Manual De La Historia Americana

2. BALANCES DE MATERIA

2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS

Los balances de masa o balances de materia se basan en la ley de la conservación de la materia, que establece que la materia no se crea ni se destruye.

Los balances de masa son utilizados en el diseño de un nuevo proceso o en el análisis de uno ya existente.

Los procesos químicos pueden clasificarse en intermitentes (batch), continuos o semiintermitentes y como estacionarios (en régimen permanente) o transitorios.

Proceso intermitente: La alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después.

Proceso continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso.

Proceso semiintermitente: Cualquier proceso que no es intermitente ni es continuo.

Proceso en régimen permanente o estacionario: Todas las variables del proceso (temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los valores promedio constantes.

Proceso transitorio: Cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo.

Los procesos intermitentes y semiintermitentes son operaciones en régimen no permanente y los procesos continuos pueden ser transitorios o estacionarios.

El proceso intermitente se usa cuando se producen cantidades pequeñas de producto en una única ocasión, mientras que para producciones grandes se usan procesos continuos en régimen permanente. Las condiciones de un régimen transitorio existen durante el arranque de un proceso y en los cambios subsecuentes en las condiciones de operación del proceso.

2.2 ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE

Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (una unidad del proceso, varias unidades o el proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general:

Entrada (entra a través de las fronteras del sistema) + Producción (producida dentro del sistema) – Salida (sale a través de las fronteras del sistema) – Consumo (consumida dentro del sistema) = Acumulación (acumulada dentro del sistema).

Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso, para cualquier especie atómica (balance parcial de masa) o para las masas totales de los flujos de entrada y salida (balance total de masa).

Se pueden escribir dos tipos de balances: diferenciales e integrales.

Balances diferenciales: Indican lo que está sucediendo en un sistema en un instante de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (velocidad de entrada, velocidad de producción) y tiene unidades de la unidad de la cantidad balanceada dividida entre una unidad de tiempo (g/s, barriles/día). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos continuos.

Balances integrales: Describen lo que ocurre entre dos instantes de tiempo. Cada término de la ecuación de balance es una cantidad de la cantidad balanceada y tiene las unidades correspondientes (g, barriles). Este tipo de balance se aplica generalmente a procesos intermitentes siendo ambos instantes de tiempo el momento en que se efectúa la entrada y el momento previo a la extracción del producto.

2.3 BALANCES EN PROCESOS CONTINUOS EN RÉGIMEN PERMANENTE:

Para cualquier sustancia involucrada en el proceso el término de acumulación en la ecuación de balance debe ser igual a cero, de lo contrario, la cantidad de la sustancia en el sistema debe necesariamente cambiar con el tiempo y, por definición, el proceso no se llevaría a cabo en régimen permanente. Así pues, para los procesos continuos en régimen permanente, la ecuación general de balance se simplifica en:

Entrada + producción = salida + consumo

2.3.1 EJERCICIO:

Mil quinientos kilogramos por hora de una mezcla de benceno y tolueno que contiene 55% en masa de benceno se separan, por destilación, en dos fracciones. La velocidad de flujo

másico del benceno en la parte superior del flujo es de 800 kg/h y la del tolueno en la parte inferior del flujo es de 600 kg/h. La operación se lleva a cabo en régimen permanente. Escriba los balances del benceno y del tolueno para calcular las velocidades de flujo no conocidas de los componentes en los flujos de salida.

800 kg b/h – q1 kg t/h

825 kg b/h

675 kg t/h

600 kg t/h – q2 kg b/h

El proceso se efectúa en régimen permanente y por eso el término acumulación de los balances de masa es cero. Como no ocurren reacciones químicas, los términos de producción y consumo son iguales a cero. Por lo tanto, la ecuación de balance de masa toma la forma: Entrada = salida.

Balance parcial de masa de benceno: 825 kg b/h = 800 kg b/h + q2 → q2 = 25 kg b/h

Balance parcial de masa de tolueno: 675 kg t/h = q1 + 600 kg t/h →q1 = 75 kg t/h

Comprobación:

Balance total de masa: 1500 kg/h = 800 kg/h + q1 + q2 + 600 kg/h → 1500 kg/h = 800 kg/h + 75 kg/h + 25 kg/h + 600 kg/h → 1500 kg/h = 1500 kg/h

Respuestas: 25 kg b/h y 75 kg t/h.

2.4 BALANCES INTEGRALES EN PROCESOS INTERMITENTES:

Cuando ocurren reacciones químicas en procesos intermitentes, como las fronteras del sistema no son atravesadas ni por reactivos ni por productos entre el momento inicial y el momento en el cual termina la reacción, la ecuación de balance se reduce a:

Acumulación = producción – consumo.

Además, la cantidad de cada sustancia en el reactor entre ambos momentos, es simplemente la cantidad final menos la cantidad inicial:

Acumulación = salida final – entrada inicial.

Si se igualan estas dos expresiones para la acumulación, se tiene

Entrada inicial + producción = salida final + consumo

Esta ecuación es idéntica a la ecuación para procesos continuos, excepto que en este caso los términos de entrada y salida denotan las cantidades inicial y final de la sustancia balanceada en vez de las velocidades

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