Tema 4. Balance de Materia

Balance de Materia 

Los balances de  Materia se rigen por la Ley de la conservación de la materia , la cuál nos dice que en una reacción química ordinaria donde la masa permanece invariable, es decir, la masa presente en los reactivos es igual a la masa presente en los productos.Es decir que  ” la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”

Los balances de materia  son una de las herramientas más importantes , éstos son usados para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. 

Sistema: Porción arbitraria de un proceso , es un proceso en su totalidad, pero delimitado.

Tipos de Balance de Materia

• Balance de Materia donde no intervienen reacciones químicas 
• Balance de Materia donde intervienen reacciones químicas 
• Balance de Materia donde intervienen múltiples sistemas

Pasos para realizar un Balance de Materia 

1. Identificar la propiedad sobre la que se va a establecer el balance

2. Elegir las unidades apropiadas para el cálculo

3.  Trazar un diagrama del proceso: dibujar el sistema , sus alrededores y los flujos que entran y salen. 

4. Elegir una base de cálculo: en base a ella deben referirse todos los términos de balance.  Para elegir una base de cálculo debemos tener presente: 

a) Una determinada cantidad de uno de los componentes de la mezcla  que no sufra reacción química que entre y salga del sistema. 

 b) Una determinada cantidad de entrada o de salida.

 c)Cantidad determinada de entrada o salida del sistema que se conoce al mayor número de dos. 

d) Un determinado espacio de tiempo. 

5. Establecer ecuaciones de balance de materia.

Figura 1. 

E+A= S 

6. Escribir las ecuaciones necesarias para poder resolver las incógnitas que presente el problema.

7. Resolver el sistema de ecuaciones

¿A qué procesos podemos aplicar un balance de  Material?

• Estudio de operaciones básicas como :Evaporación, Destilación, Secado.  

• Proyectado de Plantas Química : Tratamiento de Aguas |

                                                  

• Comprobación de Funcionamiento : Fugas  

                                         

Cálculos con balance de Material 

VIDEO : PULSAR EL SIGUIENTE LINK PARA OBSERVAR UN EJEMPLO DE BALANCE DE MATERIA. 

Cálculos con balance de Material 

1. Calcular la zanahoria  triturada, del 5% de sólidos, que debe añadirse a 400 kg de una zanahoria concentrada del 50% de sólidos para que la mezcla final tenga un contenido de sólidos del 30%.

1.1 El balance a realizar es para conocer la cantidad de zanahoria triturada que debe añadirse para que e producto contenga 30% de sólidos. 

1.2 La unidad que se usará para el cálculo es  kg, en el Sistema Internacional. 

1.3 Diagrama

1.4 Base de Cálculo: 400 kg de zanahoria concentrada.

1.5 Ecuación que emplearemos 

E +A = S

Entrada =        400 kg , composición de entrada = 50%

Alimentación= ¿?    kg  , composición de alimentación= 5% 

Salida= ¿          ?    kg  , composición de salida = 30% 

 1.6 Sistemas de Ecuaciones para encontrar las incógnitas.

E= A+S 

1.6.1 Tenemos el valor de E, por tanto podemos decir qué:

 400+ A = S

1.6.2 Para saber la la cantidad de zanahoria triturada en sólidos en A despejaremos para A, por tanto. 

 S-400=A

1.6.3 Nuestra Ecuación número 1 es A= S-400

1.6.4 También sabemos qué :  La composición de entrada multiplicado por la cantidad de sólidos más La composición de alimentación multiplicado por la cantidad de sólidos es igual a la composición de salida multiplicado por la cantidad de sólidos.

cE*(E) + cA(A)= cS(S)

dónde 

cE= 50%

cA= 5%

cS= 30% 

E= 400 kg

S= 400+A

A=S-400

1.6.5 Nuestra Ecuación número 2 es cE*(E)+ cA(A)=  cS(S)

1.7 Resolver el sistema de Ecuaciones 

1.7.1 Transformar las composiciones porcentuales 

cE= 50%/(100%)= 0.5

cA= 5%/(100%)= 0.05

cS= 30%/(100%)= 0.3

1.7.2 Sustituyendo valores :

Por la ecuación 1 tenemos A= S-400 , y queremos encontrar A usando los valores en 1.6.4. y la ecuación 2 cE*(E)+ cA(A)=  cS(S)

(0.5)*(400) +   (0.05)*(S-400)= 0.3(S)

200            +    0.05S    - 20  = 0.3S 

Agrupando los términos con variable S y  términos constantes:

200            -    20                    =    0.3S    -0.05S

                                    180     =    0.25S

Despejando para la variable S     

            

                                180/0.25 = S

                                       720  = S

Sustituyendo en ecuación 1 para encontrar A

A= S   -400

A= 720-400

A= 320

Conclusión: se necesitan 320 kg de zanahoria triturada  para producir una mezcla de 720 kg al 30%. 

REFLEXIÓN: 

Me gustó mucho este tema , es muy sencillo , práctico y provechoso para el cálculo de pérdidas o cantidades requeridas para un proceso unitario de tipo industrial. El balance de Material nos brinda datos estadísticos que pueden ser relevantes para las producciones industriales, me atrae porque la participación de la Química es auxiliar y se enlaza con la Ingeniería Ambiental , a la cuál puede proporcionar información de los gases presentes en el ambiente, los niveles de contaminación que pueden llevar consigo las etapas de un proceso, niveles de toxicidad en el agua, Nos hace ver que la Química está presente siempre para este tipo de cálculos, también me gusta porque se hace uso del álgebra, el manejo de la lógica matemática y las propiedades químicas y físicas de las sustancias como la solubilidad, la temperatura y las concentraciones de los reactantes con sus respectivas unidades. Todo lo estudiado en este contenido tuvo una secuencia  de acuerdo a los temas antes vistos, el balance de material me parece muy ordenado, bonito y útil.