.

F3

Xa: 0.5 Xb: 0.3 XC: 0.2 F1: 1000kg/h

F4

I

Xa: 0.8 Xb: 0.2

Xa: 0.6 Xb: 0.4

F5

II

Xa: 0.9 Xb: 0.1

F2: 1000kg/h

Xa: 0.3 Xb: 0.2 XC: 0.5

F6

Xa: Xb : XC :

F7

Xa : 0.2 Xb: 0.8

III F8 X : 0.3 b Xc: 0.7

NVI NBMI

I

II

III

13 3

6 2

7 3

PROCES O 19 8

GLOBAL 12 3

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NCiC NFC NRC G.L

6 2 0 2

3 0 0 1

2 0 0 2

9 2 0 0

7 2 0 0

Unidad I: el sistema se encuentra sub especificado porque es mayor a 0. Unidad II: el sistema se encuentra sub especificado porque es mayor a 0. Unidad III: el sistema se encuentra sub especificado porque es mayor a 0. Proceso: se encuentra especificado al igual que el Global esto quiere decir que el número de ecuaciones independientes es igual al número de variables independiente....