BALANCES DE CONSERVACIÓN DE MASA Y DE MATERIAL

CONSERVACIÓN DE LA MASA.- Una de las leyes básicas de la física es la LEY DE LACONSERVACIÓN DE LA MASA, Esta ley, expresada en forma simple, enuncia que la masa nopuede crearse ni destruirse (excluyendo reacciones nucleares o atómicas). Por consiguiente,la masa o el peso total de todos los materiales que entran en un proceso debe ser igual a lamasa total de todos los materiales que salen del mismo, mas la masa de los materiales quese acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = salidas + acumulación

En la mayoría de los casos, no se presenta una comulación, de materiales en el proceso, por loque las entradas son iguales a las salidas, expresado en otras palabras LO QUE ENTRA DEBESALIR. A este tipo de sistema se le llama proceso estable

Entradas = salidas (estado estable)

Tenemos los siguientes tipos de balances de materiales:

• Balances de materiales simples

• Balance de materiales y recirculación

• Balances de materiales y reacciones químicas

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BALANCES DE MATERIALES SIMPLES

En este tema estudiaremos balances de material (en peso o masa) simples en diversos procesos en estado estable, sin que se verifique una reacción química. Podemos usar unidades de kg, g, mol kg, etc. , para estos balances. Conviene recordar la necesidad de ser consistentes y no mezclar varios tipos de unidades en los balances. Cuando intervienen reacciones químicas en los balances, deben usarse unidades de kg mol, pues las ecuaciones químicas relacionan moles reaccionantes

• Para resolver un problema de balances de materiales es aconsejable proceder mediante una serie de etapas definidas, tal como se explican a continuación:

1. TRÁCESE UN DIAGRAMA SIMPLE DEL PROCESO.- Este puede ser un diagrama de bloques que muestra simplemente la corriente de entrada con una flecha apuntando hacia adentro y la corriente de salida con una flecha apuntando hacia afuera. Incluyéndose en cada flecha composiciones, cantidades, temperaturas y otros detalles de la corriente. Todos estos datos deben quedar incluidos en el diagrama.

2. ESCRIBA LAS ECUACIONES QUÍMICAS INVOLUCRADAS.- (si las hay)

3. SELECCIONE UNA BASE PARA EL CÁLCULO.- En la mayoría de los casos, el problema concierne ala cantidad específica de una de las corrientes del proceso, que es la que se selecciona como base.

4. BALANCE DE MATERIALES.- Las flechas hacia adentro del proceso significaran entradas, y las que van hacia afuera salidas. El balance puede ser un balance total de materiales o un balance en cada componente presente (cuando no se verifican reacciones químicas).

Los procesos típicos en los que no hay una reacción química son, entre otros: secado, evaporación, dilución de soluciones, destilación extracción, los que pueden manejarse por medio de balances de materiales conteniendo incógnitas y resolviendo posteriormente, las ecuaciones para conocer dichas incógnitas.

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BALANCE DE MATERIALES Y RECIRCULACIÓN

En algunas ocasiones se presentan casos en los que hay una recirculación oretroalimentación de parte del producto a la corriente de alimentación.Por ejemplo, en una planta de tratamiento de aguas negras, parte de loslodos activados de un tanque de sedimentación se recirculan al tanque deaireación donde se trata el líquido. En algunas operaciones de secado dealimentos, la humedad del aire de entrada se controla recirculando partedel aire húmedo y caliente que sale del secador. En las reaccionesquímicas, el material que no reaccionó en el reactor puede separarse delproducto final y volver a alimentar al reactor.

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BALANCES DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA Y CALOR

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.-

Para llevar a cabo los balances de materiales se usó la ley de conservación de la masa, que indica que lamasa que entra al sistema es igual a la que sale mas la acumulada en el proceso. De manera similar sepuede enunciar la ley de conservación de la energía, que postula que toda la energía que entre en unproceso es igual a la que sale mas la que queda en el proceso.

La energía puede manifestarse de varias maneras, algunas de sus formas mas comunes son: la entalpía, laenergía eléctrica, la energía química (en términos de la ΔH de la reacción), la energía cinética, la energíapotencial, trabajo y el flujo de calor.

En muchos casos de ingeniería de proceso, que casi siempre se llevan a cabo a presión constante, la energíaeléctrica, la energía potencial y el trabajo, o bien no están presentes o bien resultan despreciables De estamanera, sólo es necesario tomar en cuenta la entalpía de los materiales (a presión constante), la energíanormal de la reacción química (ΔH°) a 25°C, y el calor añadido o extraído. A esto se llama balance de calor.

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BALANCES DE CALORPara establecer un balance de calor en estado estable se usan métodos similares a los aplicados en los

balances de materiales. La energía o calor que entra a un proceso con los materiales alimentados, mas la energía neta que se añada al proceso, es igual a la energía de salida de los materiales. Expresando esto en forma matemática,

∑HR + (- ΔH°298) + q = ∑Hp

Donde:

∑HR .- Es la suma de las entalpias de todos los materiales que entran en el proceso de reacción con respecto al estado de

referencia para el calor normal de reacción a 298 °k y 101.32 kPa. Si la temperatura de entrada es superior a 298 °k esta suma será positiva.

ΔH°298.- Calor normal de reacción a 298 °k y 101.32 kPa. La reacción contribuye con calor al proceso, por lo que el signo

negativo de ΔH°298 se considera como entrada positiva de calor para una reacción exotérmica.

q.- Energía neta o calor añadido al sistema. Si el sistema desprende calor este término será negativo.

∑Hp.- Suma de entalpías de todos los materiales de salida con respecto al estado normal de referencia 298 °k (25 °C)

Nótese que si los materiales de entrada a un proceso están por debajo de 298 °k ∑HR será negativa. Es necesario tomar precauciones para no confundir los signos de los términos de la ecuación anterior. Si no se verifica reacción química alguna, entonces simplemente existe un calentamiento, un enfriamiento o un cambio de fase. Por conveniencia para el cálculo es costumbre llamar a los términos del lado izquierdo de la ecuación términos de entrada, y a los de la derecha, términos de salida.

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