Presentacin de PowerPoint

1
Principio de Conservación de la Energía
FUNDAMENTOS DE BALANCES DE ENERGÍA
2

• Contenido
• Ley de Conservación de la Energía
• Formas que puede tomar de energía.
  Transformaciones Energéticas.
• Concepto y Fundamento de los Balance de Energía
• Aplicaciones de Balances de Energía
• Balances de Energía en Sistemas Abiertos
• Balances de Energía en Sistemas Cerrados
• Aplicaciones Concretas.
• Balance Entálpico.
• Balance de Energía Mecánica.
• Procedimiento de Cálculo.

3
LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
La energía ni se crea ni se destruye sólo se
transforma.
(1a Ley de la Termodinámica)
4

• ENERGÍA
• Definiciones
• Capacidad para producir trabajo.
• Puede adoptar distintas formas convertibles
  directa o indirectamente unas en otras Radiación
  electromagnética Energía Potencial Energía
  Eléctrica Energía Química (de enlace) Energía
  Cinética Calor.

• Cantidad absoluta Energía J cal kcal kJ
• Caudal Energía/tiempo J/s (W)
• Flujo Energía/(tiempo.superficies) W/m2
• Específica Energía/masa J/kg

Magnitudes y Unidades
5
Primer Principio de la Termodinámica Basado
en las observaciones de Thompson y Sir Humphry
Davy El trabajo puede ser transformado en calor
por fricción. (1840) Joule establece la
equivalencia entre trabajo y calor 418 kJ ltgt 1
kcal. El primer principio según por el cual
la energía ni se crea ni se destruye se propone
en base a estas experiencias formulándose
matemáticamente como
6
Primer Principio de la Termodinámica La
propiedad termodinámica que deriva del primer
principo de conservación recibe el nombre de
ENERGÍA INTERNA (U).
Se define la energía interna de un sistema en
función de la diferencia entre el calor y el
trabajo que entra o sale del sistema.
7

• FORMAS DE LA ENERGÍA
• Trabajo mecánico (W) Producto del
  desplazamiento (x) por la componente de la fuerza
  que actua en la dirección del desplazamiento
  (Fx).
• Energía Potencial (Ep) Capacidad de producir
  trabajo que posee un sistema en virtud de su
  posición respecto a un plano de referencia.
• Energía Cinética (Ec) Capacidad de producir
  trabajo que posee un cuerpo en función de su
  movimiento.
• Calor (Q) Energía en transito de un cuerpo que
  se haya a una temperatura hacia otro que está a
  menor temperatura con el fin de igualar ambas.

8

• FORMAS DE LA ENERGÍA
• Energía Interna (U) Variable termodinámica
  (Función de estado) indicativa del estado
  energético de las moléculas constitutivas de la
  materia. Su valor se fija respecto a una
  referencia. Está relacionada con otras variables
  termodinámicas como Energía Libre (G) Entropía
  (S) Entalpía (H).
• Energía Electromagnética Asociada con la
  frecuencia de onda. Eh. Cuando interacciona con
  la materia toda o parte de esta energía puede ser
  absorbida. Normalmente su absorción se expresa
  como un aumento de temperatura.
• Energía Nuclear (Ec) Transformación de masa en
  energía de acuerdo a Emc2. Desintegraciones
  nucleares.

9
ENERGÍA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL

• Energía cinética (Ec) asociada al movimiento de
  los cuerpos respecto a un sistema de referencia.
• Energía potencial (Ep) asociada a su posición
  con respecto a un sistema de referencia.
• Energía interna ( U ) Asociada a la composición
  química de la materia a su estado energético
  (temperatura volumen y presión) y a su estado de
  agregación (estado físico).

10

• Energía cinética de un sistema material en
  movimiento en función de su velocidad
• m masa del cuerpo
• v velocidad del cuerpo
• Energía potencial de un sistema material en
  función de su posición en el campo gravitatorio
• m masa del cuerpo
• g aceleración de la gravedad
• h posición del cuerpo

11

• Energía interna de especies químicas ( U )
• Variable o Propiedad Termodinámica asociada a
  la composición química temperatura y el estado
  de agregación de la materia.
• Relacionable con otras propiedades
  termodinámicas ENTALPIA

Energía debida al movimiento de las moléculas con
respecto al centro de masas del sistema al
movimiento de rotación y vibración a las
interacciones electromagnéticas de las moléculas
y al movimiento e interacciones de los
constituyentes atómicos de las moléculas.
12

• FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
• Sin transferencia de materia
• Interpretación macroscópica del intercambio de
  energía entre los cuerpos para sistemas cerrados
  simples ( no hay transferencia de materia entre
  sus fronteras)
• T y P Parámetros de estado del sistema

Intercambio de energía
SISTEMA Energía interna
ALREDEDORES
calor y trabajo

• Con transferencia de materia

Sistemas abiertos Además de las formas
anteriores la asociada a la materia que se
transfiere.
13

• Son formas de energía en tránsito entre el
  sistema y sus alrededores.
• Trabajo (W) energía en tránsito debido a la
  acción de una fuerza mecánica.
• Calor ( Q ) tránsito resultado de la
  diferencia de temperaturas entre el sistema y sus
  alrededores.
• En un sistema cerrado su balance neto es 0 en un
  sistema abierto su balance neto afecta a la
  energía interna del sistema según el balance
  global sea positivo o negativo.

Calor y trabajo
14
Ecuación general de balance
mentra
msale
Sistema material sometido a transformaciones
físicas y químicas que transcurren en régimen no
estacionario
en régimen estacionario
15
Balances de Energía
Contabilidad del flujo de energía en un
sistema Determinación de los requerimientos
energéticos de un proceso
Junto con los balances de materia son una
herramienta fundamental para el análisis de
procesos.

• Todas las corrientes de un proceso están
  relacionadas de forma que dados los valores de
  algunas variables de las corrientes de entrada y
  salida se pueden derivar y resolver ecuaciones
  para obtener los valores de otras sin necesidad
  de medirlas.

16
Balances de energía
Cualquier proceso de transformación en la
naturaleza conlleva un intercambio de energía.
Algunas aplicaciones de los balances de energía
en la Industria

• Recuperación máxima del Calor optimización
  energética del proceso. Calentamiento o
  enfriamiento de un fluido.
• Producción Efectiva de Calor en Hornos y
  Calderas. Cálculo de Perdidas y Aislamientos.
  Optimación de los Procesos de Obtención de
  Energía Eléctrica (Cogeneración).
• Cálculo del consumo de combustible para producir
  trabajo y calor
• Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay
  que comunicar a un fluido para mantenerlo en
  movimiento

17
Balances de energía

• Sistemas donde se pueden aplicar
• Una planta química completa
• P. Ej. Una refinería. Complejo síntesis de
  amoniaco

18
Síntesis del HNO3

• Sistemas donde se pueden aplicar
• Un proceso de una planta p.ej. Fabricación de
  olefinas

• 4NH3(g) 5O2(g) 4NO(g) 6H2O(g)
• T altas (800ºC)
• Catalizador Rodio-Platino

• 2NO(g) O2(g) 2NO2(g)
• 2NO2(g) H2O(l) HNO2(ac) HNO3(ac)
• 3HNO2(ac) HNO3(ac) 2NO(g) H2O(l)

19

• Sistemas donde se pueden aplicar
• Un proceso de una planta

Síntesis del H2SO4 (Método de contacto)

• S(l) O2(g) SO2(g)
• SO2(g) O2(g) SO 3(g) reacción catalizada por
  V2O5 T400ºC P2atm
• Reacción
  reversible 88
• SO 3(g) H2O (l) H2SO4 (ac)

20
Balances de energía

• Sistemas donde se pueden aplicar
• Unidad de una planta p.ej. Columna de
  rectificación reactor

21
Balances de energía

• Sistemas donde se pueden aplicar
• Parte de una unidad p.ej. Un cambiador de calor

Cambiador de calor de tubos concéntricos en una
planta de esterilización
22
Expresión general del balance de energía para un
sistema abierto En régimen no estacionario
S S1 y S2 superficies límites del sistema V
volumen del sistema P1 y P2 presión en los
extremos del sistema V1 y V2 velocidad en
los extremos del sistema z1 y z2 posición en
los extremos del sistema Q calor
intercambiado con el medio W Trabajo externo
aportado al sistema (ej. por una bomba).
23
Expresión general del balance de energía para un
sistema abierto En estado estacionario
m1 m2
24

• Balance de energía en términos de la entalpía
• Considerando que H U PV
• h H / m u
  P/

Cambios de energía macroscópica
microscópica
25
(No Transcript)
26

• BALANCES ENTÁLPICOS
• Aplicación a sistemas en que no se considera la
  contribución de la energía mecánica (variaciones
  de energía potencial y cinética despreciables) y
  que no intercambian trabajo con el medio

Q H2 H1
27
BALANCES ENTÁLPICOS

• Aplicación a sistemas en régimen estacionario
  que intercambian calor con el medio.
• Incluye cambios en la temperatura en el estado
  de agregación o en la naturaleza química de las
  sustancias.
• No se considera la contribución de la energía
  mecánica (variaciones de energía potencial y
  cinética despreciables) al estado energético del
  sistema.

28

• PROPIEDADES DE LA ENTALPÍA
• Es una función de estado del sistema.
• No se pueden calcular valores absolutos de la
  entalpía.
• ü Es una magnitud extensiva asociada a la
  cantidad total de energía contenida en las
  sustancias que toman parte en el proceso.
•  
• Es aditiva permite establecer las ecuaciones
  de balance de energía.
• Cuando H tiene signo negativo el proceso es
  exotérmico el sistema desprende energía.
• Estructura de los términos de la ecuación del
  balance entálpico

29

• Algunas aplicaciones de los balances entálpicos
• Cálculo de la cantidad de calor (Q) necesaria
  para modificar la temperatura estado de
  agregación o naturaleza química de un determinada
  cantidad de materia.
• Cálculo del caudal de fluido refrigerante o de
  calefacción necesario para mantener las
  condiciones de trabajo de una operación.
• Cálculo de los caudales de calor intercambiado
  requeridos para que una operación se realice en
  condiciones isotérmicas o adiabáticas.
• Cálculo del consumo de combustible para
  producir el calor necesario en una operación.
• Calculo de Rendimientos y Propuestas de
  estrategias.

30
CÁLCULO DE ENTALPÍAS
Q H2 H1

• No se pueden calcular valores absolutos de
  entalpía
• Para aplicar la ecuación hay que establecer un
  estado de referencia

El correspondiente a a los elementos libres de
todas las sustancias a una presión y temperatura
(generalmente 1 atmósfera y 25ºC)

• La entalpía de una sustancia (con respecto a un
  estado de referencia) es la suma de tres
  contribuciones
• Entalpía o calor de formación
• Calor sensible
• Calor latente

T
31

• BALANCES ENTÁLPICOS
• Valores tabulados para condiciones de
  referencia.
• Cambios de temperatura
• donde Cp es capacidad calorífica (o calor
  específico) a presión constante y m cantidad (o
  caudal) del componente considerado.

• Cambio de estado de agregación
• donde es calor latente a presión constante y m
  cantidad (o caudal) del componente considerado.

32

• PLANTEAMIENTO BALANCES ENTÁLPICOS

Corriente e
Corriente s
(Tref)
33

• BALANCES ENTÁLPICOS
• Reacción química
• Hr depende de la temperatura y es
  prácticamente independiente de la presión.
• Calor de mezcla Energía intercambiada cuando
  se disuelve un sólido o un gas en un líquido o
  cuando se mezclan dos líquidos o dos gases
  distintos.
• En general poco significativa.

34
Planteamiento de balances entálpicos
Agrupando términos

(Tref)
Tref
(Tref)
Tref

Tref
Tref

35

• En los Balances Entálpicos se escoge siempre una
  temperatura de referencia ( Tref ).
• Justificación
• Permite describir el contenido energético
  asociado al calor sensible de una corriente (
  Hcalor sensible ).
• Permite utilizar datos termoquímicos (HrTref y
  Tref ) obtenidos a temperaturas distintas de las
  de operación.
• Permite establecer un procedimiento sencillo
  para describir la variación de entalpía de
  sistemas industriales complejos (alto número de
  corrientes con distinto caudal composición
  naturaleza química temperatura y estado de
  agregación).

Entalpía de reacción normal o standard (Hr0)
entalpía de reacción a 1 atmósfera de presión y
25 ºC.
36

• Ley de Hess. Cálculo de la entalpía de reacción

La entalpía es función de estado no depende del
camino recorrido sólo de los estados final e
inicial
Reaccionantes (T)
Elementos constituyentes (T)
HrT
Productos (T)
Productos de Combustión (T)
37

• Ley de Hess. Entalpía de reacción a una
  temperatura distinta a la de referencia

HrTref
Reactivos (Tref)
Productos (Tref)
HrT
Reactivos entrada (T)
Productos salida (T)
38

• Esquema del proceso introduciendo la
  temperatura
• de referencia

HrTref
Reactivos (Tref)
Productos (Tref)
Reactivos entrada (Te)
Q
Productos salida (Ts)

• Planteamiento según la Termodinámica Clásica
• Ley de Hess

39
LEY DE HESS
Reactivos entrada (Te)
HrTe
Productos (Te)
Q
Productos salida (Ts)
Reactivos (Ts)
HrTs
1
Cambio calor sensible
Cambio calor latente
2
40
PLANTEAMIENTO GENERAL DEL BALANCE
ENTÁLPICO donde
A B C
Corriente e
Corriente s
Reactor
Te Componentes A y B
Ts Componente C
1)
2)
41

• PLANTEAMIENTO GENERAL DEL BALANCE ENTÁLPICO
• En caso de ocurrir un cambio de estado en
  alguno de los componentes (Por ejemplo en el
  producto C)

HrTref
A B (Tref)
Clíquido (Tref)
TTcambio estado

A B (Te)
Q

Cvapor (Ts)
42

• Realizar el balance de materia del sistema.
• Planteamiento del proceso.
• Reunir de manera ordenada los datos disponibles
  para el balance entálpico. Unificar unidades.
• Definir una temperatura de referencia.
• Plantear las ecuaciones del balance entálpico.
• Resolver dichas ecuaciones.
• Escalar cuando sea necesario.

• Procedimiento general para realizar un Balance
  Entálpico

43
(No Transcript)
44
Cambiador de calor

• Q Caudal de calor (W)
• mc m f Caudal másico fluidos caliente y frío
  (kg/s)
• cp.c cp f Calor específico fluidos caliente
  y frío (J/kg K)
• T t Diferencia de Tª entre entrada y salida
  del cambiador (k)

mf
e
e
s
mc
mc


s
mf
Planteamos el balance entálpico para un elemento
diferencial de longitud dx
Integrando entre los límites y del
cambiador
45
Ejemplo Una caldera utiliza metano como
combustible. Al quemador se alimenta aire en un
15 de exceso sobre el estequiométrico. El metano
se alimenta a 25 ºC y el aire a 100 ºC. Los gases
de combustión abandonan la caldera a 500 ºC.
Determinar la cantidad de vapor de agua saturado
a 20 atm (temperatura de equilibrio 213 ºC) que
se produce en la caldera si a la misma se
alimenta agua a 80 ºC.

• CO2
• O2
• N2
• H2O

CH4 25 ºC
500 ºC
Hc metano (25ºC) -55600 kJ/kg
Aire ( 15 exceso) 100 ºC
Agua vapor (20 atm
Tequilibrio213ºC)
Agua 80 ºC
CH4 O2 CO2 2 H2O
B.C. 100 kmoles CH4

• CO2 100 kmoles
• O2 30 kmoles
• N2 8652 kmoles
• H2O 200 kmoles

• O2 230 kmoles
• N2 8652 kmoles

Aire
46

• CO2
• O2
• N2
• H2O

CH4 25 ºC
500 ºC
Hc metano (25ºC) -55600 kJ/kg
Cp (kJ/kg)
Aire ( 15 exceso) 100 ºC
Agua vapor (20 atm
Tequilibrio213ºC)
Agua 80 ºC
CH4 O2 CO2 2 H2O
Entrada
Salida
Comp. CH4 O2 N2 H2O CO2
kmol 100 230 8652 - -
kg 1600 7360 24225 - -
Tª(ºC) 25 100 100 - -
kmol - 30 8652 100 200
kg - 960 24225 4400 3600
Tª(ºC) - 500 500 500 500
47

• CO2
• O2
• N2
• H2O

CH4 25 ºC
500 ºC
Aire ( 15 exceso) 100 ºC
Agua vapor (20 atm
Tequilibrio213ºC)
Agua 80 ºC
Tª de referencia 25 ºC
Hc metano (25ºC) -55600 kJ/kg
Ningún compuesto sufre cambio de estado entre
esas tªs
Cambio calor sensible
Cambio calor latente
CH4
O2
N2
48

• CO2
• O2
• N2
• H2O

CH4 25 ºC
500 ºC
Aire ( 15 exceso)
Agua vapor (20 atm
Tequilibrio213ºC)
Agua 80 ºC
H2O
Cambio calor sensible
Cambio calor latente
CO2 O2 N2
H2O
49

• CO2
• O2
• N2
• H2O

CH4 25 ºC
500 ºC
Aire ( 15 exceso)
Agua vapor (20 atm
Tequilibrio213ºC)
Agua 80 ºC
Balance en el reactor
Balance en el cambiador
50
BIBLIOGRAFÍA

• Calleja Pardo G. García Herruzo F. de Lucas
  Martínez A. Prats Rico D. y Rodríguez Maroto
  J.M. (1999). Introducción a la Ingeniería
  Química. Síntesis. Madrid. Capítulo 7.
• Felder R.M. y Rousseau R.W. (1991). Principios
  Elementales de los Procesos Químicos. Addison
  Wesley Iber. Wilmington. Capítulos 78 y 9.
• Costa López J. Cervera March S. Cunill
  García F. Esplugas Vidal S. Mans Texeidó C.
  y Mata Álvarez J. (1994). Curso de Ingeniería
  Química. Introducción a los Procesos las
  Operaciones Unitarias y los Fenómenos de
  Transporte. Reverté. Barcelona. Capítulo 4.

• Costa Novella E. Sotelo J.L. Calleja G.
  Ovejero G. de Lucas A. Aguado J. y Uguina
  M.A. (1983). Ingeniería Química. Vol. I.
  Conceptos Generales. Alhambra. Madrid.

51
BIBLIOGRAFÍA

• Himmelblau D.L. (1989). Basic Principles and
  Calculations in Chemical Engineering. (5ª
  edición). Prentice Hall. Englewood Cliffs. New
  Jersey. Traducción al castellano (de la 1ª
  edición) Principios Básicos y Cálculos en
  Ingeniería Química. (1977). CECSA. México.

• Hougen O.A. Watson K.M. y Ragatz R.A.
  (1966). Chemical Process Principles. Vol. I.
  Material and Energy Balances. 2ª edición. John
  Wiley. New York. Traducción al castellano (de la
  1ª edición) Principios de los Procesos
  Químicos. Vol. I. Balances de materia y Energía.
  (1978). Reverté. Barcelona.

• Reklaitis G.V. (1983). Introduction to
  Material and Energy Balance. John Wiley New
  York.

• Henley E.J. y Rosen E.M. (1969). Material and
  Energy Balance Computations. John Wiley. New
  York. Traducción al castellano Calculo de
  Balances de Materia y Energía. (1973). Reverté.
  Barcelona.