Balances de materia y energia

Balances de materia y energía

En el curricular de un ingeniero químico una de las materias de más importancia o trascendencia es la de “Balance de Materia y Energía”, aunque se podría decir que dichos balances no son más que la aplicación de la ley de conservación de la masa y energía. Los cálculos hechos en esta son un requisito previo para resolver diversos problemas tanto sencillos como complejos en la ingeniería.

La ingeniería química se centra en operaciones como las reacciones químicas, el transporte de fluidos, la reducción y la amplificación de tamaño del equipo, la generación y el transporte de calor, la destilación, la absorción de gases, los biorreactores y demás cosas que causan cambios físicos y químicos en los materiales. Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su análisis. Cada sistema tiene una frontera que lo limita, ya sea imaginaria o real, esta frontera es la separación entre el sistema y sus alrededores o entorno. A base de esto los sistemas se dividen en:

• Abiertos: Aquellos que intercambian materia y energía con su entorno.
• Cerrados: Intercambian solo energía con su entorno.
• Aislados: No intercambian ni materia, ni energía, con el entorno.

La mayoría de los procesos de la industria química se encuentran formados por diversas series de operaciones y procesos llamadas unitarios, en las operaciones unitarias las materias no sufren cambios a nivel molecular, aunque sí cambios físicos tales como cambios de estado, concentración, presión y temperatura; y en los segundos por el contrario que en las operaciones unitarias, en la materia si existen cambios químicos, como por ejemplo en la combustión o polimerización, por mencionar algunos. La combinación de procesos y operaciones unitarios permite la formación de cualquier proceso químico y por lo tanto cualquier planta química.  

Como ya se sabe, los procesos químicos pueden clasificarse en procesos batch (por lotes) en los cuales la alimentación se introduce al inicio del proceso y después de determinado tiempo, se obtienen todos los productos al final del proceso; o como procesos continuos, en este tipo de procesos las alimentaciones y las salidas fluyen continuamente, es decir todo el tiempo mientras el proceso se encuentre activo, se van a alimentar los equipos y se van a estar obteniendo productos. Cuando los valores de las variables del proceso (como son temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo, etc.) no varían con el tiempo, se dice que el proceso opera en régimen permanente o estacionario; por otra parte, si dichos valores cambian, se dice que el proceso se encuentra en régimen dinámico.

Balance de materia

Para empezar, hay que definir muy bien que son los balances de materia. Ya que se utilizan para contabilizar los flujos de masa y energía en un proceso. Esto es importante para poder determinar el diseño y el tamaño de los equipos y/o materiales que se emplean y para poder calcular costos. Al mismo tiempo proporciona información sobre la eficiencia, y así poder controlar los niveles de producción o avance del proceso.

Para realizar el balance de materia de un proceso químico es indispensable partir de un diagrama, en este se deben mostrar la transformación de la materia prima a un producto. El ingeniero debe tener una gran capacidad para poder visualizar el proceso como una sola estructura general y de esto poder pasarla a papel o en mejor de los casos poder llevar dicha estructura a un simulador de procesos. El balance no necesariamente debe de estar en un diagrama de flujo detallado, basta con realizarlo partiendo de un diagrama de bloques, siempre y cuando no se olvide indicar la dirección de flujos, entradas y salidas de cada equipo, así como ciertas características de cada corriente.

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