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LABORATORIO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
PRACTICA DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA Nª 5 BALANCE DE MATERIA CON REACCION QUIMICA EN COMPUTADORA
1. OBJETIVO.
Resolver mediante el uso de computadora y Excel o paquetes de programación, problemas de balance de materia con reacción química. Preparar software en estos paquetes que pudiesen agilizar agilizar los cálculos para problemas tipo.
2.FUNDAMENTO TEORICO.La hoja de cálculo de Microsoft Office que es el Excel fácilmente puede permitirnos resolver problemas de Balance de Materia. También mediante el paquete de programación Visual Basic 6.0 puede facilitarnos la resolución de problemas, así como Matlab y muchos otros. Utilizando los conocimientos adquiridos en el curso de computación Aplicada, podemos fabricar hojas de cálculo que puedan servir como software para resolver problemas de tipo, así por ejemplo podríamos preparar la resolución de problemas de tanques en sistemas estacionario y en sistema transitorio, lo que nos facilita la resolución de problemas de este tipo. En los textos de Balance de Materia se sugieren algunos problemas que deben de ser resueltos por medios computacionales, lo que indica que ya es de mucha utilidad esta herramienta que es la computadora, para la resolución de problemas. Para esta práctica, resolveremos algunos problemas e indicaremos como poder preparar software, que nos facilite el trabajo mediante uso de la computadora y de preferencia haciendo uso del Excel.
2.1 AMPLIANDO EL FUNDAMENTO TEORICO.-
Excel ha ganado en años recientes una amplia reputación para resolver problemas complejos de ingeniería, por ello es la hoja de cálculo más popular. En este trabajo se describe el cálculo de balances de materia en procesos químicos usando Excel. Se aplica a dos ejemplos y a través de la solución en Excel se muestran las diferencias principales que existen entre las estrategias de solución, la solución secuencial modular y la solución simultanea. Se describe la manera de construir las hojas de cálculo con estas estrategias a los dos ejemplos.
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INTRODUCCIÓN. Los programas de computadora denominados hojas de cálculo, como Lotus 1-2-3 y Excel, que originalmente fueron creados para aliviar la tarea de calcular los tediosos balances económicos de los contadores y administradores, han encontrado en la ingeniería y otras disciplinas un gran potencial como herramientas de apoyos. Particularmente en la ingeniería química, en donde se emplean de muy diversas formas, por ejemplo, para el ajuste de datos a modelos empíricos. Las capacidades computacionales de las hojas de cálculo se han enriquecido en años recientes, principalmente Excel de la compañía Microsoft y del cual se trata este trabajo. Excel cuenta con el apoyo del editor Visual Basic for Applications para crear, modificar y ejecutar macros, así como con el Solver que es un complemento para la resolución numérica de ecuaciones y problemas de optimización. La característica que popularizo el uso de las hojas de cálculo en sus inicios sigue siend o hoy su atractivo más importante, que no se requiere dominar un lenguaje de programación para usarlo. Su uso es muy simple. Los datos numéricos se escriben en celdas, las cuales son visibles todo el tiempo en la pantalla de la computadora y se referencian por su posición en hileras, numeradas secuencialmente, de arriba hacia abajo y columnas identificadas con letras. Esta configuración da a las hojas de cálculo una estructura en forma de tabla, en donde los cálculos se efectúan hilera por hilera, de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha. CALCULOS DE BALANCES DE MATERIA. El potencial de las hojas de cálculo para calcular balances de materia radica en que al escribir las ecuaciones como fórmulas en las celdas, que toman datos de otras celdas (variables de entrada), el resultado se despliega inmediatamente (variable de salida). Al agregar más fórmulas, que usen resultados de fórmulas previas, el conjunto de ecuaciones evoluciona en el modelo de un proceso. Estos modelos tienen las capacidades inherentes de las hojas de cálculo de ser reusables, flexibles y de fácil uso, capacidades que pueden aprovecharse en estudios de simulación de los procesos químicos. Para procesos con un gran número de equipos y de especies químicas, las hojas de cálculo no substituyen ni pueden competir con los programas comerciales de simulación como AspenPlus y HYSYS. Sin embargo para procesos no muy grandes las hojas de cálculo son de gran ayuda en el cálculo de balances de materia. En este trabajo se presentan ejemplos de este tipo de procesos. Ejemplo 1. El proceso de fabricación del cloro etileno usa como materia prima cloro y etileno, ver figura 1. Reacción : Cl2 + CH2=CH2
CH2Cl-CH2Cl En el diagrama de flujo del proceso de la
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figura 1, se observa que las corrientes de entrada y salida de los equipos se identifican
Reactor
Flash
con letras. Estas letras se usan para identificar los encabezamientos de las columnas en la tabla de Excel para los cálculos.
Figura 1. Diagrama del proceso de fabricación del cloro etileno. ESTRATEGIAS DE CALCULO DE BALANCES DE MATERIA. El modelo matemático de un proceso contiene todas las ecuaciones de balances de materia y restricciones de cada uno de los equipos del proceso. La resolución de las ecuaciones se puede hacer de acuerdo a dos estrategias de cálculo; por solución secuencial o por solución simultánea.
3. MATERIAL Y REACTIVOS
Computadora personal Hoja de Cálculo Excel Información de Factores de conversión Tablas de resolución de derivadas e integrales. Datos de la Practica Nº3 yNº4
4. PROCEDIMIENTO PRIMERA PARTE Preparamos una hoja de cálculo que nos sirva para poder determinar automáticamente cual es el reactivo limitante en una reacción, así mismo poder determinar cuál es el rendimiento de las reacciones en un proceso determinado, lo cual podríamos determinar de acuerdo a la velocidad de reacción y producto de solubilidad. Aplicada a aquellas funciones que nos faciliten la construcción de esta Hoja. Si sus conocimientos ya se refrescaron respecto a este tema nos permitirá avanzar mucho más en la práctica.
SEGUNDA PARTE
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Procederemos a resolver la Practica Nº3, principalmente en lo que se respecta como resolver el balance de materia para cada uno delos casos que se fabricaron. Para esto se prepara un sothware que nos sirva para todos los casos. Deben de portar USB para guardar la información que vamos a crear respecto a la solución de este problema y datos a entregárseles.
5. NORMAS DE SEGURIDAD E HIGIENE Tener su archivo en constante grabación para evitar perdida de datos de información por una posible colgada del computador.
6. CUESTIONARIO 6.1. Preparar una hoja de cálculo para balancear automáticamente reacciones químicas en un proceso de combustión completa donde se combustiones hidrocarburos de simple doble y triple enlace hasta de 12 carbones se entregara en disket.
6.2. Preparar una hoja de cálculo para hacer el balance de materia para el segundo caso preparado en la práctica considerando el porcentaje de rendimiento se entregara en disket.
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6.3. Prepare un programa en Visual Basic para determinar el reactivo limitante de la reacción de HCl y NaOH cuando se le suministre la composición de cada una de estas soluciones (presentar en disket)
6.4. El benceno reacciona con cloro para formar cloro benceno y acido clorhídrico en un proceso intermitente: 120 kg de Benceno y 20 % de exceso de cloro se encuentran presentes inicialmente , quedando 30 kg de benceno una vez terminada la reacción a) Cuantos Kgs de cloro se encuentran presentes inicialmente b) cual es la conversión fraccionaria del benceno c) cual es la composición molar del producto.
+ → + a)
120 (1 78− ) = 1.54 − [Fecha]
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− )( 71 ) = 109.34 1.54 − (11− 1 −
:109.341.20 = 131.21 b)
30 (1 78− ) = 0.3 85 − sin
= = 1.54 − 1.54− −0.385 − = 34 =0.75 c)
)( 1 − ) = 1.154 − 90 (1 78− 1 −
) = 1.8 48 − 131 (1 71−
− :1.184 − 1.154 = 0.694 − ) = 1.1 54 − 1.154 (11−− − ) = 1.1 54 − 1.154 (1 1 FLUJO DE SALIDA
6.5.
H2SO4 + 2NaOH
Na2SO4
+ 2H2O
a) Se mezcla 5lb de una solución de NaOH al 73.3% y 10lb de H2SO4 al 80% ¿Qué cantidad de Na2SO4 se forma b) cual es el reactivo limitante c) cual es el reactivo en exceso d) Por que el rendimiento de esta reacción puede ser completa [Fecha]
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+2 → + 2 se
a) Se mezcla 5 lb de una solución de NaOH al 73.33% y 10 lb de ¿Qué cantidad de b) Cual es el reactivo c) Cual es el reactivo en d) Porque el rendimiento de esta reacción puede ser completa
al 80% forma limitante exceso
Solución a)
73.3 )(1 ) = 0.09163 5 (100 ó 40 )(1 ) = 0.08163 10 (10080ó 98
+ 2 → 1 + 2 → 1 0.08163 + 0.09163 →
+ +
2 2
1 → 1 0.08163 → = 0.08163 2 → 1 0.09163 → = 0.045815 b) Reactivo limitante:
c) Reactivo en exceso: d) El rendimiento de esta reacción puede ser complete porque está reaccionando una base fuerte con un ácido fuerte.
7. CONCLUSIONES La realización de la practica tiene su beneficio al desarrollarse en Excel o visual Basic ; programa básicos, que hoy en día en “campo” es decir en industrias, empresas , es muy útil saber y conocer ya que todo hoy en día es sistematizado por programas desde los más básicos hasta los más complejos y poder analizar
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de pequeños a grandes, escalas soluciones en los diversos problemas de balance de materia.
8. RECOMENDACIONES Debemos tener en cuenta a la hora de (la toma) el ingreso de datos y en las formulas ya que de esto depende el desarrollo de un buen programa o solucionador de problemas para los casos que hemos realizado en la práctica.
9. CONCLUSION Excel presenta grandes ventajas en la solución de múltiples problemas de cálculo intensivo, particularmente en el cálculo de balances de materia. Esto se muestra a través de dos ejemplos de plantas de procesos químicos en este artículo. Para problemas de complejidad considerable se usan, con mejores resultados, los simuladores comerciales, con los cuales Excel no puede competir. Sin embargo en la medida en que Microsoft aumenta las capacidades de Excel este gana aceptación entre los ingenieros como una herramienta de gran potencialidad y futuro.
10. BIBLIOGRAFÍA https://www.academia.edu/1173715/C%C3%A1lculo_de_balances_de_ materia_en_hojas_de_%C3%A1lculo7 Tutoriales en youtuve , como descargar el visual BASIC 2010 Apuntes de clase – Manual de Ing. Rolando Basurco Guía de Computación Aplicada
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