fundamentos teóricos de estas herramientas

1. UNIDAD CURRICULAR:
CALIDAD Y AMBIENTE DE LOS PROCESOS
TECNOLÓGICOS
UNIDAD III: Herramientas de Análisis de los Procesos Industriales . Balance de materia
Elaborado por: Dra. Luisa Stocco, actualizado por MSc. Libia Escobar

2. BALANCE DE MATERIA
1
Fundamentos y metodología
2
Balance en operaciones físicas
3
Balance en sistemas con reacción
química

3. ¿CUÁLES SON LAS BASES DEL ANÁLISIS DE PROCESOS ?
Recordemos que en cada proceso / operación unitaria se cambian las
condiciones de una determinada cantidad de materia de una o más de las
siguientes formas:
Energía alta calidad
Materias primas Productos
Energía residual Subproductos - efluentes
PROCESO
Servicios
auxiliares
modificando su
masa o composición
modificando sus
condiciones de
movimiento
modificando el nivel
o calidad de la
energía que posee

4. ¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE PROCESOS?
Por la forma de
trabajo
Por su
comportamiento
con respecto al
tiempo
•Batch (por carga):
procesamiento por lotes
•Continuo: insumos y
productos fluyen
continuamente
•Semicontinuo:
combinación de
operaciones continuas y
por batch
•Estacionario: las variables
del proceso no cambian
sus valores
•Transitorio: alguna
variable cambia su valor

5. ¿CUÁLES SON LAS HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS?
• relación de
equilibrio, ley de
gases ideales,
diagramas de
fases
• cantidades,
composiciones,
relaciones entre
las corrientes
•sin reacción: número de
ecuaciones= número de
especies
•con reacción: número de
ecuaciones = número de
especies – número de
reacciones químicas
independientes entre las
especies
Balance de
materia
Balance de
energía
Ecuaciones
de diseño
Relaciones
termodinámicas y
estequiométricas
Especificación de algunas
variables o restricciones
particulares
sumatoria de fracciones
molaresigual a 1, entre
otras.

6. ¿ES POSIBLE ANALIZAR EL PROCESO?
Sean M= número de ecuaciones independientes
N= número de variables
Casos:
1. Si M < N, N - M grados de libertad, no resoluble
Especificar variables de diseño adicionales y/o
encontrar relaciones adicionales
2. Si M = N, definido, solución única o múltiple
3. Si M > N, sobre-especificado, no resoluble
Disminuir las variables de diseño y/o eliminar
ecuaciones innecesarias

7. ¿EN QUÉ SE BASAN LOS BALANCES?
Principios de
Conservación
Masa *
Energía*
Momento
lineal
Momento
angular
Carga
Eléctrica
Número
bariónico
Ciertas cantidades son
invariantes, su valores
constante

8. ¿CÓMO SE FORMULAN LOS BALANCES?
Entorno
Entrada Salida
De esta ecuación, se procede a despejar según sea la incógnita
Acumulación = (Entrada – Salida) + (Formación – Consumo)
Salida= ……………
Formación= ……….
SISTEMA
Entrada Formación salida consumo Acumulación

9. ¿Cuáles son los tipos de
balance?
Diferenciales
o integrales
Macro o
microscópicos
Global o
individual
Unidades
másicas o
molares
(balance de
materia)
En régimen
estacionario o
transitorio

10. ¿CUÁLES SON LAS PAUTAS PARA ELEGIR EL
SISTEMA?
El sistema viene definido por unos límites físicos reales
(paredes exteriores del sistema) o conceptuales (límites
imaginarios impuestos para el cálculo).
Hacer el balance
del sistema
global cuando
sea posible
En procesos
múltiples,
“aislar” distintos
sistemas
(considerar las
etapas del
mismo)
Especificar
siempre los
límites del
sistema
Dividir el
proceso en
etapas más
simples,
reduciendo el
número de
corrientes
desconocidas

11. ¿CUÁL ES EL OBJETIVO DEL BALANCE DE
MATERIA?
Un balance de materia es un
inventario entre la masa que entra en
el sistema y la que sale.
De un radical o
grupo de átomos (ej.:
SO4
=), Un tipo de
átomos (ej.:
Carbono) Otras
sustancias que no
varíen en el sistema
(ej.: gas inerte)
Pueden ser:
Globales (todos los
compuestos),
Parciales (un
componente
específico), Un sólo
compuesto (ej.: H2S)
Permite conocer los caudalesy
composicionesde las distintas
corrientesde entraday salida
de un sistema y las cantidades
totalesy composiciones
medias que están en el interior
del mismo en un momento
dado

12. ¿CUÁNDO SE PUEDEN SIMPLIFICAR LOS BALANCES?
Régimen
estacionario
Independiente del
tiempo
Acumulación = 0
Salida = Entrada +
(Formación –
Consumo)
Régimen
estacionario y sin
reacción química
Formación =
Consumo = 0
Salida = Entrada
Balances globales
en procesos no
nucleares
Formación =
Consumo = 0
Salida = Entrada

13. ¿CÓMO SE REALIZA UN BALANCE DE MATERIA?
Dibujar el diagrama
de flujo
Seleccionar la base
de cálculo
Transformar las
unidades , unifican
criterios
Elegir el sistema a
analizar
Calcular los grados
de libertad,
determinando el
número de
incógnitas y
ecuaciones
Plantear las
ecuaciones de
balance,
estequiometria,
diseño, etc.
. Resolver las
ecuaciones
planteadas

14. TIPS IMPORTANTES
Dibujar el diagrama de flujo
El diagrama de flujo es una representación gráfica de la
secuencia de pasos que se realizan para obtener un cierto
producto. En él deben estar indicadas todas las entradas y
salidas del sistema y de cada una de las subunidades en que se
pueda dividir este, de manera que recoja la información sobre
las propiedades de las distintas entradas y salidas.
Proporciona información clara, ordenada y concisa sobre el
proceso global y sus diversas partes.
En los ejercicios a resolver vamos usar diagrama de Bloques
Un dibujo del diagrama de flujo completo,
garantiza el 50 % de resolución correcta del
balance

15. TIPS IMPORTANTES
Al Seleccionar la base de cálculo, considera:
 Que es una Magnitud establecida arbitrariamente a la
que se refieren todos los cálculos de un balance
 No afecta a los resultados de las variables intensivas
(aquellas que no dependen de la masa: composiciones,
temperaturas, ….)
 Afecta a los resultados de las variables extensivas
(aquellas que sí dependen de la masa: caudales, …..)
 Puede afectar a la laboriosidad de los cálculos
implicados.

16. TIPS IMPORTANTES
¿QUÉ
BASE
DE
CÁLCULO
DEBEMOS
ESCOGER?
Magnitud de las entradas o salidas del
proceso de la que se conozcan más
datos.
En sistemas discontinuos utilizar la masa
o volumen (si no son gases) que entra o
sale del sistema en cada ciclo de alguno
de los componentes o corrientes.
Se utiliza con frecuencia el valor de Cien
unidades de alguna de las materias de
entrada o salida, preferentemente de
aquella que no sufra reacción química.
En estado estacionario usar como base
de cálculo la unidad temporal a la que se
refieran las corrientes de entrada o
salida

17. TIPS IMPORTANTES
El rendimiento de una operación que obtiene un único
producto a partir de un único material de partida, es el
peso o moles del producto final dividido entre el peso o
moles del inicial.
En caso de que existan más de un producto final o
material de partida, es imprescindible indicar el material
de inicio sobre el cual se base el cálculo del rendimiento.

18. BALANCE DE MATERIA (SIN REACCIÓN QUÍMICA)
EJEMPLO
Una corriente de Monóxido de Carbono, CO(g) de 280
kg/h se mezcla con una corriente de Hidrógeno, H2(g). A
la salida del mezclador se obtiene una corriente de 40
Kmol de (CO+H2)/h.
Calcular Kmol/h de H2 que deben suministrarse.

19. 1. Dibujar el diagrama de flujo
G1= 280Kg/h
de CO
G3
?
MEZCLADOR
G2= ? De
H2 en Kg/h
G3=40kmol/h
de mezcla

20. 2. Seleccionar la base de cálculo:
Corriente de Monóxido de Carbono que ingresa
3. Transformar las unidades a masa o moles
CO CO+ H2
280 kg/h Mezclador 40 Kmol/h
(10 kmol/h)
H2 kmol/h

21. 4. Elegir el sistema : Mezclador
5. Determinar el número de incógnitas y ecuaciones:
 Número de variables, N = 1
 Número de ecuaciones, M = 1
 M = N definido, solución única

22. 6. Plantear las ecuaciones del balance:
• Régimen estacionario y sin reacción química,
• Salida = Entrada
• G3 =G1 +G2 40 = 10 + G2
7. Resolver las ecuaciones planteadas
G2= 30 Kmol/h de H2

23. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA
• Davis, y Masten .(2004). Ingenieria y Ciencias Ambientales. Editorial Mc Graw Hill
• Felder Rosseau (2003). Principios elementales de los procesos químicos.
Editorial Limusa
• Valiente, A. (2006). Problemas de balance de materia y energía en la industria
alimentaria. México: Editorial Limusa.