FORMATO PRESENTACIÓN PREINFORME 358081 – BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO EN PROBLEMÁTICAS AMBIENTALES Nombre de curso Código de curso Nombre del estudiante Correo del estudiante CEAD al que pertenece el estudiante Objetivos práctica
de
la
Balance másico y energético en problemáticas ambientales 358081 KELLY DAYANA MARTINEZ
[email protected] San Jose del Guaviare Evaluar la aplicación de los conocimientos adquiridos por el estudiante en todas las lecciones del curso, mediante el desarrollo de prácticas de laboratorio.
DESARROLLO PREINFORME TEMA 1. BALANCE DE MATERIA M ATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA QUÍMICA 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 ma teria sin reacción química. · Verificar la ley de la conservación de la materia MARCO TEÓRICO Un balance de materia para un proceso industrial es la contabilidad exacta de los materiales que intervienen en el mismo, mismo, constituyendo 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 proces os 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. Este 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.
Materiales y Reactivos:
Dos probetas graduadas de 100 ml. Dos probetas graduadas de 50 ml. Báscula. Agua destilada. Alcohol etílico.
En una probeta graduada de 100 ml, colocar 25 ml de agua destilada. Determine la masa de agua (solución A)
En otra probeta graduada de 50 ml, colocar 10 ml de alcohol etílico. Determinar la masa de alcohol (solución B).
Mezclar las soluciones A y B; determinar la masa, el volumen y la densidad de la solución resultante (solución C)
En otra probeta graduada de 100 ml, verter 25 ml de agua destilada. Determinar la masa de agua destilada (solución D).
En una probeta graduada de 50 ml, añadir 20 ml de alcohol etílico. Determinar la masa de alcohol (solución E).
Mezclar las soluciones D y E, determinar la masa, el volumen y la densidad de esta mezcla resultante (solución F).
Mezclar las soluciones C y F (solución G), determinar la masa el volumen y la densidad de la solución G.
DIAGRAMA DE PROCESO.
TEMA 2. BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA 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.
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Realizar 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
TEMA 2. BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA 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. 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 estequiometria 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 quími ca 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 conocen 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 estequiometrias de reactivos y a la salida del reactor.
Materiales y Reactivos:
Vasos de precipitado de 100mL. Báscula. Mechero o estufa. Malla de asbesto. Agua destilada. Ácido sulfúrico concentrado. Oxalato de sodio (Na2C2O4). Oxalato de potasio. Permanganato de potasio
MEDIO NEUTRO.
Disuelva en 0.6 g de oxalato de sodio (Na2C2O4) ó 0.8 g de oxalato de potasio.
Registrar sus observaciones.
Vierta en un vaso de 100 ml, 20 ml de agua destilada.
Calentar la solución de oxalato de sodio a 60 ºC.
Añadir a la solución caliente 1 ml de una solución de permanganato de potasio 10% (P/V).
TEMA 3. BALANCE DE ENERGIA 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 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 un principio físico fundamental
TEMA 3. BALANCE DE ENERGIA 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 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 un 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.
Materiales y Reactivos:
Vasos de precipitado de 100mL. Báscula. Mechero o estufa. Malla de asbesto. Cronómetro Termómetro.
DIAGRAMA PRÁCTICA A. COMBUSTIÓN
En un vaso de precipitados pese exactamente 50 g de agua líquida. Mida la temperatura a la que se encuentra el agua.
Repita las actividades 1 a 5 empleando diesel y etanol como combustibles.
En un recipiente resistente al calor pese exactamente 5 g de gasolina. 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.
Realice los balances de masa y energía (con ayuda de tablas termodinámicas determine la capacidad calorífica de la gasolina).
Inmediatamente se apague la llama de la combustión de la gasolina, mida la temperatura del agua.
Deje enfriar hasta temperatura ambiente y mida la masa de agua en el recipiente.
Calcule la masa de agua perdida por evaporación. ¿Se ajustan los balances de energía? ¿si? ¿no? ¿Por qué?
SEGURIDAD DE LOS REACTIVOS
Los reactivos deberán ser clasificados de acuerdo al tipo y grado de peligrosidad en inflamables, corrosivos, reactivos, explosivos y tóxicos. Estas características están en función de las propiedades de cada uno de los reactivos. Las sustancias químicas en general deben ser manejadas cuidadosamente con los materiales apropiados y evitar en lo posible el contacto con el cuerpo ya sea por: inhalación, contacto con nuestra piel o ingestión Las sustancias químicas deben ser guardadas en un orden conveniente de acuerdo a sus características químicas. Las sustancias químicas deben ser envasadas en recipientes adecuados, herméticamente cerrados, perfectamente rotuladas y en el caso de que sean peligrosas contar con una anotación al respecto en la etiqueta.
SEGURIDAD DE LOS REACTIVOS
Los reactivos deberán ser clasificados de acuerdo al tipo y grado de peligrosidad en inflamables, corrosivos, reactivos, explosivos y tóxicos. Estas características están en función de las propiedades de cada uno de los reactivos. Las sustancias químicas en general deben ser manejadas cuidadosamente con los materiales apropiados y evitar en lo posible el contacto con el cuerpo ya sea por: inhalación, contacto con nuestra piel o ingestión Las sustancias químicas deben ser guardadas en un orden conveniente de acuerdo a sus características químicas. Las sustancias químicas deben ser envasadas en recipientes adecuados, herméticamente cerrados, perfectamente rotuladas y en el caso de que sean peligrosas contar con una anotación al respecto en la etiqueta. Durante las prácticas o en las operaciones de dosificación o trasvasado deberás mantener una adecuada ventilación. Al trabajar con una sustancia química, ésta ha de obtenerse tal como lo especifica la práctica: tiras, alambre, gránulos. granallas o polvos. Maneja cuidadosamente las sustancias inflamables. No manejes NINGUNA FLAMA, si en el laboratorio existe ALGÚN SOLVENTE. Etiqueta en el recipiente (NUNCA EN LA TAPA) cualquier reactivo, solución o mezcla; indicando el nombre del mismo y la fecha de preparación. Para pasar un líquido de una botella a otra, use frascos de boca ancha o páselos a un vaso de precipitados y posteriormente a la botella ó utilice un embudo. No PIPETEAR con la boca sustancias tóxicas o corrosivas, hacerlo con una propipeta. Evita calentar un líquido si no se conocen las características del mismo. Para diluir un ácido SIEMPRE AÑADIR EL ÁCIDO AL AGUA. Evitar el intercambio de pipetas colocadas en los reactivos con el objeto de no contaminarlos. Nunca dejes los recipientes de los reactivos destapados.
