Procedimiento sistemático para los cálculos de balance de materia

Procedimiento para realizar balances de materia

Regina M. Murphy (2007) en su libro "Introducción a los procesos químicos", propone un procedimiento para resolver de manera eficaz y confiable cálculos de flujo de proceso, estos cálculos forman la pieza central en que se sustentan la síntesis y el análisis de los procesos químicos. Es muy recomendable tener una metodología de este tipo para evitar errores. El siguiente procedimiento altera un poco al original.

Cálculos de flujo de proceso en 12 pasos fáciles Entienda el problema. (Resolver correctamente el problema equivocado puede ser peor que resolver incorrectamente el problema correcto). Represente el problema mediante un diagrama de flujo (usualmente de bloques). Defina un sistema y sus limites. Elija los componentes y defina las variables de corriente que entran y salen del sistema. Defina una base de calculo. Defina las variables del sistema para la generación, consumo y acumulación. (Si hay reacción química con estequiometría conocida, escriba ecuaciones que relacionen la generación de productos con el consumo de reactivos. Si el sistema no se encuentra en estado estacionario, defina una variable para la acumulación). Enliste todas las especificaciones de las corrientes y de proceso. Escriba las ecuaciones de balance de materia global y para cada componente. Verifique sus grados de libertad. Si no puede ser resuelto regrese al paso 3, no se preocupe si es necesario regresar, esta vez ya tiene parte de la información que necesitara para los pasos 4 a 8. Convierta toda la información a unidades congruentes. Resuelva las ecuaciones. Compruebe sus soluciones.

Recomendaciones

Algunos consejos para la aplicación de estos pasos son los siguientes.

Trace un diagrama. (Paso 2)

• Nuca omita este paso.
• Trace un bloque para cada unidad de proceso y etiquetelo, como un mezclador, reactor, divisor o separador.
• Trace una linea para cada corriente se entrada y salida. Indique solo una linea para las corrientes que sean mezclas, no una linea para cada compuesto incluido en una mezcla.

Defina un sistema. (Paso 3)

• Un sistema puede ser una sola unidad de proceso, un grupo de unidades o un proceso entero.
• Agrupe varias unidades de proceso en un solo sistema si no necesita saber algo acerca de las corrientes del proceso que conectan las unidades.

Elija los componentes y defina las variables de corriente. (Paso 4)

• Elija los compuestos como componentes si existe una reacción química con estequiometría conocida.
• Elija los elementos como componentes si existe una reacción química con estequiometría desconocida.
• Sólo elija los materiales compuestos como componentes si no sufren cualquier cambio en la composición.
• Si hay $N$ componentes en una corriente, hay $N$ variables de corriente.
• Las $N$ variables de corriente pueden ser cantidades o velocidades de flujo de cada uno de los $N$ componentes, o pueden ser la cantidad total o la velocidad de flujo total de la corriente más $(N - 1)$ fracciones mol o masa.

Defina una base de cálculo. (Paso 5)

• La entrada de una materia prima o la salida de un producto deseado es a menudo una base de cálculo conveniente.
• Puede cambiar una base de cálculo si esto vuelve el problema más fácil de resolver, posteriormente, debe regresar a la base de cálculo original.
• Si no se especifica base de cálculo, defina cualquier base conveniente.

Defina las variables del sistema. (Paso 6)

• No se consumen o generan los elementos, sólo los compuestos, por lo tanto debe haber una ecuación estequiometríca balanceada.
• Para cada reacción con estequiometría conocida con $N$ reactantes y productos, hay $N$ variables del sistema para la generación $+$ consumo, y $N - 1$ ecuaciones que relacionan las variables de generación y consumo a través de los coeficientes estequiométricos.
• La acumulación es de cero para los procesos continuos en estado estacionario.

Enliste las especificaciones. (Paso 7)

• Cuando nos encontramos con un divisor implica que todas las corrientes de salida tienen la misma composición que en la entrada.

Escriba las ecuaciones de balance de materia. (Paso 8)

• Si hay N componentes en el sistema, hay N ecuaciones independientes de balance de materia.
• Una ecuación de balance de masa total puede reemplazar a una de las ecuaciones de balance de materia de los componentes.

Grados de libertad (Paso 9)

• No lo omita, este análisis le permitirá conocer si es posible resolver el problema con la información que posee, y si no es posible le permitirá buscar otro enfoque para resolver su problema.

Convertir todas las unidades. (Paso 10)

• Use moles cuando hay una reacción con estequiometría conocida.
• Use masa si no hay ninguna reacción o moles si se eligen los elementos como componentes.
• La homogeneidad dimensional le permitiera evitar errores por unidades diferentes.

Resuelva las ecuaciones. (Paso 11)

• Primero resuelva la ecuación con el menor número de variables desconocidas.

Verifique la solución. (Paso 12)

• Si usted ha utilizado las ecuaciones de balance de materia de los componentes para resolver el problema, use la ecuación de balance de masa total para verificar la solución.

Referencias

• Regina M. Murphy. (2007). Introducción a los procesos químicos. McGraw-Hill.