Читать книгу Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano - Arístides Sotomayor - Страница 13

El balance de materia no es otra cosa que el conteo de flujo y cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema. El balance de materia en operaciones y procesos unitarios, es decir, sin y con cambios químicos, se puede interpretar mejor con la siguiente ecuación general.

Se dice que un sistema está en régimen o estado estacionario cuando el balance neto de masa es cero. De lo contrario, se habla de régimen no estacionario y el balance neto de masa será una cantidad diferente de cero; si el balance es positivo, se dice que hay acumulación, y si es negativo, hay pérdida. La ecuación general en régimen estacionario se puede escribir de la siguiente manera:

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:

F₁ : alimentación fresca (compensación)

F₂ : alimentación total al reactor (reactantes)

F₃ : productos del reactor

F₄ : producto final

F₅ : flujo residual

F₆ : flujo de purga

F₇ : 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

Sistema	Ecuación de balance
Global	F1 = F4 + F6
Mezcla	F1 + F7 = F2
Reacción	F2 = F3
Separación	F3 = F4 + F5
División	F5 = F6 + F7

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.