YESLYN ANDREA DUQUE M 1650380ALEJANDRO BUITRAGO 1650475JONATHAN ANDRÉS CARREÑO

CRISTÓBAL ZAMBRANO C. 1650383ING. AMBIENTAL

PROFESOR: ING. CARLOS TORRES POVEDA

FACULTAD CIENCIAS AGRARIAS Y DEL AMBIENTE

UFPS

CÚCUTA

2014

PROBLEMAS BALANCEDE MATERIA Y ENERGÍA

PROBLEMA 1 En un sistema cerrado de soporte vital, el dióxido

de carbono y el agua de la respiración y de la orina se procesan para volverse a utilizar como muestra la figura.

PROBLEMA 1 Los alimentos, representados como , se

consumen mediante la reacción

Los productos de la respiración se separan por condensación del , y el gas de desperdicio restante, que contiene una porción de a de aproximadamente 1 a 100, se hace reaccionar para obtener agua mediante

El agua condensada se envía a una celda en donde se produce y mediante electrólisis:

PROBLEMA 1

Para mantener la atmósfera “normal” dentro de la cabina, se mezcla suficiente con el , de manera que el gas alimentado a la cabina contenga 25% de . Debido a que se a que se pierde algo de con el gas descargado, deberá agregarse al sistema, de un depósito de reserva.

Suponiendo que el organismo requiere 7.5 moles de por cada mol de para el metabolismo, y que el 10% de producida por oxidación de los alimentos se recupera de la orina, calcule todos los flujos y composiciones en el sistema, con base 1 mol/día .

SOLUCIÓN

Como resulta evidente, el sistema contiene tres reactores, cada uno con una reacción diferente. Debido a esto, los balances para cada una de estas unidades requerirán de la introducción de una variable de velocidad de reacción r.

Usando como base 1 mol/día de , la proporción especificada de oxígeno a alimentación implica que deberán suministrarse 7.5 moles de . Entonces, se requiere una alimentación de aire de cabina de 30 moles/día.

SOLUCIÓN

Tomando esto en consideración, pueden expresarse los balances por componentes para la unidad de metabolismo, en términos de estequiometria de la reacción

Los balances son: Balance : F2 = 0.75 (30)= 22.5 moles Balance: F2 = 7.5 -r Balance : 0 = 1- r Balance: F2 = 0 +2r Balance: F2 + F12 = 0+ r

Del balance de , resulta evidente que r=1 Balance : 0 = 1- r r=1

y, en consecuencia, que F2 = 7.5 -r = 5.0 F2 = 7.5 - moles/día.

F2 =2 moles/día. F2 = 0 +2r =2(1)= 2 moles/día

La suposición de F12= 0.1 (F2 + F12) implica entonces, mediante el balance de , que

F2 + F12 = r F2 + F12 = 1

F12= 0,1(1)= 0,1F2 = 1 - F12 F2 = 1 - 0,1

F2 = 0,9

La corriente 2 consiste, por lo tanto, en los siguientes flujos por componente:

Al comparar los cálculos de balance del metabolismo, se ha determinado el flujo de la corriente 12. De igual manera, se ha determinado el flujo de la corriente 14. Finalmente, se han calculado ya las cuatro variables asociadas a la corriente 2. Estas consideraciones indican que en seguida deberán calcularse los balances del condensador-separador.

Debido a que no hay reacción en el separador, los balances toman la forma simple:

Balance: 22.5 = F3+ F5 Balance: 5 = F5 Balance: 2 = F3 Balance: 0.9 = F4

Como se ha especificado que la proporción de a sea de 1 a 100, puede concluirse que

F3=2 moles * 1mol /100 moles F3=0.02 moles/día

Del balance de 22.5 -F3 F5

F5= 22.5- 0.02 F5= 22.48 moles/día

Hasta aquí se ha determinado el flujo de la corriente 3: Se conoce el flujo de la corriente 4. Resulta claro que los cálculos que deben continuar con los balances del mezclador 1:

Balance: F13+ 22.48= 22.5F13=22.5-22.48

F13=0.02

Balance: F11+5= 7.5F11=7.5 - 5

F11= 2.5 F13 = 0.02 mol /día F11= 2.5 mol /día

Conocido el flujo de la corriente 11 y el de la corriente 12 previamente calculado. Ahora la siguiente unidad a considerar es la celda de electrólisis.

La reacción de la celda es

En términos de estequiometria los balances por componente son:

Balance: 0= F9 +0.1 - r Balance: F8= 0+ r Balance: 2.5 = 0 +r r= 2.5/0.5 = 5

0= F9 +0.1 – rF9= 5- 0.1

F9= 4.9

F8= 0+ rF8= 5

F8 = 5 moles/día F9= 4.9 moles/día

A continuación se calcula el reactor. La reacción que ocurre en esta unidad es

De manera que los balances por componentes son

Balance: F6 = 2 - r Balance: 0 = 5 - 4r

4r=5r=5/4r=1.25

Balance: F6 = 0 + r Balance: F7= 0+ 2r Balance: F6 = 0.02

F6 = 2 – rF6 = 2 – 1.25

F6 = 0.75

F6 = 0 + rF6 = 1.25

: F7= 0+ 2rF7= 2(1.25)

F7= 2.5

entonces,

Los cálculos terminan con los balances en el mezclador 2, que resultan en

F9= F4+F7+F10

Entonces se requiere 1.5 moles de agua de reposición y 0.02 moles de almacenado, por cada mol de metabolizado.

Cor./com

1 2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

__ 5 __ __ 5 __ __ __ __ __ 2.5 __ __ 7.5

__ 22.5

0.02

__ 22.48

0.02

__ __ __ __ __ __ 0.02

22.5

__ __ __ __ __ __ __ 5 __ __ __ __ __ __

__ 2 2 __ __ 0.75

__ __ __ __ __ __ __ __

__ 0.9 __ 0.9 __ __ 2.5

__ 4.9

1.5 __ 0.1

__ __

__ __ __ __ __ 1.25

__ __ __ __ __ __ __ __