GUIA TEORICA UNIDAD 2. BALANCE DE MATERIA EN ESTADO ESTACIONARIO Y NO ESTACIONARIO

GUIA TEORICA UNIDAD 2. BALANCE DE MATERIA EN ESTADO ESTACIONARIO Y NO ESTACIONARIO

1. MEZCLAS GASEOSAS, LIQUIDAS Y SOLIDAS

CONCEPTO DEL BALANCE DE MATERIA

La aplicación de este concepto exige la delimitación de un sistema para poder saber claramente cuál es el objeto sometido a estudio.  Un tanque de agua con entradas y salidas, un reactor que se llena y luego es vaciado después de un proceso, una fábrica con todas las materias primas que recibe y todos los productos que suministras así como las corrientes de desperdicios que genera son todos ejemplos de sistemas objeto de estudio para un balance de masa.

En todos los procesos industriales se dan balances de materia (FM en kg/s, kg/min, ton/h, lb/s, etc) en los diferentes equipos que componen un proceso productivo. Un balance de materia en E.E dice: “el flujo de materia que entra a un proceso cualquiera, es igual al flujo o los flujos de materia que salen de dicho proceso”. Los balances de materia, simples son aquellos en los cuales no intervienen reacciones químicas, ni gráficas de equilibrio químico, para su resolución. Para realizar balances de materia simples, siempre se toma como base una unidad de tiempo, s, min, h.

Las siguientes definiciones deben tenerse muy en cuenta cuando se plantea la solución de un problema de balance de materia.

La Figura 1 representa esquemáticamente un proceso, donde el rectángulo indica la unidad en la cual se ejecuta la operación, las flechas muestran las corrientes que entran y salen de esta unidad y las líneas a trazos definen el sistema sometido a estudio.

Figura 1.  Unidad de proceso sometida a estudio.[pic 1][pic 2]

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El proceso puede ser simplemente una operación dada o cubrir a su vez un conjunto de operaciones.  Si se traza un límite alrededor de un sistema como el descrito, se tendrá perfecta claridad sobre cuál es el objeto de análisis, qué sucede dentro, qué llega y qué sale.

Unidad de proceso.  Equipo donde se ejecuta una operación determinada.

Alimento.  Es la corriente que entra a un proceso.

Producto.  Es la corriente que sale de un proceso.

Punto de mezcla.  Conjunción de dos o más corrientes para dar una nueva corriente (Figura 2.a).

Punto de separación.  División de una corriente en dos o más (Figura 2.b).

Figura 2.  Puntos de mezcla (a) y de separación (b) de corrientes.

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Sustancia liga.  Es una sustancia extraña que se adiciona en una corriente que entra al sistema y está presente en una corriente de salida.  Esta sustancia desempeña un papel fundamental en la solución de problemas específicos ya que permite relacionar dos corrientes distintas, lo cual facilita la solución que se busca.

Estado estacionario.  Es aquel estado de un proceso que se caracteriza porque todas sus variables en un punto dado no cambian con el tiempo.

Base de cálculo.  Es una cantidad de una variable seleccionada convenientemente como punto de referencia para la solución de un problemas.  Esta base puede ser un volumen, una masa, un período de tiempo o cualquier otra cantidad adecuada.  El valor más empleado es uno o cien unidades, ya que simplifica los cálculos.  Una vez definida esta base de cálculo, debe mantenerse durante el proceso evaluatorio, pues una alteración conduce a resultados erróneos.

El balance de masa se fundamenta en el principio de la conservación de la materia expresado de la siguiente forma y aplicado sobre una unidad de proceso (Figura 1).

Entradas – salidas + generación – consumo = acumulación                Ecuación 1

Cuando se presenta el estado estacionario, el término de acumulación de la ecuación 1 desaparece y queda:

Entradas – salidas + generación – consumo = 0                        Ecuación 2

En los procesos donde no se lleva a cabo reacción química no tienen lugar los términos Generación ni Consumo, con lo cual la ecuación 2 queda reducida a:

Entradas = Salidas                Ecuación 3

De acuerdo con el proceso que esté sometido bajo estudio, se aplica una de las ecuaciones antes anotadas.

El planteamiento del balance de masa para la solución de los problemas es de dos formas que aplicadas al caso de la Figura 1 para el caso de mezclas de dos componentes es como sigue:

Balance total.  Consiste en aplicar la ecuación básica a las masas totales en cada una de las corrientes; si se aplica al entorno definido por las líneas punteadas queda:

A + B = C

Balance parcial.  Consiste en aplicar la ecuación de balance a cada uno de los componentes por separado de tal forma que den origen a ecuaciones independientes, alrededor del mismo entorno. Para un componente i se tiene:

AXi  + BXi = CXi donde X es la fracción peso del componente i y A, B y C son las masas de cada corriente.

A continuación se presentan algunos tipos de balance de materia:

1.1 BALANCE DE MATERIA PARA UN MEZCLADO

Son aquellos en los cuales entran dos corrientes y sale solo una. Estas corrientes pueden ser sólidos, líquidos o gaseosas.[pic 14]

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El proceso es delimitado ficticiamente para su comprensión así:

Balance de Materia Total E.E

A  +  B  =   M

Balance de Materia Parcial E.E para un componente i

A Xi,A     +     B Xi,B   = M Xi,M

Algunos ejemplos de balance de materia de mezclado tenemos:

- dos soluciones de diferentes concentraciones para obtener otra de concentración intermedia.

- mezcla de carbones de diferente calidad para obtener una de calidad media.

Las mezclas líquidas más comunes son preparación de soluciones. Por lo que se utiliza el concepto de concentración.

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