UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
PROGRAMA: INGENIERÍA INDUSTRIAL
ASIGNATURA: INGENIERÍA AMBIENTAL
DOCENTE: CATALINA ALBARRACIN
BALANCE DE MATERIA
Al caer la lluvia, parte del agua se evapora directamente en la atmósfera; otra lo hace desde la superficie del suelo y del agua que regresa hacia la atmósfera; una porción la absorberán los vegetales retornándola a la atmósfera mediante la transpiración; finalmente, el resto escurre directamente a los ríos y lagos o se filtra hacia las aguas subterráneas para, más adelante juntarse con el agua superficial. Este sistema de agua se conoce como ciclo hidrológico.
BALANCE DE AGUA
Ley de la conservación de la materia. En química, los científicos han encontrado que la suma de los pesos de las sustancias que participan en una reacción siempre es igual a la suma de los pesos de los productos. El concepto general de la ley de la conservación de la materia se ilustra con tres ecuaciones aplicables a un sistema aislado y cerrado:
1. entrada = salida
Si el material se acumula dentro del sistema, entonces
2. acumulación = entrada - salida
Además, si se produce o se consume material dentro del sistema, el caso más general puede describirse como
3. (velocidad de) acumulación = (velocidad de) entrada - (velocidad de) salida + (velocidad de) producción -(velocidad de) consumo
en donde el término (velocidad de) hace referencia a los cambios con respecto al tiempo, por lo que son llamados gastos, o velocidades de producción y velocidades de consumo; y por consiguiente, velocidad de acumulación.
Los balances de materia sirven para comprobar las mediciones de aquellas corrientes difíciles, o imposibles, de medir directamente; también ayudan en el diseño de procesos para incluir todos los materiales, tanto de producción como de consumo (inclusive los residuales). Cuando en un sistema no existe acumulación, se tiene un estado estacionario. En el estado no estacionario, la velocidad de acumulación cambia con el tiempo. El vaciado o el llenado de un tanque de almacenamiento sería un ejemplo de un balance de materia no estacionario.
PAUTAS PARA HACER BALANCES DE MATERIA
Las siguientes son unas pautas generales para la resolución de problemas (adaptado de Himmelblau, 1982):
- Dibuje un esquema o diagrama de flujo del proceso.
- Calcule sin hacer balances todos los pesos, gastos, concentraciones, etcétera, que sea posible determinar con base en la información que se suministra.
- Muestre todos los datos conocidos (gastos, concentraciones, etc.) en el diagrama.
- Asigne símbolos apropiados a las cantidades desconocidas, e indique las incógnitas con signos de interrogación.
- Seleccione una base conveniente para llevar a cabo todos los cálculos; por ejemplo, un intervalo apropiado, como un día o un segundo; o una cantidad fija de material, como 100 kg o 1 lb.
- Seleccione los límites de sistema idóneos para el balance o balances de materia por hacer. Elija los límites de tal manera que los cálculos sean lo más sencillos posibles.
- Escriba los balances de materia. Éstos pueden incluir un balance total o una para cada uno de los materiales componentes que intervienen en el problema. El álgebra nos dice que debemos tener tantas ecuaciones independientes como incógnitas.
- Haga las suposiciones necesarias para simplificar el problema. Se requiere experiencia para hacer esto de manera razonable.
CINÉTICA DE REACCIÓN Y REACTORES
CINÉTICA DE REACCIÓN
No todas las reacciones químicas alcanzan el equilibrio con rapidez. Aquellos que dependen del tiempo se conocen como reacciones cinéticas. En el campo ambiental son muchos los casos de este tipo. Algunos ejemplos son los siguientes:
- La eliminación de materia orgánica del agua
- El crecimiento de masas biológicas
- La desintegración radioactiva
- La transferencia gas/agua
- Las reacciones de los residuos industriales
La cinética de reacciones se define como el estudio de los efectos de la temperatura, la presión y la concentración en la velocidad de una reacción química.
La velocidad de reacción, ri, es un término que se emplea para describir la rapidez de formación o desaparición de una sustancia (o especie química). Las reacciones como la oxidación biológica y la desinfección, que se producen en una sola fase (líquida, sólida o gaseosa), se llaman reacciones homogéneas. Las que se llevan a cabo en las superficies entre fases (la interfaz sólido/agua ó aire/agua), como el intercambio de iones y la adsorción, se denominan reacciones heterogéneas.
TIPOS DE REACTORES
En el campo de la ingeniería ambiental se utilizan diversos métodos físicos (sedimentación, filtración, igualación, etc.), químicos (precipitación, coagulación, ablandamiento, etc.) y bioquímicos (lodos activados, digestión anaerobia, etc.), así como de tratamiento, generalmente efectuados dentro de un tanque. Cuando una reacción de naturaleza química o bioquímica se verifica en un tanque, éste se describe por lo común como un Reactor.
Los reactores se dividen en dos tipos:
- Reactores intermitentes
- Reactores de flujo
Reactores intermitentes
Los materiales se adicionan al tanque, se mezclan perfectamente, y se dejan el tiempo suficiente para que la reacción se lleve a cabo. Al final de tiempo establecido, la mezcla se saca del tanque. Como el material normalmente está bien mezclado, la composición dentro del reactor es uniforme en cualquier instante. Sin embargo, a medida que la reacción avanza, la composición cambia. Una reacción intermitente se describe por tanto como una operación en estado no estacionario.
Reactores de flujo
El material entra al reactor, lo atraviesa y sale de él. De acuerdo con las condiciones de mezclado y los patrones de flujo dentro del tanque, hablamos de reactores ideales y reales.
a. Reactor tubular de flujo tapón (reactor ideal)
b. Reactor real
c. Reactor de tanque completamente mezclado (reactor ideal)
El reactor ideal se designa como reactor tubular de flujo de tapón (RTFT), o simplemente como reactor de flujo de tapón, flujo de pistón o flujo tubular. El patrón de flujo dentro del tanque se caracteriza como uniforme. Las partículas fluidas pasan a través del tanque y se descargan con la misma secuencia que entraron al tanque.
El reactor de tanque completamente mezclado (RTCM), o simplemente tanque agitado o reactor de contramezcla. Este tipo de reactor tiene como característica que el contenido del tanque se mezcla de manera tan completa que la composición es uniforme. La composición del afluente es igual a la del líquido del tanque.
Los reactores de flujo reales tienen condiciones de mezclado (y por tanto patrones de flujo) comprendidas entre el RTFT (ningún mezclado) y el RTCM (mezclado total).
PRINCIPIOS DE DISEÑO DE REACTORES
Las ecuaciones de velocidad de reacción, determinadas a partir de un análisis de un reactor intermitente, pueden proporcionar una base para el diseño de un reactor de flujo continuo. Si es posible pasar por alto el cambio de temperatura y la caída de presión a través del reactor, un balance de masa sobre el cambio en la cantidad de los reactores correlaciona el tiempo de residencia, el grado de conversión de los reactivos y la velocidad de reacción. Los resultados varían con el tipo de reactor y el orden de la reacción que se lleva a cabo.
El balance general de materia para cualquier componente A en un elemento de volumen del reactor será
Entrada = Salida – pérdida por reacción + acumulación
(Velocidad de entrada de A en el elemento) = (Velocidad de salida de A en el elemento) – (Velocidad de pérdida de A debida a una reacción química en el elemento) + (Velocidad de acumulación de A en el elemento)
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