Arístides Sotomayor - Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano

Entradas + Generación = Salidas + Consumo

En los casos en que no hay generación (o consumo) de materia dentro del sistema, vale decir, cuando no hay transformaciones químicas, la ecuación anterior se reduce a la siguiente:

Balance = Entradas – Salidas

Si se considera, además, régimen estacionario, el balance neto será cero; por lo tanto:

Entradas = Salidas

Si no hay flujo que entre o salga del sistema, la ecuación general se reduce al concepto básico de conservación de la materia dentro de un sistema cerrado aislado:

Balance = Generación – Consumo

En la formulación de cada uno de los balances anteriores está implicado el concepto de sistema para el cual se realiza el balance. Un sistema es cualquier proceso completo o parte del mismo que se establece específicamente para su mejor análisis. En la figura 1.3, se muestra la ecuación general de balance de materia como diagrama de bloques, donde se puede observar claramente la definición de los límites del sistema a través y dentro de los cuales se aplica la ecuación.

Figura 1.3

Esquema del balance de materia en un sistema

Elaboración propia

En la figura 1.4, se encuentra, a manera de ejemplo orientativo, el diagrama de bloques de un esquema típico de una reacción industrial de síntesis (amoniaco, metanol, etcétera) con flujos de reciclo y purga.

Figura 1.4

Diagrama genérico de un proceso industrial con reciclo y purga

Elaboración propia

Donde:

F 1: alimentación fresca (compensación)

F 2: alimentación total al reactor (reactantes)

F 3: productos del reactor

F 4: producto final

F 5: flujo residual

F 6: flujo de purga

F 7: flujo de reciclo

Según el sistema que se escoja para el análisis, se pueden establecer diversas ecuaciones de balance de materia para el mismo (véase la tabla 1.4).

Tabla 1.4

Ecuaciones de balance según el sistema

Elaboración propia

La aplicación de la ecuación general de balance de materia se entiende, en principio, para mediciones de flujos en masa, aunque hay situaciones en las que se puede aplicar el balance de materia en moles o en volumen. El balance, además, puede realizarse en forma total o parcial por un componente (elemento o compuesto). En general, se distinguen los siguientes casos:

• Balance global de masa

• Balance global de moles

• Balance de masa de un compuesto o componente

• Balance de moles de un compuesto o componente

• Balance de masa de una especie atómica (elemento)

• Balance de moles de una especie atómica (elemento)

• Balance de volumen (en algunos casos)

En la industria, los balances de materia son de gran utilidad para el planeamiento y diseño de procesos, para la evaluación económica de procesos propuestos y existentes, así como para el control y optimización de los mismos; hoy en día, son especialmente importantes para el análisis de impactos ambientales que se generan en una determinada industria. En las decisiones que debe tomar el personal de producción en cada momento, los balances de materia pueden usarse para calcular los flujos de materiales donde sea imposible o antieconómico realizar una medición; de esta manera, conociendo los flujos de las otras corrientes se puede estimar el flujo y composición de la corriente desconocida. Como se desarrolla más adelante, el balance de materia es el punto de partida para llevar a cabo un balance de energía, de modo que es imprescindible para los profesionales conocer y dominar las técnicas aplicadas para establecer las ecuaciones y realizar los cálculos correctamente.

Las ganancias en cualquier empresa pueden verse afectadas por un mal uso de la energía. En el pasado, el costo de la energía resultaba insignificante en comparación con el costo total de las operaciones de la empresa; sin embargo, en la actualidad, debido al incremento del costo del gas natural y del petróleo, se hace inevitable no considerarlo. Por lo tanto, la competitividad de una empresa se ve afectada por un uso indebido de este recurso (Felder y Rousseau, 2005).

Existen tres tipos de energía que no pueden ser transferidas: la energía cinética ( E c ), la energía potencial ( E p ) y la energía interna ( U ). La primera se refiere a la energía relativa al movimiento del sistema con respecto a un punto de referencia; la segunda, a la posición del sistema en un campo potencial; y la tercera, a toda la energía que posee el sistema y es generada por la interacción electromagnética de las moléculas de un cuerpo. En cambio, las formas de energía transferibles que fluyen entre el sistema y sus alrededores son el calor ( Q ) y el trabajo ( W ). El calor fluye de mayor a menor temperatura; se define como positivo cuando es transferido al sistema, y como negativo, en caso contrario. El trabajo es la energía que fluye en función de una fuerza, un torque o una diferencia de potencial; se considera positivo cuando es realizado por el sistema y negativo cuando se ejecuta sobre él.

Según la primera ley de la termodinámica, la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada; vale decir que la acumulación de energía en un sistema, tal como se muestra en la siguiente ecuación, es igual a la entrada y generación menos la salida y el consumo.

A = (E + G) – (S + C)

Donde:

A : acumulación de energía en el sistema

E : entradas de energía a través de las fronteras del sistema

G : generación de energía dentro del sistema (reacciones exotérmicas)

S : salidas de energía a través de las fronteras del sistema

C : consumo de energía dentro del sistema (reacciones endotérmicas)

Esta ecuación está expresada según la energía que contiene el sistema (cinética, potencial e interna) en el momento inicial y final del análisis; asimismo, incluye la energía que sale o entra al sistema, ya sea en forma de calor o trabajo. Por lo tanto, la energía neta transferida del sistema se obtiene de la suma de las energías en los estados inicial y final del sistema:

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, se puede expresar de la siguiente manera:

Las propiedades del material procesado pueden ser extensivas, cuando dependen de la masa, o intensivas, cuando no dependen de ella. El número de moles, el volumen, la energía potencial, cinética e interna son ejemplos de propiedades extensivas, mientras que la temperatura y la presión son buenos ejemplos de propiedades intensivas. Las propiedades específicas son medidas intensivas obtenidas a partir de dividir una propiedad extensiva entre la masa total o flujo másico total de la materia procesada. Por ejemplo, si el volumen de un líquido es de 1 m 3y su masa es de 800 kg, el volumen específico sería 1,25 m 3/kg; se procede de igual manera si se tiene un flujo másico de 300 kg/min y un flujo volumétrico de 600 m 3/min, el volumen específico sería de 2 m 3/kg de líquido. Para representar estas propiedades se emplean letras minúsculas, tal como se muestra a continuación: