“Nada” libro autora Jane Teller

Introducción. Con mucha simplificación y parcialidad se puede decir que un ingeniero es un resolvedor de problemas. Por ello resulta esencial en la formación de ingenieros intensificar y potenciar el hábito en la resolución de problemas. Los estudiantes aprenden a resolver problemas mediante la aplicación de leyes físicas y químicas, usando métodos y técnicas sencillas y un poco de sentido común.

La práctica y perseverancia en la realización de muchos problemas desarrolla la destreza y experiencia necesarias para atacar y resolver otros con éxito.

Los problemas de balance de materias dentro de la Ingeniería Química no nuclear son aquellos en los que se pide determinar la masa de sustancias químicas que se mezclan, se separan en varias fases o corrientes, o se combinan o transforman en otras, manteniendose invariantes dos principios fundamentales :

El primero es el principio de conservación de la materia que establece que la masa total del sistema no varía. Este principio puede extenderse también al caso de la conservación de la masa de aquellas sustancias químicas que no sufren reacción química.

El segundo principio es el de conservación de los elementos químicos que intervienen en el sistema y que se asocian en las diferentes moléculas que constituyen las sustancias químicas.

Finalmente cuando en el sistema intervienen iones podríamos añadir un tercer principio que sería el de electroneutralidad de cargas eléctricas o de igualdad de cargas positivas y negativas.

Método. En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los pasos que se señalan a continuación :

1.- Interpretar adecuadamente el enunciado del problema.

Conviene leer el problema varias veces para comprenderlo y asimilarlo bien. Tratar de identificar qué datos son conocidos y cuáles desconocidos. Si existe una o más reacciones químicas involucradas o por el contrario no hay ninguna. Si se conocen bien todas y cada una de las sustancias químicas que intervienen (elementos químicos y fórmulas de las moléculas) y que cambios pueden sufrir en las condiciones a que van a ser sometidas.

Se presupone siempre que las condiciones son estacionarias, es decir, independientes del tiempo y que no existe acumulación de masa en los equipos del proceso, de manera que la entrada de materia tiene que ser igual a la salida conservándose los principios que se indicaron más arriba.

Es preciso desarrollar el sentido común y los conocimientos de química para aventurar hipótesis correctas como por ejemplo que en toda combustión de una sustancia orgánica a alta temperatura y con aire suficiente todo el carbono se convierte en dióxido de carbono, todo el hidrógeno en agua, todo el azufre en anhídrido sulfuroso y todo el nitrógeno en nitrógeno molecular. Se considera por lo tanto, salvo indicación expresa, despreciable la formación de CO y de NOx.

Existen una serie de datos implícitos que se consideran conocidos "a priori" como la composición del aire (79% N2 y 21% O2) en el que se asimilan los gases inertes contenidos en el aire por simplificación a nitrógeno. La ecuación de estado de un gas perfecto PV = nRT, se supone válida y general para cualquier gas, lo que permite que 1 mol de cualquier gas ocupe 22,414 litros en condiciones normales ( 1 atm y 0ºC o 273ºK). También debe considerarse que toda composición gaseosa se expresa habitualmente en % en volumen porque se suele analizar así, además por lo señalado antes el % molar y el % volumétrico coinciden a cualquier presión y temperatura.

2.- Dibujar un diagrama de flujo

En el que se representen las corrientes de entrada y salida por flechas y las operaciones o procesos como cajas rectangulares . En ellas tendrán lugar por ejemplo reacciones químicas o procesos de mezcla o separación con una o varias entradas y en general una o varias salidas a veces con distintas fases : líquida, sólida o gaseosa.

3.- Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos.

En las corrientes de entrada y salida del diagrama de flujo se identifican las sustancias químicas, fases y se indican las composiciones en caso de ser conocidas y las cantidades de flujo de materia de las sustancias que sean datos en el problema.

4.- Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operación.

En caso de existir una o varias reacciones se ajustarán y asignarán a los procesos correspondientes así como su rendimiento o eficiencia tanto para aquéllas como para los procesos de separación.

5.- Seleccionar una base sencilla para los cálculos.

Dado que en general las reacciones entre sustancias químicas proceden en general de forma sencilla en moles ( número de veces en que está contenido el peso molecular de la sustancia en gramos), resulta cómodo elegir 1 o 100 moles como referencia o bien 1 o 100 Kmol del reactante principal o del más complejo si se conoce su composición molar, como base de cálculo.

6.- Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado.

Conviene de nuevo identificar

...