Balance de Masa
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Un proceso alimentario puede clasificarse como
intermitente o de lote(Batch), continuos o semi-
intermitente(Semibatch) y como estacionario o
transitorio (Régimen permanente).
Antes de formular un balance de masa, debe de
conocerse en cual de las categorías ya
mencionadas se clasificara el proceso.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Se da cuando la materia prima e insumos se introduce al inicio
del proceso sufren diferentes cambios y se extraen, juntos un
tiempo después.
Este proceso se usa cuando se quiere producir cantidades
pequeñas de materia prima en un solo tiempo.
Se realiza cuando las entradas y salidas fluyen continuamente
durante toda la duración del proceso.
Este proceso se ajusta para grandes ritmos de producción.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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En este proceso todas las variables (Temperatura, Presiones,
Volúmenes y Velocidad de flujo), no sufren modificaciones a lo largo de
de la producción .
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Operación Unitaria: Cuando se realiza
cambios en las
propiedades físicas de la
materia.
Evaporación.
Secado.
Destilación.
Proceso Unitario: Cuando ocurren cambios
en la estructura
molecular de la materia.
Fermentación.
Combustión.
Cristalización.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Un balance de materiales no es más que un calculo matemático
de material, donde existen flujos de entrada y salida. A la vez
esto es necesario para las restricciones o cuellos de botella en
los procesos de transformación.
Básicamente es un diagrama de bloques en el que se anota junto
a las flechas correspondientes las cantidades de cada materia
que entra o sale de una etapa
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Entrada A PROCESO A
PROCESO B PROCESO C
Mecanismo B
Salida A
Control C
Salida C Salida B
Entrada C
En un proceso continuo la ecuación del balance de
materia se expresa de la siguiente manera:
ENTRADA + PRODUCCION = SALIDA + CONSUMO
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Flujos de recirculación: cuando se retorna parte de los flujos de salida
del proceso y este es mezclado con los de entrada.
¿Para qué?
- Recuperar energía
- Aumentar la calidad de un producto (logar que salga más concentrado
en alguno de los componentes)
- Recuperar reactantes o solidos sin transformar.
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TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
Flujos con purga: Se realiza cuando una fracción de la recirculación
se extrae del proceso, para eliminar una proporción de material
indeseado, manteniendo así controlada la acumulación de impurezas.
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Se presenta desviación (o bypass) Consiste en desviar parte de la
alimentación fresca y mezclarla con los productos, sin pasar por el
proceso. Esto permite controlar la concentración o temperatura del
producto.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Un balance de materia para cualquier materia prima que entra o
abandona un proceso se puede realizar por 4 casos de balance
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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No siempre es posible o económicamente factible, medir flujos o
composiciones en un proceso industrial. Es útil realizar los balances de
materia y energía; estos generan un sistema de ecuaciones.
Pasos para analizar los problemas de Balance de Materia
- Trazar el diagrama de flujo o “flowsheet”
- Hacer un dibujo, indicando los límites del sistema, los flujos que entran
y salen, e Identificar los flujos con un número o una letra.
- Seleccionar una base de cálculo. A veces resulta conveniente asignar
un valor arbitrario a uno de los flujos para usarlo como base
hipotética, por ejemplo: 100 kg o 100 moles.
Resolución de Balances de Materia
Sin Reacción Química
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
- Establecer las ecuaciones de balance de materia
Hacer el balance total y los balances por componentes, para el sistema
total y para cada etapa.
Para el sistema total, hay una corriente de entrada, y dos corrientes de
salida.
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Diagrama de Flujo de un proceso de dos unidades
Alimentación 1
Alimentación 2
Alimentación 3 Producto 1 Producto 2
Producto 3
Unidad 1 Unidad 2
A
B
C
D
E
Observamos que se realiza balances de materia para los procesos ( B, C, D y E ), También para todo el sistema completo ( A )
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TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Ejemplo En un proceso de elaboración de jugos de fruta se emplea como equipo un
evaporador, el cual recibe una alimentación de 9500 kg por día de jugo con 21%
de concentración. El producto final se debe concentrar hasta un 60% en un
volumen de 2700 Kg. ¿Calcule la cantidad de agua evaporada? (desprecie en la
evaporación rasgos de jugo concentrado)
EVAPORADOR A = 9500 Kg /día
XA = 21 % jugo
P = 2700 Kg /día
XP = 60 % jugo
W : Peso del agua
evaporada
A * XA = W + P * XP
9500 * 0.21 = W + 2700 * 0.6
W = 375 Kg de agua evaporada
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14 % en peso de
sólidos solubles, se mezcla con azúcar (1.22kg azúcar/ 1.00kg fruta) y pectina
(0.0025kg pectina/ 1.00kg fruta) considere el azúcar y pectina como solubles.
La mezcla resultante pasa a un evaporador para producir una jalea con 67% en
peso de sólidos soluble, Calcule para una alimentación de 1000 kg/h de fruta
macerada, los kg/h de mezcla obtenida, los kg/h de agua evaporada y los kg/h de
jalea producida.
Balance total del proceso: F +Z + P = W + J
Calculamos el peso del Azúcar y la Pectina en relación al % de sólidos:
Z = 1.22 * F
Z = 1.22 * (1000)
Z = 1220 kg
P = 0.0025 * F
P = 0.0025 * (1000) P = 2.5kg TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Balance de sólidos solubles en
todo el Proceso:
F (XSF) + Z + P = J(XSJ)
J = F(XSF) + Z + P
XSJ
J = (0.14)(1000) + 1220 + 2.5
0.67
J = 2033.58 kg
.
Calculamos los Kg de Agua:
W = F + Z + P – J
W = 1000 + 1220 + 2.5 – 2033.58
W = 188.92 kg.
Mezcla Obtenida:
Mezclador = F + Z + P
Mezclador = 1000 + 1220 + 2.5
Mezclador = 2222.5 kg.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
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Ejemplo En una fabrica de lápiz para dibujo, se requiere como materia prima una
madera especial. Durante la recepción de esta, se obtuvo una pulpa de madera
húmeda que contiene 68% en peso de agua, después de secarla se determinó que
se ha eliminado el 55% del agua original de la pulpa.
Calcule la composición de agua en la pulpa seca y su peso para una alimentación
de 1000 Kg/min.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
![Page 24: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/24.jpg)
Mad. Húmeda * XMH = 1000 Kg * 0.68
= 680 Kg
Agua Evaporada : 680 Kg * 0.55
= 374 Kg de agua
Madera Húmeda = Agua Evaporada + Madera Seca
1000 Kg = 374 Kg + Madera Seca
Madera Seca = 626 kg
M.H * XMH = Agua Evap. + M.S * XMH
680 kg - 374 Kg = 626 * XMH XMH = 0.49
1 – 0.49 = 0.51 M.S
![Page 25: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/25.jpg)
Una columna de destilación separa 1500 kg/h de una mezcla de benceno y
tolueno que contiene 55% en masa de benceno. El producto recuperado del
condensador en el domo de la columna contiene 91% de benceno y los
fondos de la columna contienen 96% de tolueno. La corriente de vapor que
entra al condensador de la parte superior de la columna es 1200 kg/h. Una
parte del producto se regresa a la columna como reflujo y el resto se saca
para utilizarlo en otra parte. Suponga que las composiciones de las corrientes
en la parte superior de la columna (V), del producto retirado (D) y del reflujo
(R) son idénticas. Encuentre la relación entre el reflujo y el producto
retirado.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
![Page 26: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/26.jpg)
Al dibujar el diagrama de flujo se observa que se conocen todas las composiciones y se
desconocen algunas masas. Se pueden efectuar balances de materia sobre la columna de
destilación y sobre el condensador y cualquiera que sea la unidad elegida incluye la
corriente R (recirculación o reflujo)
1500 kg/h = D + W W = 1500 kg/h – D Balance global de masa:
Balance Parcial de masa para el benceno: 0,55 * 1500 kg/h = 0,91 * D + 0,04 * W
825 kg/h = 0,91 * D + 0,04 * (1500 kg/h – D) D = 879,31 kg/h.
Balance total en el condensador: V = D + R
R = 1200 kg/h – 879,31 kg/h
R = 320,69 kg/h. R/D = 0,365.
Respuesta: R/D = 0,365
![Page 27: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/27.jpg)
Para concentrar el jugo de naranja se parte de un extracto que contiene 12,5% de
sólidos. El jugo fresco se pasa a los evaporadores al vacío y parte de lo evaporado
con 58% de sólidos se deriva al TK de dilución , para luego ser diluido con agua,
hasta una concentración final de 42% se sólidos. Durante el traslado del agua al
Tk-dilución hay una perdida por purgas. Si se tratan 2000 kg/hr de jugo diluido.
¿Determinar las corrientes de ingreso y salida al evaporador y las del Tanque de
dilución?
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
![Page 28: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/28.jpg)
A = C + B ----- (1)
0,125 * (A) = 0,58 * (C) ------- (2)
2000 = C + E ----- (3)
2000 * (0.42) = 0,58 * (C) --------- (4)
C = 1448.28 Kg de jugo concentrado/h
Reemplazando ¨C¨ en la Ec. 3, se obtiene E = 551.72 Kg de agua para la
dilución.
Reemplazando ¨C¨ en la Ec. 2, se obtiene A = 6720.02 Kg/ h de extracto
B = E + D ----- (5)
Reemplazando los valores en las demás ecuaciones, se obtiene los valores
de B = 5271.74 Kg de agua.
Calculamos ¨D¨
D = 4720.02 Kg de agua perdida o purga
![Page 29: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/29.jpg)
Ejemplo Para obtener harina de pescado se extrae primero el aceite, obteniendo luego
una pasta de 80% en peso de agua y 20% de harina seca. Esta pasta se procesa
en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto seco que contiene
40% de peso en agua. Finalmente el producto se muele a grano fino y se
empaca. Grafique el diagrama. a) Calcule la alimentación de la pasta en Kg/h
necesaria para producir 1000Kg/h de harina seca. b) Determinar el peso de
agua evaporada.
P = A + F
P * XHS = F* XHS P = 1000 * 0.6 / 0.2
P = 3000 Kg
P * XHS = F* XHS
![Page 30: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/30.jpg)
P * Xagua = A + F* Xagua
A = P * Xagua - F * Xagua
A = 3000 * 0.8 – 0.4 * 1000 A = 2000 Kg de agua (Vapor)
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
![Page 31: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/31.jpg)
En la siguiente figura se muestra el diagrama de flujo de un proceso continuo de
múltiples unidades de separación.
Cada corriente contiene dos compones A y B, en diferentes proporciones y los
flujos desconocidos están marcados G, M y P.
Calcular las velocidades de los flujos desconocidos , asi como las composiciones
de las corrientes G, M y P.
![Page 32: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/32.jpg)
![Page 33: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/33.jpg)
Despejando el Porcentaje de sólidos con respecto al flujo G:
Obtenemos el Porcentaje de sólidos con respecto al flujo P:
![Page 34: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/34.jpg)
Despejando el Porcentaje de sólidos con respecto al flujo M:
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
![Page 35: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/35.jpg)
Las fresas contienen alrededor de 15% de sólidos y 85% de agua. Para
preparar mermelada de fresas trituradas con azúcar en una relación en peso
45:55 gr, la mermelada se calienta para evaporar el agua hasta que el residuo
contiene una tercera parte en peso de agua.
• Dibuje el diagrama de flujo de este proceso.
• Determine cuantas libras de fresa se necesitan para producir una libra de
mermelada.
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO
![Page 36: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/36.jpg)
Según los datos, tomando en cuenta las relaciones de peso podemos deducir:
Sustituimos el valor supuesto de “ S ” en la ecuación 1 para obtener:
Sustituimos el valor supuesto de “ F ” en la ecuación 1 para obtener:
![Page 37: Balance de Masa](https://reader033.fdocuments.es/reader033/viewer/2022050707/55cf9b93550346d033a6983d/html5/thumbnails/37.jpg)
Sustituyendo los valores encontrados en el balance general obtenemos:
TERMODINAMICA.
Mg. LUIS LARREA COLCHADO