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Los problemas de balance de masa y energía se basan en la aplicación correcta de las leyes de conservación de masa y energía y pueden llegar a ser extraordinariamente complicados. Solo la resolución sistemática de muchos de ellos creará la intuición necesaria para resolver casos nuevos. Para los cálculos de aplicación de estos balances de masa y energía, es preciso seguir una adecuada metodología que facilite el análisis: a. Esbozar el esquema del proceso, usando la simbología apropiada y los datos de operación conocidos. b. Plantear el problema vía ecuaciones algebraicas. c. Efectuar los cálculos, vía sustitución de datos en las ecuaciones planteadas. BALANCE DE MATERIA El balance de materia se basa en la Ley de la Conservación de la masa enunciada por Lavoisier: “En cada proceso hay exactamente la misma cantidad de sustancia presente antes y después que el proceso haya sucedido. Solo se transforma la materia. Los tipos más frecuentes de Balance de Materia son: - Los de mezclado de dos ó más corrientes para dar una ó más corrientes. Figura Nº 1 - Los de separación, en los que se forman 2 ó más corrientes a partir de una. Figura Nº 2 Figura: N° 1
2. Ing. Magíster JOSE LUIS RODRIGUEZ NUÑEZ Página 3 Figura N° 2 En los equipos de transferencia de masa como absorbedores, secadores, evaporadores, destiladores, cristalizadores y extractores, se introducen varias corrientes, que viajan dentro del equipo de dos formas a contracorriente (el líquido fluye en un sentido y la corriente gaseosa en el otro) o en corriente paralela en donde las dos corrientes viajan en la misma dirección. En ciertos procesos, parte de los productos se vuelven a procesar para que se mezclen con los ingredientes o reactivos, es decir existe recirculación o reflujo. Figura Nº 3 5 mesclador 1 2 3 Balance Total L1 + L2 + L3 = L4 Balance Parcial L1X1+L2X2+L3X3=L4X4 1 mesclador 2 3 Balance Total L1 = L2 + L3 Balance Parcial L1 X1 = L2 X2 + L3 X3 Ing. Magíster JOSE LUIS RODRIGUEZ NUÑEZ Página 4 Figura N° 3 En otros casos parte de los ingredientes o reactivos pasan al proceso y otra parte le da la vuelta sin entrar, es decir se produce desviación, by-pass o retorno. Figura Nº4 Figura N° 4 BALANCE DE ENERGIA El balance de energía se basa en la Ley de la Conservación de energía que indica que en un proceso, la energía no se crea, ni se destruye, sólo se transforma. En un balance total de energía se toma en cuenta las transferencias de energía a través de los límites del sistema. Ciertos tipos de energía están asociados a la masa que fluye, otros tipos como Q (calor) y W (trabajo) son solo formas de transmisión de energía. Figura Nº 5 1 4 3 2 5 Recirculación Balance en todo el Proceso L1 = L5 Balance alrededor del Equipo L4 = L2 Balance en la Unión L1 + L3 = L4 Derivación Balance en todo el Proceso L1 = L5 Balance alrededor del Equipo L2 = L3 Balance en la Unión L3 + L4 = L5 21 3 4 5
3. Ing. Magíster JOSE LUIS RODRIGUEZ NUÑEZ Página 5 Energía entrante al sistema = Energía saliente del sistema + Acumulación En donde: Ec = Energía Cinética V = Volumen U = Energía interna W = Trabajo L = Flujo másico Epr = Energía Ep = Energía Potencial de presión Q = Calor Sistema 1 2 L1 Ec1 Ep1 Epr1 U1 L2 Ec2 Ep2 Epr2 U2 Q W Ing. Magíster JOSE LUIS RODRIGUEZ NUÑEZ Página 6 PROBLEMAS DESARROLLADOS 1. Un néctar de mango debe contener 100kg de puré de mango, 30 kg de azúcar, 170 kg de agua y 10 kg de ácido cítrico. ¿Qué cantidad de materias primas se deben emplear para producir 5300 kg/h de néctar de mango. Esquema : Planteamiento y Solución: Puré de mango =100 kg Azúcar =30 kg Néctar de mango Agua=170 kg 310 Kg. Ac. Cítrico=10 kg MANGO: 5300X 310kg100 → → ∴ x 310 5300100× = 1709.64 kg. de puré de mango. AZUCAR: 5300X 310kg30 → → ∴ x 310 530030× = 512.90 de azúcar. agua azúcarpuré de mango Ac. citríco 5 300 kg/h de néctar de mango
4. Ing. Magíster JOSE LUIS RODRIGUEZ NUÑEZ Página 7 AGUA: 5300X 310kg170 → → ∴ x 310 5300170× = 2906.5 de agua. AC. CITRICO: 5300X 310kg10 → → ∴ x 310 530010× = 179.96 de Ac. Cítrico. 2. Una corriente de 1000 kg/h que contiene 10% de alcohol, 20% de azúcar y el resto de agua, se mezcla con 2000 kg/h de una corriente con 25% de alcohol, 50% de azúcar y el resto de agua. ¿Cuál será la composición de la mezcla resultante? ESQUEMA Planteamiento y Solución: ⇒Alcohol: → → x600 100%3000 3000 600100 x × = ∴ Alcohol = 20% Azúcar: → → x1200 100%3000 3000 1200100 x × = ∴ Azúcar = 40% Agua: → → x1200 100%3000 3000 1200100 x × = ∴ Agua = 40% 3. Un lote de pescado será procesado en harina de pescado, para usarla como proteína suplementaria en alimentos. El