Balance de Masa ¿cómo se realiza?

Análisis de Problemas de Balance de Masa

ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE

Al hacer el conteo del material que participa en un proceso deben considerarse las entradas y las salidas que atraviesan las fronteras del sistema, las reacciones químicas que suceden pues en ellas se ´presenta consumo y producción de material y la cantidad de éste que se acumula. Por ello, el balance de materiales responde a esta ecuación:

Material que entra al sistema + material producido dentro del sistema – material que sale del sistema – material consumido dentro del sistema = Material acumulado dentro del sistema.

Si al aplicar esta ecuación se tienen en cuenta todos los componentes de las corrientes del proceso, se realiza un balance total de masa, y si se aplica solamente a alguna sustancia o a algún elemento químico se efectúa un balance parcial de masa. 

La ecuación anterior, llamada ecuación general de balance de masa, puede ser empleada con unidades correspondientes a velocidades de  flujo o a cantidades. En el primer caso el balance de masa corresponde a una unidad de tiempo determinado (una hora, un día, etc) y se aplica a procesos continuos y recibe el nombre de balance diferencial. En el segundo caso el balance corresponde a una determinada cantidad de material procesado o producido, aplicándose, por lo general, a procesos intermitentes y denominándose balance integral.

Se hacen las siguientes consideraciones:

• Los términos “material consumido” y “material producido” se aplican en aquellos casos donde hay reacciones químicas.
• Todos los cálculos se hacen sobre procesos estacionarios o en régimen permanente y, por ello, el término acumulación siempre vale cero, porque en caso contrario la cantidad de materia en el sistema cambia con el tiempo

Efectuar un balance de materiales es resolver una serie de ecuaciones independientes, las cuales pueden ser construidas utilizando diferentes informaciones: balances parciales de masa, balance total de masa y especificaciones dadas o que puedan utilizarse para relacionar las variables (ecuaciones de estado para los gases, densidades, valor unitario de la suma de las fracciones másicas o molares de las soluciones, condiciones específicas del proceso etc.). 

a) Después de leer y entender el enunciado, se representa el proceso en un diagrama de flujo para lo cual se utilizan rectángulos o círculos que simbolicen las unidades de proceso y flechas que muestren los flujos y sus respectivos sentidos. 

b) En el diagrama de flujo se escriben los valores de las variables conocidas (masas o moles y composiciones) y la demás información disponible (presiones, temperaturas, especificaciones de proceso), en todos los casos usando las unidades adecuadas, y deben aparecer todas las incógnitas que es necesario calcular (esto se llama etiquetar el diagrama). En la medida en que se van obteniendo estos últimos valores pueden trasladarse al diagrama, el cual se constituye, entonces, en una visión del desarrollo del balance de masa en todo momento.

c) En muchos casos, conviene expresar todos los datos conocidos en el mismo sistema de unidades y no olvidar que los datos volumétricos deben convertirse a másicos o molares ya que no se hacen balances en unidades de volúmenes. 

d) Luego se selecciona una base de cálculo, la cual es una cantidad (en unidades másicas o molares) o una unidad de tiempo (hora, mes, año) sobre la cual se hace el balance de materia. Esta base de cálculo puede ser un dato dado o puede ser un valor supuesto porque una vez terminado el balance, éste puede ser escalado, es decir, las cantidades (masas o moles) pueden ser multiplicadas todas por cualquier número y el proceso continúa balanceado. En este punto se debe tener presente que las composiciones no pueden ser modificadas. Ya debe estar claro que las variables de balances de masa son cantidades y composiciones. 

e) Una vez seleccionada la base de cálculo se hace un conteo de incógnitas y de relaciones entre las variables (ecuaciones independientes que se pueden plantear). La diferencia “número de ecuaciones independientes menos número de incógnitas” se denomina número de grados de libertad y para que el balance de masa pueda realizarse el número de grados de libertad debe ser cero. Todas las ecuaciones de balance de masa total y balances parciales de masa no constituyen en conjunto un sistema de ecuaciones independientes debido a que la suma de los balances parciales de masa es igual al balance total de masa. 

Por ello, no se pueden utilizar todos ellos sino este número de balances menos uno, lo cual corresponde al número de componentes. 

f) Finalmente, se escriben las ecuaciones independientes preferiblemente en orden de las de menos complejidad a las más complejas y se resuelve el sistema de ecuaciones utilizando cualquier método algebraico, con lo cual termina el proceso de cálculo. 

Si es necesario, se escala el balance a valores previamente requeridos, por ejemplo, cuando se empleó una base de cálculo diferente a un valor inicialmente solicitado. 

Generalizando, los pasos sugeridos para cálculos de balances de materia son los siguientes:

1. Leer y entender el enunciado del problema.
2. Dibujar y etiquetar el diagrama de flujo del proceso.
3. Convertir todos los datos al mismo sistema de unidades másicas o molares.
4. Seleccionar una base de cálculo.
5. Verificar que el número de grados de libertad sea cero.
6. Plantear y resolver las ecuaciones independientes de balances de masa y/o especificaciones de variables.
7. Escalar el balance, si se necesita

Etapas para resolver un Balance de Masa

1. Trace un diagrama simple del proceso
2. Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay
3. Seleccione una base para el cálculo
4. Determine las variables y ecuaciones que las relacionan

Si el N° de variables = N° de ecuaciones entonces existe solución para el problem

      5. Proceda al balance de masa