1.2.A. ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE.pptx.

balance de materia y energia

1. 19/01/2024 MI José Rafael Flores García 1 FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA BALANCE DE MATERIA Y ENERG Í A 1.2. ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE MIQ. JOSÉ RAFAEL FLORES GARCÍA Primavera 2024 COLEGIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

2. PRESENTACIÓN Existen diferentes productos como son los alimenticios, farmacéuticos, agrícolas, etc. La elaboración de estos productos a escala industrial es un asunto muy importante para la sociedad moderna. Por eso mismo los alimentos, químicos y fármacos, se encuentran en el área de aplicación de los Ingenieros en Biotecnología especialmente en lo que se refiere al diseño y soluciones de procesos. Para lograr esto con calidad y efectividad es indispensable tener un control y evaluación en las etapas de producción para garantizar que el producto obtenido sea el adecuado en composición y calidad para el consumidor final.

3. SISTEMA Un sistema se considera abierto cuando se transfiere materia por la frontera del sistema; es decir, que entra materia del entorno al sistema o sale materia del sistema hacia el entorno, o ambas cosas. Un sistema es cerrado cuando no tiene lugar una transferencia semejante de materia, durante el intervalo de tiempo en el que se estudia el sistema. Un balance de materia es simplemente la aplicación de la Ley de conservación de la masa : “ La materia no se crea ni se destruye ” En un proceso químico, en particular, no es más que el conteo ( stock ) o inventario de cuánto entra, sale y se usa de cada componente químico que interviene en cada proceso.

4. Se podría traducir la ley de conservación de la masa, como sigue: “El total de la masa que entra a un proceso o unidad es igual al total de la masa que sale de esa unidad” . Obsérvese que se hace referencia a la masa y no a la cantidad de materia (medida en moles) ni a cualquier otra relación física de los componentes (volumen, área,...).

5. Los balances de materia se aplican a cualquier sistema al que se le hayan definido sus fronteras, no importa si su naturaleza es física, química. Son una de las herramientas básicas de análisis de los sistemas, así como también lo son: el balance de energía, las relaciones físico-químicas entre algunas variables y las especificaciones o restricciones en el funcionamiento del proceso. Se entiende por variable de un proceso a una magnitud física que caracteriza una operación de un proceso. Considerar las variables directamente relacionadas con la materia y otras no lo son. Propiedades extensivas e intensivas. Por ejemplo, las temperaturas, presiones, volúmenes y velocidades de flujo son variables de un proceso.

6. Los (DB) Diagramas de Bloques permiten representar mediante rectángulos las operaciones unitarias o procesos ( e.g . reactores, condensadores, columnas de destilación, separadores) y mediante flechas las corrientes (i.e. flujos que circulan por tuberías) de los componentes que intervienen en el sistema y que circulan entre las unidades de operación. Estos sirven de base para hacer el Diagrama de Flujo de Proceso. Los (DFP) Diagramas de Flujo de Proceso son muy útiles al momento de analizar todo un sistema con los equipos ubicados conforme al diagrama de Bloques .

7. Un ejemplo de Diagrama de bloques se muestra en la figura 3.1, el sistema estudiado está compuesto por tres unidades o procesos: el mezclado r, un reactor y un condensador . Las corrientes de entrada, salida e intermedias están representadas por flechas que indican el sentido del flujo. También se ha especificado, sobre cada flecha, cada uno de los componentes de cada flujo utilizando letras.

8. Por ejemplo, la alimentación del sistema contiene solamente sustancias X e Y, mientras que la corriente que sale del reactor hacia el condensador contiene ciertas cantidades de los compuestos X, Y y Z. Fig 3.1 .

9. En esta figura se observa también una línea punteada (en color azul), la cual representa la frontera del sistema. Hay tres recuadros en línea discontinua (de color rojo), que representa cada uno la frontera propia de la unidad de proceso. Cada unidad puede ser estudiada por separado, o se puede estudiar el sistema en conjunto. También podría estudiarse la combinación de unidades mezclador-reactor o reactor-condensador, si fuera necesario (línea discontinua de color verde).

10. Clasificación de los procesos Basándose en la dependencia o no respecto del tiempo, un proceso pueden clasificarse como: PROCESO EN ESTADO ESTACIONARIO (CONTINUO). Aquel cuyo estado (i.e. las variables que intervienen en el mismo) no cambia en el tiempo o sus variaciones son despreciables durante un intervalo de tiempo suficientemente amplio. Cuando las corrientes de entrada y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso. PROCESO EN RÉGIMEN TRANSITORIO (estado no estacionario). Aquel cuyo estado varía en el tiempo , haciendo que los valores de las variables involucradas presenten cambios significativos en su dinámica. PROCESO EN ESTADO ESTACIONARIO PROCESO EN RÉGIMEN TRANSITORIO PROCESO POR LOTES PROCESO SEMICONTINUO

11. Basándose en la manera en que es diseñado para llevar a cabo sus operaciones, un proceso puede ser clasificado como: c) PROCESO POR LOTES (INTERMITENTE). Por ejemplo, se cargan en un recipiente las corrientes de alimentación al comienzo del proceso solamente y, después de transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido del recipiente en parte o en su totalidad. d) PROCESO SEMICONTINUO, cuando tiene características de los dos anteriores.

12. Por su naturaleza, los procesos por lotes y semicontinuos operan en estado no estacionario (hay instantes de tiempo donde se producen cambios “bruscos ” en la dinámica de las variables), mientras que los procesos continuos pueden ser estacionarios o inclusive transitorios. Estos últimos se comportan como procesos transitorios cuando son arrancados (se inicia su operación a partir de ciertas condiciones iniciales o de partida) o cuando se modifica alguna variable interventora (de manera intencional o no) en el mismo, pero por lo general, ellos operan muy cerca de su condición estacionaria.

13. Al delimitar el objeto de estudio, es posible formular las estrategias de análisis y resolución del problema planteado. Toda parte o componente que no pertenece al sistema en estudio (que está fuera de la frontera del sistema) se considera parte de los alrededores o del entorno . En el contexto descrito, los balances de materia se emplean para determinar rendimientos de los procesos, con esta herramienta se cuantifica la porción de producto obtenido por cantidad de materia prima suministrada en el proceso, esto permite reducir al máximo los desperdicio de materias primas y optimizar recursos en plantas industriales.

14. Por otra parte, los balances de energía son necesarios cuando se diseña una planta industrial debido a que proporcionan información acerca de la potencia requerida de bombas para transporte de fluidos, el tiempo para realizar el secado de productos, la cantidad de calor que adsorbe o libera un equipo en una fábrica. Estos son sólo algunos ejemplos que ilustran la importancia de identificar y realizar balances de energía en el diseño de plantas productivas.

15. En esta tema conocerás las herramientas básicas y los conceptos para el análisis del balance de materia y energía en la Ingeniería, los cuales te serán útiles en la elaboración de procedimientos y técnicas que conduzcan a soluciones de ingeniería, también revisarás, propuestas de diseño y aplicaciones de los balances de materia y energía para el diseño de procesos y aplicación de equipos en dichos procesos. Los procesos en ingeniería química son una serie de etapas secuenciales para la obtención de un producto en escala industrial, a las etapas que componen y determinan a un proceso en ingeniería química se les denominan operaciones unitarias , las cuales dependiendo del fenómeno que ocurre en cada una se dividen en operaciones unitarias con proceso físico o químico.

16. En general en la industria requiere identificar el proceso para la elaboración de un producto biotecnológico, esto se refiere a establecer la secuencia de etapas lógicas para la obtención del producto y/o servicio. Los puntos de control de un proceso industrial se identifican a través del uso de diagramas de flujo. Una vez definidas e identificadas las etapas (operaciones unitarias) y el proceso, el siguiente paso es determinar las variables que determinan y por supuesto, controlan el proceso como son temperatura, presión, flujo másico, flujo volumétrico , etcétera.

17. Para tener una visión global del proceso se emplean diagramas de flujo que son esquemas que ilustran las etapas para la obtención de un producto o servicio. Posteriormente revisarás la Ley de conservación de materia y se presentan las ecuaciones generales para procesos físicos y procesos con transformación química. Finalmente se mencionan las aplicaciones de los balances en el modelado y simulación de procesos.

18. PROCESOS Los procesos industriales son un conjunto de operaciones ordenadas para la transformación de alguna sustancia para la generación de algún producto, donde se realizará un cambio de condiciones propiedades y funcionalidades, dentro de dicho proceso existen diferentes operaciones involucradas. En los procesos se realizan inherentes reacciones químicas, es decir podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar que consta de una serie de operaciones físico - químicas.

19. UBICACIÓN DE LOS DIFERENTES BALANCES Existen dos tipos de balances de materia, sin embargo ambos tienen su fundamento en la Teoría de la conservación de la materia propuesta por Antonio Lavoisier que establece que la materia no se crea ni se destruye sólo se transforma , para nuestra área de estudio la podemos enunciar como, la materia que entra a un sistema es la misma que sale del sistema . La ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE DE MATERIA establece que la materia que entra al sistema es igual materia que sale del sistema (+) la materia que se genera en el sistema( - ) la materia que se consume en ver el esquema de la figura 1.

20. ACTIVIDAD PARA EL ALUMNO En el capítulo 4 Fundamentos de los balances de materia de Felder, et al (2004) en donde encontrarás ejercicios enfocados a este tema.

21. Ejemplo. Cada año llegan 50,000 personas a la ciudad, se van 75,000, nacen 22,000 y mueren 19000. Determine cuantas personas se pierden. Un balance de la población de la ciudad es: ENTRADA PERSONAS - SALIDA PERSONAS + GENERACIÓN PERSONAS – CONSUMO PERSONAS = ACUMULACIÓN Se representa a las personas con la letra P. Es decir, cada año la ciudad pierde 22,000 personas.

22. En los procesos físicos en donde NO OCURRE REACCIÓN y además está en estado estacionario, los términos de generación de materia y consumo se hacen cero, por lo tanto la ecuación de balance para procesos físicos se simplifica quedando de la siguiente forma: ENTRADA DE MATERIA = SALIDA DE MATERIA En este tipo de procesos es importante identificar el número de entradas y salidas del sistema. Vamos a ejemplificar lo mencionado, observa el esquema de la figura 2, en el cual se representa los diagramas de bloques de dos sistemas (1 y 2) además que son operaciones unitarias sin reacción. Para el sistema 1, es un proceso de mezclado, en donde la ecuación de balance de materia queda: ENTRADAS = SALIDAS

23. Observa que en este sistema tenemos tres entradas y una salida, entonces el balance de materia para este sistema en particular queda de la siguiente forma: ENTRADA 1+ ENTRADA 2 + ENTRADA 3 = SALIDA 4 Empleando la simbología queda: M1+M2+M3=M4 Para el sistema 2, es un proceso físico de evaporación hay una entrada y dos salidas entonces el balance del proceso de evaporación queda: Entrada A = Salida B + Salida C Si empleamos como símbolo de masa a M la ecuación se representa: MA=MB + MC

24. La cual se puede describir la materia que entra en la línea de proceso A al evaporador es igual a la materia que sale del evaporador en la línea de proceso B más la materia que sale del evaporador en la línea de proceso C. Para los balances de materia en procesos físicos se recomienda realizar primero el diagrama de bloques del proceso con el fin de identificar las entradas y salidas del proceso. Para las operaciones unitarias en donde hay reacción , se emplea la ecuación general de balances en procesos químicos; en estos casos la materia que entra al sistema se transforma, existe generación de productos y consumo de la materia prima.

25. BALANCE DINÁMICO SIN REACCIÓN QUÍMICA La ecuación de balance para procesos químicos y en estado estacionario, se emplean los cuatro términos: entrada de materia es igual a la salida de materia más generación de materia y consumo de materia. Esta ecuación de balances de materia se emplea en la fermentación láctica, fermentación alcohólica, combustión, oxidación, etcétera. ENTRADA = SALIDA + GENERACIÓN –CONSUMO En los procesos químicos es importante conocer la reacción que se lleva a cabo para identificar los materiales que se generan (producto) y los que se consumen (materia prima). El balance de materia para la materia prima la ecuación se simplifica de la siguiente forma. Obsérvese que el término de generación se hace cero y la ecuación se reduce: ENTRADA =SALIDA + CONSUMO El balance de materia para el producto, los términos de entrada y consumo se hacen cero y la ecuación queda así: SALIDA = GENERACIÓN

26. FUENTES BIBLIOGRAFICA FELDER, R ROUSSEUA. (2003). Principios elementales de los procesos químicos. México: Limiusa Wiley. REKLAITIS, G. (1986). Balance de materia y energía. México. Interamericana. https://dmd.unadmexico.mx/contenidos/DCSBA/BLOQUE1/BI/04/BBME/unidad_01/descargables/BBME_U1_Contenido.pdf

27. CONCLUSIONES