UNIDAD 1.- Balances de Materia sin Reacción Química en Flujo Continuo.

 

Entre las muchas materias que forman la carrera de Ingeniería Química, están los balances que, sin lugar a dudas, forman la base de los conocimientos de esta técnica. Ellos no son más que, como su nombre indica, un proceso contable en el que se mide tanto la materia como la energía entrante y saliente, de manera que se balanceen o igualen las entradas con las salidas.

 

Mediante estas técnicas, los ingenieros químicos pueden calcular los requerimientos de materiales y energéticos necesarios para la obtención de un producto. Además, estas técnicas llegan a dar una idea de la magnitud que deberán tener los equipos y maquinaria con la que deberá producirse ese bien.

 

El balance de una cantidad que se conserva (masa total, masa de una especie determinada, energía)en un sistema (una sola unidad de proceso, un conjunto de unidades o un proceso completo) se puede escribir de manera general como :

 

E-S+P-C=A

 

Entrada - Salida + Producto – Consumo = Acumulación

 

Es posible escribir dos tipos de balances:

1.- Balances diferenciales o que 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. (Ver ejemplo 4.2-1 Felder-Rousseau 3ra. Ed.)

 

2.- 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.

 

 

Los diagramas de flujo son ampliamente usados en ingeniería química. En esencia, son dibujos que ayudan a entender cómo se lleva a cabo el flujo de materiales o de energía en un proceso o en un equipo.

El inicio de la solución de un problema es la traducción de un enunciado al lenguaje de la ingeniería química, y parte de este lenguaje son los diagramas de flujo y los signos que simbolizan las características más importantes de las corrientes manejadas.

Un diagrama de flujo es indispensable para hacer los balances de masa y energía en un proceso o en una planta, así como para comenzar el estudio sobre el mejoramiento y utilización de los equipos.

 

 

 

Diferentes tipos de diagramas de flujo:

 

a).- Diagramas de bloques o cajas.- En ellos se presenta el proceso o las diferentes partes de un proceso por medio de cajas o rectángulos que tienen entradas y salidas. Sobre el rectángulo se suele poner la indicación de lo que representa el rectángulo, mientras que sobre las líneas que representan corrientes de entrada o salida se indica la naturaleza de estas corrientes, (sustancia, flujo, temperatura, presión, concentración, etc.).

 

 

 

 

 

 

 

 

b).- Diagramas con equipo.- En éstos se muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por medio de líneas de unión. Para representar los equipos se usan símbolos que recuerdan el equipo o los equipos usados. Las propiedades físicas, las cantidades, temperatura y las presiones de los materiales son parte importante de estos diagramas, éstos valores se indican en 3 formas: poniendo sobre cada línea los datos, identificando cada línea con un número que se refiere a una lista sobre el diagrama o mostrando todo el una hoja de tabulación. Éstos dibujos se usan por las siguientes razones fundamentales:

 

1.- Ayudar en el diseño y en el acomodamiento de una planta.

2.- Dar una idea clara del proceso o de una planta.

3.- Ayudar en el dimensionamiento del equipo.

4.- Servir como medio de enseñanza e instrucción del personal relacionado con el proceso o con el equipo.

5.- Ayudar a la resolución de los balances de materia y energía.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c).- Diagramas de instrumentación.- Son útiles para determinar los requerimientos para el control y la instrumentación en una planta.

Los principales símbolos son:

 

 

 

 

 

 

 

 

La mayoría de los procesos implican el paso de material de un punto a otro –en ocasiones entre unidades de proceso, o de una instalación de producción a una bodega-. La velocidad a la cual se transporta el material a través de una línea de proceso constituye la velocidad de flujo de éste.

 

La velocidad de flujo de una corriente de proceso puede expresarse como velocidad de flujo másico (masa/tiempo), o como velocidad de flujo volumétrico (volumen/tiempo). Suponga que un fluido (gas o líquido) se desplaza por la tubería cilíndrica que aparece abajo donde el área sombreada representa un corte perpendicular al sentido del flujo.

 

 

 

 

 

 

Si la velocidad de flujo másico del fluido es m^• (Kg/s)², entonces cada segundo pasan m kilogramos de éste a través del corte transversal. Sin la velocidad de flujo volumétrico del fluido en el corte transversal dado es V• (m³/s), entonces cada segundo pasan V metros cúbicos del fluido a través del corte transversal. No obstante, la masa m y el volumen V del fluido –en este caso del que atraviesa el corte transversal cada segundo- no son cantidades independientes, sino que se relacionan por la densidad del fluido, δ:

 

δ = m/V = m^•/ V•

 

De éste modo la densidad de un fluido puede emplearse para transformar la velocidad del flujo volumétrico conocida de una corriente de proceso en velocidad de flujo másico o viceversa.

 

 

Algunas veces, las corrientes de proceso contienen una sola sustancia, pero es mas frecuente que contengan mezclas de líquidos o gases, o soluciones con uno o mas solutos en un solvente líquido.

Los siguientes términos pueden emplearse para definir la composición de una mezcla de sustancias que incluye a la especie A:

 

Fracción másica.- Masa de una sustancia dividida entre la masa total de una solución.

 

   X_A = masa de A/ masa total

 

Fracción molar.- Número de moles de una sustancia dividida entre el número total de moles en una solución.

 

   Y_A= moles de A/ total de moles

 

El porcentaje por masa de A es 100_XA, y el porcentaje molar de A es 100_YA.

 

 

 

 

 

Un conjunto de fracciones másicas puede transformarse en otro equivalente de fracciones molares si:

a)      se toma como base de cálculo una masa de la mezcla (ej. 100kg, 100lm)

b)      se usan las fracciones másicas conocidas para calcular la masa de cada componente en la cantidad base y convirtiendo estas masas a moles.

c)       se determina la proporción de moles de cada componente respecto al número total de moles.

              Se sigue un procedimiento para transformar fracciones molares a fracciones másicas, el cual sólo difiere en que se toma un número total de moles como base para el cálculo.

 

El balance de materia se basa en la ley de la conservación de la masa enunciada por Lavoisier de la siguiente manera:

“Nada puede crearse y en cada proceso hay exactamente la misma cantidad de sustancia presente antes y después de que el proceso haya sucedido. Solamente hay un cabio o modificación de la materia.”

Cuando en un proceso, la cantidad de materia entrante es igual a la cantidad de materia saliente se dice que el proceso trabaja a régimen permanente o estacionario. En el régimen no permanente o transitorio las condiciones varían con el tiempo.

BALANCES SIMPLES DE MASA.- Aquellos en los que no hay reacción química o en los que no se necesita alguna ecuación o gráfica de equilibrio físico para su resolución, y en que, además, el régimen de operación es permanente. En general se pueden presentar los siguientes casos.

a)      Mezclado

b)      Separación

c)       Contacto a contracorriente

d)      Contacto en paralelo

e)      Balance con recirculación

f)       Balance con derivación

 

1.3.2.1.- MEZCLADO.- Los balances simples de mezclado se presentan cuando dos corrientes se unen para dar una o más corrientes de salida. En el caso más simple tendremos:

 

1.3.2.2.- SEPARACION.- Este tipo de balance se efectúa en procesos o equipos en los que hay una corriente de entrada y dos corrientes de salida:

 

1.3.2.3.- CONTACTO A CONTRACORRIENTE.- En este tipo de balance se tienen dos corrientes de entrada y dos de salida y dichas corrientes viajan en direcciones opuestas en el proceso o en el equipo.

 

1.3.2.4.- CONTACTO EN PARALELO.- Existe cuando se tienen dos corrientes de entrada y dos corrientes de salida que viajan en la misma dirección dentro del proceso o del equipo.

 

1.3.2.5.- BALANCES CON RECIRCULACION.- En ciertos procesos es necesario retroalimentar el material a la unidad de que proviene, con objeto de enriquecer los productos, reprocesar el material que no sufrió cambios, aumentar rendimientos, etc. En estos procesos los balances de materia son una combinación de balances de separación y mezclado.

 

1.3.2.6.- BALANCES CON DERIVACION.- En ciertos tipos de procesos la corriente principal se divide en dos corrientes paralelas: una que alimenta al equipo, y otra que se mezcla con la corriente que sale del equipo. El objeto de esta separación es el de mantener una uniformidad en la concentración de descarga. También se logra con esta operación tener equipos de tamaño mas reducido de los que se tendrían si se alimentara toda la corriente. Los balances que se presentan son parecidos a los de recirculación.

 

1.3.2.7.- EN FLUJO DE FLUIDOS

1.3.2.8.- ECUACION DE CONTINUIDAD

1.3.2.9.- EN DIAGRAMAS DE FLUJOS DE PROCESOS

1.3.2.10.- CALCULOS