Balance de energia

¿Que es la Energía?

La energía se define como todo aquello que puede hacercambiar las propiedades físicas de la materia, o bien, como lacapacidad que poseen los cuerpos para realizar un trabajo.

El uso eficiente de la energía permite reducir los costos globales de producción

• C.- Energía Interna.- C.- Energía Interna.- Un sistema de procesos posee una Un sistema de procesos posee una energía interna en función a su energía interna en función a su actividad molecularactividad molecular

La energía total de un sistema pose tres componentesLa energía total de un sistema pose tres componentes

A.- Energía Cinética .-A.- Energía Cinética .-

B.- Energía Potencial :B.- Energía Potencial :

Balances de Energía

Junto con los balances de materia son una herramienta fundamental para el análisis de procesos.

Contabilidad del flujo de energía en un sistema

Determinación de los requerimientos energéticos de un proceso

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.

Sistemas donde se pueden aplicar:- Unidad de una planta: p.ej. Columna de rectificación, reactor

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

Sistemas donde se pueden aplicar:

- Una planta química completa: -P. Ej. Una refinería. Complejo síntesis de amoniaco-

sistemaelenacumuladaEnergía

exterioralsalequeEnergía

exteriordelentraqueEnergía

mentra msale

Ecuación general de balance

nAcumulacióSalidaEntrada (0) Consumo(0) Producción

exterioral

salequeEnergíaexteriordel

entraqueEnergía

en régimen estacionario

SISTEMA

Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema entre dos instantes dados. Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance general de masa se cancelan

P2

P1

W

z1

z2

Expresión general del balance de energía para un sistema abierto,En estado estacionario

m1= m2

WQsPVePVUEpEcUEpEcdt

UEpEcd

))()(()()()(222111

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).

Balance de energía en términos de la entalpía (H)

Considerando que H = U+ PV

WQHHVVmzzgm )()(21)( 12

21

2212

Cambios de energía: “macroscópica” “ microscópica”

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:

WQ)VV(m21)HH()zz(gm 2

12

21212

Q = H2 – H1

PROPIEDADES DE LA ENTALPÍA

Es una función de estado del sistema.

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.

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.

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.

c

ii,pi TCmH

c

iiimH

Cambio de estado de agregación

donde es calor latente a presión constante y m cantidad (o caudal) del componente considerado.

1. Realizar el balance de materia del sistema.

2. Reunir de manera ordenada los datos disponibles para el balance entálpico. Homogenizar unidades.

3. Definir una temperatura de referencia.

4. Plantear las ecuaciones del balance entálpico.

5. Resolver dichas ecuaciones.

Procedimiento general para realizar un Balance Entálpico