Balances de Materia

Balances de Materia

3.1 El balance de materia

Conceptos principales

Un proceso es una serie de pasos (acciones, operaciones) que conllevan un objetivo. En la ingeniería química el proceso implica cambios físicos y químicos en la materia.

Algunas operaciones pueden ser:[pic 1]

• reacciones químicas
• transporte de fluidos
• reducción y amplificación de tamaño del equipo[pic 2][pic 3]
• generación y transporte de calor
• destilación
• absorción de gases
• biorreactores

A cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso, establecida específicamente para su análisis, se le conoce como sistema. Un sistema puede ser abierto (continuo), donde se transfiere material por la frontera del sistema (pasa calor, masa y trabajo), o cerrado (por lotes), donde no tiene lugar una transferencia semejante durante el intervalo de tiempo de interés.

La frontera del sistema se circunscribe formalmente alrededor del proceso mismo, define el área de importancia del sistema en base a cada uno de los problemas que intente resolver. La frontera puede estar fija respecto al equipo del proceso, por ejemplo, un tubo de dentífrico; o puede ser una superficie imaginaria que se dilata o se encoge según se lleve a cabo el proceso.

[pic 4][pic 5]

El balance de materia es la contabilización de material. [pic 6][pic 7][pic 8]

[pic 9]

Se podría expresar como:[pic 10]

[pic 11]

Para realizar un balance podemos referirnos a la siguiente jerarquía:

1. La masa total
2. El total de moles
3. La masa de un compuesto químico
4. La masa de una especie atómica
5. Los moles de un compuesto químico
6. Los moles de una especie atómica
7. El volumen (posiblemente)

Para entender mejor la ecuación anterior, se puede decir que el término de acumulación se refiere a un cambio de masa o de moles (positivo o negativo) dentro del sistema respecto al tiempo, en tanto que la transferencia a través de las fronteras del sistema se refiere a las entradas y salidas del sistema. Es importante considerar el periodo de tiempo al cual se aplica el balance.

[pic 12][pic 13]

Los problemas que se formulan como ecuaciones diferenciales respecto al tiempo representan problemas de estado no estacionario (o transitorios). Mientras que en los problemas de estado estacionario los valores de las variables dentro del sistema no cambian con el tiempo.

Si no ocurre acumulación en un problema, y no se consideran los términos de generación y consumo, el balance de materia se reduce a una relación muy sencilla para un compuesto o para el total de materiales, en otras palabras: lo que entra debe salir.

[pic 14]

Es posible realizar balances de materia para una amplia variedad de materiales, para sistemas de diferentes tamaños, y con diversos grados de complicación.

3.2 Programa de análisis de problemas de balance de materia

Es importante utilizar un método ordenado para analizar los problemas y presentar sus soluciones, de modo que va a implicar desarrollar un razonamiento lógico para encontrar una solución única.

El principio esencial para formular un conjunto de ecuaciones lineales de balance de materia es asegurar que se satisfaga el número de variables cuyo valor se desconoce, igualando al número de ecuaciones independientes.

Para calcular el rango de la matriz de coeficientes de un conjunto de ecuaciones lineales el rango es igual al número de ecuaciones independientes. Por lo regular, en ausencia de reacciones químicas, el número de balances de materia independientes es igual al número de componentes implicados en el proceso.

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