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BALANCE DE MASA, GENERALIDADES Y CONCEPTOS

AUTOR: LUISA CAROLINA OROZCO MONTERROZA

DOCENTE: ING. FERNANDO ALONSO MENDOZA CORVIS M. SC. AGROALIMENTARIAS

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS CAMPUS BERÁSTEGUI 2021-1

INTRODUCCION Los balances de masa y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, los Balance de masa y energía nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración. En el presente trabajo nos vamos a enfocar en el estudio de los balances de masa, daremos a conocer los conceptos relacionados con este tema, como funcionan lo sistemas, las fronteras, los tipos de balance y algunas generalidades.

OBJETIVO  Entender la definición de Balance de masa y como aplicarlo  Explicar la diferencia entre un sistema abierto y uno cerrado  Conocer los caudales y composiciones de las distintas corrientes de entrada y salida de un sistema y las cantidades totales y composiciones medias que están en el interior del mismo en un momento dado.

CONCEPTO El balance de masa, puede definirse como una contabilidad de entradas y salidas de masa en un proceso o de una parte de éste. No es más que la aplicación de la ley de conservación de la masa que expresa que “La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Entradas = salidas La realización del balance es importante para el cálculo del tamaño de los equipos de un proceso que se emplean y por ende para evaluar sus costos. Los cálculos de balance de masa son casi siempre un requisito previo para todos los demás cálculos, además, las habilidades que se adquieren al realizar los balances de masa se pueden transferir con facilidad a otros tipos de balances. Los balances de masa se desarrollan comúnmente para la masa total que cruza los límites de un sistema. También pueden enfocarse a un elemento o compuesto químico. Cuando se escriben balances de materia para compuestos específicos en lugar de para la masa total del sistema, se introduce un término de producción (que equivale a lo que se genera en la reacción química menos lo que desaparece):

Entradas + producción = salidas + acumulación

BALANCE DE MASA EN ESTADO ESTACIONARIO

La mayoría de los procesos industriales son continuos, con un mínimo de alteraciones o paradas. En este tipo de procesos, a excepción de los periodos de puesta en marcha y paradas, el tiempo no es una variable a considerar, por lo que las variables intensivas dependen solamente de la posición, siendo el régimen estacionario. En pocas palabras se puede decir que, si no existe acumulación o consumo de materia dentro del sistema, se dice que estamos en estado estacionario o uniforme. En estos sistemas en estado estacionario el término acumulación desaparece, simplificándose la ecuación a la siguiente: Entradas + producción = salidas

SISTEMAS DE UN BALANCE DE MASA Para efectuar un balance de masa de un proceso, se debe especificar el sistema al cual se le aplicará dicho balance, en otras palabras, delimitar o definir el sistema al que se le realizará el balance. Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o a la totalidad de un proceso, establecido específicamente para su análisis. Y proceso se puede definir como una serie de acciones, operaciones o tratamientos que producen un resultado llamado producto. Los sistemas tienen diferentes características, pueden ser abiertos o cerrados. Un sistema abierto es aquel en el que existe transferencia de masa a través de los límites del mismo, (entra masa, sale masa o ambas cosas). Por el contrario, un sistema cerrado es aquel en el que no ingresa ni egresa masa a través de los límites del mismo. Un sistema abierto puede transcurrir en régimen estacionario o transitorio. es considerado estacionario si no existe acumulación de masa en el mismo. Por el contrario, un sistema abierto es considerado transitorio si se permite acumulación de masa. Resumiendo, los procesos en estado no estacionario o transitorio implican acumulación de masa, mientras que los procesos de estado estacionario no.

TIPOS DE BALANCE Hay dos tipos de balance que se pueden aplicar en un sistema los cuales son: BALANCE DIFERENCIAL: este indica lo que ocurre en un sistema en un momento determinado, por lo general este tipo de balance se aplica a los sistemas continuos. Es decir, cuando las corrientes de entrada y salida fluyen de manera continúa durante el proceso. Si el sistema está en régimen estacionario, un balance diferencial dará en cualquier instante el mismo resultado. Si el sistema es transitorio, este balance generará un conjunto de ecuaciones diferenciales respecto al tiempo.

BALANCE INTEGRAL: indica lo que ocurre en un sistema durante dos instantes determinados, solo informa sobre el comportamiento del sistema durante el intervalo comprendido entre esos dos momentos.

El balance de masa se puede referir a un balance en un sistema para:       

La masa total El total de moles La masa de un compuesto químico La masa de una especie atómica. Los moles de un compuesto químico Los moles de una especie atómica El volumen (posiblemente)

BASE DE CÁLCULO Definiremos brevemente que es lo que se entiende por base de cálculo, y algunas recomendaciones para su elección. La Base de cálculo es la cantidad de cierta variable involucrada en el problema a la que se refieren o transforman las demás, para efectuar los cálculos necesarios. Puede ser real o ficticia. Este concepto es crucial tanto para entender cómo debe resolverse un problema como así también hacerlo de la manera más expedita posible. Al seleccionar una base de cálculo debemos preguntarnos ¿De qué se va a partir? ¿Qué respuesta se requiere? ¿Cuál es la base de cálculo más adecuada? La elección de una base no siempre es sencilla, pero a modo de recomendaciones podemos decir que conviene elegir como base:  La corriente que posea mayor información  Aquella que pasa por nuestro sistema sin alterarse  Un número entero 1, 10; 100

TECNICAS Y ANALISIS DE PROBLEMAS Para tener éxito en la resolución de un problema es recomendable seguir una determinada estrategia, de forma tal que permita su solución en forma sistemática y ordenada. Esta estrategia se encuentra a continuación. Esta puede utilizarse como una lista mental de verificación cada vez que se comienza a trabajar en un nuevo problema. El método general para resolver balances de masa (BM) es simple:

1. Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso. 2. Colocar en el diagrama los datos disponibles. 3. Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente. 4. Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo. 5. Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base.

6. Asegurarse de que el sistema esté bien definido.

RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE BALANCE EN EL QUE NO INTERVIENEN REACCIONES QUÍMICAS Al efectuar balances de masa en estado estacionario, hay dos formas básicas de expresar los flujos que intervienen en el proceso como variables. Se pueden plantear balances de masa globales (BMG), que involucran las diferentes corrientes que entran o salen del sistema, o balances de masa particulares (BMP) para cada uno de los componentes del mismo. Por ejemplo, analicemos el sistema constituido por el evaporador representado en la siguiente figura, supuesto en estado estacionario y sin reacción química

BMG (Balance de Masa Global): Se debe designar el flujo másico de las corrientes que ingresan y egresan del evaporador con un símbolo tal como A, B, C, etc. Para el ejemplo específico de la figura anterior se verifica que: A=B+C BMP (Balance de Masa Particular): consiste en usar el producto de una medida de concentración y el flujo como (xiA* A), donde xiA es la fracción de masa del componente i en A, y A es el flujo másico total entrante al evaporador. De esta manera se tiene la velocidad de flujo másica del componente i que ingresa en la corriente A. De manera análoga se pueden calcular las velocidades de flujo másica de este componente para cada una de las corrientes del sistema (B y C).

Por lo tanto, se pueden plantear tantos balances de masa particulares como componentes haya en el sistema. Este planteo se puede efectuar también utilizando el número de moles. A continuación, se presentan todos los BMP posibles para este sistema:

Tenga en cuenta que la suma de las dos ecuaciones anteriores (2 + 3) a las que se le denomina balance de masa particular (BMP) da la ecuación (1) de balance global.

RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LO QUE INTERVIENEN SUBSISTEMAS Las plantas en la industria química se componen de muchas unidades interconectadas entre sí. Cada unidad constituye por sí sola una unidad de análisis denominada subsistema. La presencia o no de subsistemas, no altera para nada la forma de trabajar con los balances de materia, pudiendo decirse que su tratamiento es similar a cuando se tiene un solo sistema.

Podemos aplicar las mismas técnicas que utilizamos para la resolución de los problemas en casos anteriores. Es decir, procederemos a enumerar y contar el número de variables cuyo valor se desconoce, asegurándonos de no contar la misma variable más de una vez para luego formular y contar los balances Independientes que es posible hacer, verificando que los balances para una unidad no conviertan los balances para otra unidad que antes eran independientes en balances dependiente. En muchos casos la mejor estrategia es realizar balances de masa para el proceso global ignorando la información relativa a las conexiones internas entre los distintos subsistemas. Posteriormente se procederá a realizar balance de materia para el/los subsistemas involucrados.

Resolución de problemas con presencia de reciclo, purgado y derivación En algunos problemas de balance de masa intervienen corrientes de reciclo, derivación o purgado. El reciclo se presenta en los casos en que hay retorno de material desde un punto posterior del proceso y se introduce nuevamente al mismo para un procesamiento ulterior.

Una derivación es un flujo que pasa por alto una o más etapas del proceso y llega directamente a una etapa posterior.

En ciertos procesos se utiliza el purgado, entendiéndose que una purga es un flujo que sirve para eliminar una acumulación de inertes o indeseables que, de otra manera, se acumularían en la corriente de reciclo.

RESOLUCIONES DE PROBLEMAS DE BALANCE EN LO QUE INTERVIENEN REACCIONES QUÍMICAS Con respecto a la presencia de reacciones químicas cabe recordar que en toda reacción química la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos, de manera tal que, en la reacción, por ejemplo, de producción de agua: H2 1/ 2 O2  H2 O Si se introducen 2 kg/h de hidrógeno, esto es 1 mol/h de hidrógeno, y 16 kg/h de oxígeno, o sea ½ mol/h de dicho elemento, se obtendrán 18 kg/h de agua, equivalente a 1mol/h de esa sustancia; en otras palabras: Masa entrante = masa saliente En toda reacción química el número de átomos de un elemento debe ser igual al número de átomos salientes. En la ecuación de formación del agua entran dos átomos de hidrógeno y salen otros dos formando parte de la molécula de agua, también entra un átomo de oxígeno y sale otro.

Átomos entrantes = átomos salientes

En las reacciones químicas los moles entrantes no son necesariamente iguales a los moles salientes. En el ejemplo señalado entran un mol y medio y sale un mol. Moles entrantes ≠ moles salientes

Sin embargo, se puede utilizar el balance en moles, aplicando las relaciones indicadas por la ecuación estequiometria. En el ejemplo se puede observar que por cada mol de agua

formada se requiere siempre medio mol de oxígeno y un mol de hidrógeno y esto se relaciona inmediatamente con las masas necesarias. Es imprescindible contar con la definición de algunos términos que se utilizan comúnmente, y que serán de utilidad para resolver ciertos tipos de problemas como, por ejemplo:

1 - Reactivo estequiométrico o teórico: Es el que está presente en la cantidad estequiometria o teórica, indicada por la reacción química balanceada. 2 - Reactivo limitante Aquel reactivo: que se consume por completo en una reacción química se le conoce con el nombre de reactivo limitante, pues determina o limita la cantidad de producto formado. 3 - Reactivo en exceso: Es aquel reactante que está sobrando con respecto al limitante. Normalmente se expresa en porcentaje 4 – Conversión: Es la fracción de la alimentación o de algún componente de la misma que se convierte en producto. Siempre es necesario aclarar cuáles son las sustancias involucradas. Generalmente se expresa en porcentaje. 5- Oxígeno teórico o estequiométrico: Es la cantidad de oxígeno que se debe introducir en el proceso para lograr la combustión completa del combustible en el reactor. O también, la cantidad de oxígeno indicada por la estequiometria de la reacción de combustión. 6- Aire teórico: Es la cantidad de aire que contiene la cantidad requerida de oxígeno teórico. Oxígeno en exceso Es la cantidad de oxígeno en exceso respecto al teórico o requerido para una combustión completa. 7- Aire en exceso: Es la cantidad de aire en exceso respecto al teórico o requerido para una combustión completa. Note que en los casos en que se utilice aire u oxígeno teórico no habrá presencia de oxígeno en los gases de salida debido a que este se consumirá completamente en la reacción.

GENERALIDADES DEL BALANCE DE MASA VARIABLE: Se entiende por variable de un proceso a una magnitud física que caracteriza una operación de un proceso. Por ejemplo, las temperaturas, presiones, volúmenes y velocidades son variables de un proceso. PARÁMETRO: Es una cantidad que caracteriza el sistema.

Puede o no permanecer constante en el tiempo. DIAGRAMA DE FLUJO: Los diagramas de flujo son muy útiles al momento de analizar un sistema. Estos diagramas permiten representar mediante rectángulos las operaciones unitarias o procesos (reactores, condensadores, columnas de destilación, separadores), y mediante flechas las corrientes (flujos que circulan por el sistema).

PROCESO: Se puede definir como una operación o el conjunto de operaciones que se suceden unos a otros de modo relativamente fijo, y que producen un resultado final. SISTEMA: Se puede entender como el conjunto de componentes que actúan de manera conjunta con el fin de cumplir ciertos objetivos. Cuando se estudia un sistema, o una proporción de un sistema es importante establecer la frontera del sistema. Dependiendo del proceso o los procesos a ser analizaos, habrá que delimitar hasta donde una unidad o parte pertenece o no al sistema objeto de estudio.

CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Un sistema puede consistir de más de un componente (normalmente lo hace). Estos componentes están separados; pueden ser interdependientes. Un sistema es una disposición ordenada e interrelaciona entradas y salidas, causas y efectos, o estímulos y respuestas. La realización de esta interrelación es la principal función de un sistema; el énfasis está en función del sistema en lugar de en su estructura. Un sistema no requiere que las entradas y salidas sean semejantes, o tengan la misma naturaleza. CONDICIÓN: El estado de un sistema se cuantifica en términos de las variables del sistema. Cualquier cambio en cualquier variable produce un cambio en la condición o estado del sistema. Si todas las variables del sistema son conocidas, el estado del sistema también lo es. MODELO: Es la representación simplificada de un sistema complejo.

Simula algunas, pero no todas, las características del sistema. Un modelo matemático representa al sistema a través de ecuaciones que expresan la relación entre las variables y parámetros.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Principios-Básicos-y-Cálculos-en-Ingeniería-Química-6º-edición-David-M.Himmelblau-Prentice-Hall. Departamento de Ingeniería Química – FI – UNSJ INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA Carreras: Ing. Química – Ing. En Alimentos G. Calleja Pardo, F. García Herruzo, A. de Lucas Martínez, D. Prats Rico y J. M. Rodríguez Maroto, "Introducción a la Ingeniería Química" Editorial Síntesis. Pág 112-126....