Ingeniería Civil Industrial: Balance de materia y energía

De las publicaciones del Ingeniero Rodolfo Gamez Aguilar

Para comenzar el análisis, debemos considerar que el balance de materia y energía son un cálculo de entradas y salidas de materiales y energía dentro de un proceso o de una parte de este. Este cálculo es parte de del modelamiento matemático que podemos realizar antes de comenzar la implementación de un proceso de fabricación, por lo que estos balances son importantes para el diseño del tamaño de los equipos que se emplean y para calcular sus costos.

Los balances proporcionan información sobre la eficiencia de los procesos y, particularmente, se basan en la ley de la conservación de la materia y la energía, la que indica que la masa y la energía son constantes, por lo tanto la masa y la energía entrante a un proceso, deben ser iguales a la masa y la energía salientes a menos que se produzca una acumulación dentro del proceso.

Esto implica que la masa que entra en un sistema debe, por lo tanto, salir del sistema o acumularse dentro de él, por lo que cuando existe la reacción de un componente químico, se presenta la siguiente condición:

Entradas + Producción = Salidas + Acumulación

El término de producción puede utilizarse para describir velocidades de reacción. Los términos de producción y acumulación pueden ser positivos o negativos.

Los balances de materia pueden ser integrales o diferenciales.

Los balances diferenciales indican lo que ocurre en un sistema en un sistema en un instante determinado. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (de entrada, de generación, etc.) y se da en las unidades de la cantidad balanceada dividida entre la unidad de tiempo (personas/año, barriles/día, etc.). Éste es el tipo de balance que por lo general se aplica a un proceso continuo.

Para hacer un balance diferencial de materia se debe describir también el interior del sistema. En los casos más simples, este se considera homogéneo (perfectamente mezclado).

Los balances integrales o que describen lo que ocurre entre dos instantes determinados. Cada término de la ecuación es una porción de la cantidad que se balancea y tiene la unidad correspondiente (personas, barriles, etc.). Éste tipo de balance suele aplicarse a procesos intermitentes o por lotes, y los dos instantes determinados son: el momento después de que se realiza la alimentación y el momento anterior al que se retire el producto.

Para poder hacer un balance integral de materia primero se deben identificar los límites del sistema, es decir, cómo el sistema está conectado al resto del mundo, y cómo el resto del mundo afecta al sistema.

TIPOS DE BALANCE

Balance de masa global o total: Se realiza en todo el sistema considerando las masas totales de cada una de las corrientes de materiales
Balance parcial: Se realiza en los subsistemas considerando un determinado componente en cada una de las corrientes
Balance molar: Si en el sistema no se originan cambios químicos
Balance atómico: Si en el sistema hay cambios químicos
Balance volumétrico: Si no se originan cambios de estado

La comprobación del balance de materia es convirtiendo todos tus moles a kg masa y de ese modo toda la masa que entre debe ser igual a la que sale más lo que se acumula.

El balance de materia y energía, son la etapa previa al diseño de un proceso, permitiendo:

Evaluar la cantidad de calor por unidad de tiempo a transferir en el intercambiador, Q (Carga térmica, heat duty, heat load)
Especificar las condiciones de operación (entrada y salida) y la escala del proceso.

Diseñar implica determinar coeficientes de transferencia para, mediante ecuaciones de transferencia, obtener las dimensiones esenciales.

Los balances se escriben a partir de los flujos de masa y energía por unidad de tiempo a través de un volumen de control.

Existen softwares para la ayuda en el cálculo de estos procesos, del cual presento un video de su uso.