clase1 balance de masa 2015

FUNDAMENTOS DE PROCESOS AMBIENTALES Juan Pablo Silva Vinasco

PROCESOS AMBIENTALES

Biopelícula

Difusión Contaminante

Sedimentación Lixiviación

Dispersión

PROCESOS AMBIENTALES

Desinfección

Espesado de Lodos

ANALISIS DE PROCESOS AMBIENTALES

LEY CONSERVACION DE MASA Y ENERGIA

CINETICA REACCIONES

DISEÑO

INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO

MODELACIÓN Y SIMULACIÓN

ESCALAMIENTO TERMODINÁMICA

HIDRAULICA DE REACTORES

METABOLISMO MICROBIANO

QUIMICA

OBJETIVO GENERAL

n  Brindar al estudiante los fundamentos teóricos que se requieren para la comprensión de los procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren en el medio ambiente y su aplicación en el diseño de tecnologías de prevención y control de la contaminación ambiental.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS n  Articular los principios teóricos de las ciencias

ambientales y de Ingeniería al estudio de los procesos químicos, biológicos y físicos que inciden en la liberación, circulación y transformación de sustancias contaminantes en el ambiente.

n  Mejorar la comprensión de la importancia del principio de la ley de conservación de la masa y del estudio de reactores en el diseño de sistemas de remediación de la contaminación ambiental.

n  Ofrecer los principios básicos aplicados en la simulación y modelación de sistemas ambientales sencillos como herramienta de comprensión y análisis en el estudio de problemas de contaminación ambiental.

OBJETIVOS INSTRUCCIONALES

n  Resolver Balances de masa en diferentes sistemas ambientales.

n  Explicar y aplicar conceptos relacionados con la cinética y comportamiento hidrodinámico de reactores

n  Aplicar los conceptos de transferencia de masa en sistemas naturales como de ingeniería.

n  Identificar los diferentes procesos que se dan en los sistemas ambientales y su aplicación en el control de la contaminación.

n  Resolver modelos ambientales sencillos basados en el principio de conservación de la masa y procesos ambientales para simular diferentes impactos ambientales o tecnologías de tratamiento.

CLASE 1 BALANCE DE MASA

Juan Pablo Silva V.

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA “ La masa ni se crea ni se destruye ”

n  Principio aplicable a la descarga de contaminantes en los Ecosistemas y en unidades de Tratamiento de la Contaminación.

¨ Lago - Corriente Superficial -Reactores o Sistemas de Tratamiento Reservorio - Estuario

¨  Relleno Sanitario: Producción lixiviados-Biogás ¨ Estimación de Emisiones atmosféricas- Control

Contaminación Atmosférica

BALANCE DE MASA

“Descripción cuantitativa de todos los mate r ia les que En t ran , Sa len , Reaccionan y se acumulan en un sistema con límites físicos definidos llamado VOLUMEN DE CONTROL”

ENUNCIADO DEL BALANCE DE MASA

Flujo Convectivo Entrada

Flujo Convectivo Salida

Difusión Entrada

Difusión Salida

ENUNCIADO DEL BALANCE DE MASA

Velocidad de Acumulación de Masa

Velocidad Neta de Transporte de Masa

Velocidad Neta de Transformación de Masa

= +

Acumulación de masa =

Flujo másico de Entrada

-Flujo

másico de Salida

+ Cantidad de masa

Generada -

Cantidad de masa

Consumida

Cambio de Masa en el

sistema con el tiempo

Llega al sistema

Abandona el sistema Formación Desaparición

Entrada Salida

Límite del sistema

Figura 2

Acumulación

Transformación

TERMINOS DEL BALANCE DE MASA

n  Velocidad de Acumulación: (dM/dt) n  Velocidad neta de transporte de masa

¨  Flujo másico total M = Q*ρ ¨  Flujo másico por componente Mi = Q*Ci ¨  Difusión de Componentes J= -D*(dc/dx)

TERMINOS DE LA ECUACIÓN DE BALANCE

n Velocidad neta de transformación de masa

Rp =rp V Rr = rr V

aA + bB cC

ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA

n  Convertir el enunciado del problema a un esquema. n  Definir un volumen de control. n  Identificar las entradas y salidas de masa del

volumen de control y/o donde puede consumirse o generarse masa.

n  Construir el enunciado matemático, teniendo en cuenta las simplificaciones necesarias.

n  BALANCE DE MASA aplica a cantidades conservativas: ¨  CAUDALES ¨  MASA ¨  MOLES

¨  Caudal de Entrada = Caudal de Salida = Qconstante??!! ¨  Volumen de control no se evapora (condiciones isotérmicas) ¨  Mezcla completa en el reactor ¨  Reacción química involucrada dentro de reactor, que afecta al

reaccionante C. ¨  La velocidad de cambio de concentración del reaccionante viene

gobernada por una reacción del tipo rc = -kC.

reacción

acumulación

Qo

Co

Q1

C1

Volumen de Control

Figura 1

ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA

n  Balance de Masa Total

1

1

11

!n!acumulacióhay no ;0 ioestacionar estadoEn

)(

sale masa flujo entrada masa flujo

QQdtdM

QQdtdV

QQdtVd

dtdM

o

o

oo

=

=

−=

−=

−=

ρρρ

ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA

n  Balance para un contaminante

Masaentra Masa sale dtdM

VrVrQCQCodtdVC

dtdCV

tm

cp −+−=+=∂

∂

C= concentración del compuesto en tiempo t. Co= concentración inicial del compuesto. V= volumen del reactor. Q= caudal o descarga. t= tiempo. rp= velocidad de reacción de productos. rc= velocidad de consumo de compuestos.

ESTRATEGIA DEL BALANCE DE MASA

n  Cuando el contaminante no reacciona

QCQCodtdVC

dtdCV

tm

−=+=∂

∂

n  Cuando el volumen es constante y el contaminante no reacciona

QCQCodtdCV

tm

−==∂

∂

n  Cuando el volumen es constante y prevalece el estado estacionario

VrVrQCQCo cp −+−=0

Recurso Virtual

http://www.showme.com/sh/?h=ZBZC03M