INTRODUCCIÓN A LOS BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA Los

INTRODUCCIÓN A LOS BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA
Los cálculos de balances de materia y energía constituyen el tipo de cálculos que más
frecuentemente efectúan los ingenieros.
Una de tantas definiciones sobre Ingeniería es la siguiente : “Aplicación conjunta de las Ciencias
Física, Química y Matemática con principios económicos y de Relaciones Humanas, para el estudio de
los procesos en los cuales la materia es transformada para obtener un producto útil al hombre.”
Esta definición trata de enfatizar la necesidad que tiene el ser humano de conocer la materia y
su entorno física y químicamente, con el objetivo de poder reproducir sus cambios mediante la
experimentación física o matemática, dándole importancia a la representación de los fenómenos o
procesos que se llevan a cabo con la materia y que derivan en un mejor nivel de vida.
En el diseño de un proceso se necesitan también ecuaciones que representen los balances de
materia y energía.
BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Los principios de conservación de Masa y Energía establecen que ni la una ni la otra pueden ser
creadas o destruidas, pero si pueden ser modificadas en sus formas. Estos principios constituyen la base
para la Formulación de Modelos Matemáticos que representen al proceso que desea reproducirse.
PROCESO
Un proceso está constituido por la secuencia de etapas a través de las cuales se modifican las
materias primas. Al final de un proceso se obtiene un producto de interés comercial.
En un proceso pueden ocurrir cambios físicos y químicos. Los cambios físicos modifican las
características de las materias primas sin que cambie su estructura química. En oposición a estos los
cambios químicos implican reacciones a partir de las cuales se forman nuevos componentes con una
fórmula química diferente al de las materias primas.
Son ejemplos de cambios físicos:
La disminución del tamaño de partícula a través de operaciones de trituración o molienda.
El cambio de fase de sustancias puras.
La separación de dos componentes o la mezcla de los mismos
La filtración y la sedimentación
Son ejemplos de cambios químicos.
La mezcla de dos compuestos que reaccionan
La combustión y la tostación.
Generalmente un cambio químico es revelado por cambios en color, olor y/o sabor. Los cambios
físicos se pueden observar o percibir con el tacto. Los cambios físicos son susceptibles de medición
directa mientras que en los cambios químicos se deben emplear métodos indirectos.
Al conjunto de cambios físicos se le conoce también como operación unitaria, mientras al de
cambios químicos se le llama proceso unitario.
Los procesos también se clasifican en continuos, semicontinuos o intermitentes. Un proceso
continuo (también conocido con el anglicismo quimiostato) es aquel en el que permanentemente
ingresan materias primas retirando constantemente productos. En un proceso semicontinuo (también
conocido como lote alimentado ó con el anglicismo
Feed-batch), se alimenta una línea de entrada o alimentación para que el sistema tenga un máximo de
productividad. En un proceso intermitente (También conocido como por lotes ó con el anglicismo Batch)
las materias primas son sometidas a un cambio después del cual (es decir, después de un tiempo) se
retiran productos. En un proceso continuo se pueden ingresar materias primas y retirar productos de
manera simultánea mientras que en un proceso Batch esto no sucede.
Cuando en un proceso las propiedades que le caracterizan no cambian con el tiempo (son
constantes) éste funciona en estado estable, mientras que si cambian funcionan de manera inestable o
transitoria.
Un proceso se caracteriza por los flujos de materia que ingresan y salen de las diferentes etapas
que le constituyen.
EJEMPLO 1. OBTENCIÓN DE DULCE DE CHOCOLATE A PARTIR DE SEMILLAS DE CACAO.
Como se puede apreciar en este diagrama de bloques, el proceso de obtención de dulce de chocolate a
partir de semillas de cacao está constituido por sucesivas etapas físicas o químicas. Entre éstas
encontramos etapas de limpieza, descascarado, molienda, prensado, mezclado, calentamiento,
enfriamiento y moldeo (Etapas físicas) y operaciones de tostado y acabado.
EJEMPLO 2. OBTENCIÓN DE GRASAS COMESTIBLES A PARTIR DE SEMILLAS DE ALGODÓN.
Los procesos emplean diferentes clases de artefactos en los cuales suceden los cambios físicos y
químicos. Por ejemplo la reducción del tamaño de partícula (Cambio físico) se lleva a cabo empleando
molinos o trituradoras, mientras que una reacción química como la que produce etanol a partir de la
fermentación (Cambio químico) se lleva a cabo en reactores.