A. Balances de Materia y Energa

IntroduccinLos balances de materia y energa (BMyE) son una de las herramientas ms importantes con las que cuenta la ingeniera de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energa entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realizacin del PFC, los BMyE nos permitirn conocer loscaudales msicosde todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, as como lasnecesidades energticasdel mismo, que en ltimo trmino se traducirn en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeracin.Dentro del PFC los BMyE tienen su lugar lgico en el Estudio de Viabilidad, ya que es por medio de ellos que se obtiene la informacin necesaria para proceder al dimensionamiento de los equipos y la estimacin de las necesidades de servicios auxiliares (vapor, aire, refrigeracin). En la Memoria de Clculo debern incluirse los BMyE de la alternativa elegida, como un anexo de la misma.

Balances de Materia (BM)La aplicacin de los BM no es conceptualmente complicada, y sus fundamentos tericos pueden consultarse con detalle en textos como los que se incluyen en la seccin de bsqueda de informacin[Balances de Materia y Energa], junto con numerosos ejemplos de aplicacin a diferentes operaciones y procesos. A continuacin se repasan las ideas bsicas para el planteamiento de los BM, y se indican posibles estrategias para su utilizacin en el PFC.Los BM se basan en la ley de conservacin de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energa, y no a la materia o energa por separado. Sin embargo, en las condiciones que se dan en los procesos industriales objeto de los PFC en la UGR, al no abordarse el caso de los reactores nucleares, no existe transformacin de materia en energa o viceversa, con lo que la forma general del balance de materia TOTAL a un sistema, ser:

La forma del balance a cada uno de los componentes ser la misma, excepto cuando existe reaccin qumica, ya que en ese caso habr que considerar la aparicin o desaparicin de los componentes individuales por efecto de la reaccin (sin embargo la masa total del sistema nunca variar). Por ello el BM al componenteitendr la forma:

Una situacin muy frecuente es que el proceso sea continuo, con lo cual el trmino de acumulacin ser 0.Tal y como se ha indicado los BM se pueden aplicar a una unidad de proceso (un equipo), como a todo el proceso completo. Para una unidad o equipo, podrn plantearse tantos BM independientes como componentes intervienen en el mismo, y a un proceso completo se le podrn plantear un nmero de BM independientes igual a la suma de los de todas las unidades del mismo, entendiendo como unidades de un proceso los equipos u operaciones que lo integran. Adems, en algunos casos existen relaciones impuestas entre las distintas corrientes que nos pueden servir como ecuaciones adicionales a los BM.

Planteamiento de los BM en el PFCEl primer paso para plantear los BM a un proceso determinado, consiste en, sobre el diagrama de bloques del mismo, plasmar toda la informacin de la que se disponga, que bsicamente ser:1. Caudales de las corrientes2. Composicin de las corrientes3. Otras relaciones o restricciones conocidasAunque es aconsejable analizar si el sistema est o no determinado, y el nmero de grados de libertad, en caso de que no lo est, siempre se conocer la cantidad por hora de producto final a fabricar, ya que este dato viene dado por la capacidad de produccin que ha debido quedar establecida en el Estudio de Mercado. A partir de dicho dato se pueden emplear varias estrategias para plantear los balances, aunque no siempre sern todas posibles, o incluso lo ser slo una (en general no suele ser posible hacer todos los balances secuencialemente):1. Resolver el balance al proceso global, y con los datos obtenidos plantear el balance a la primera unidad, e ir resolviendo secuencialmente, cuando sea posible.2. Tomar como base de clculo (variable de diseo) el caudal de materia prima (si hay varias se escogera la principal o una de ella), y resolver secuencialmente el proceso hacia delante, empezando por la primera unidad, aunque luego habra que cambiar la escala para que la capacidad de produccin sea la deseada.3. Comenzar a plantear y resolver los balances secuencialmente y hacia atrs, empezando por la ltima de las unidades de proceso, si fuera posible.En general el planteamiento y la resolucin de los BM exige manipular y trabajar con la informacin disponible, ensayando distintas estrategias, hasta llegar a una solucin aceptable y fsicamente coherente, pues en ningn caso podr salir del sistema ms materia de la que entra o viceversa.

Balances de Energa (BE)Los BE son normalmente algo ms complejos que los de materia, debido a que la energa puede transformarse de unas formas a otras (mecnica, trmica, qumica, etc.), lo que obliga a considerar este aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE sern imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energa sea determinante, lo que fundamentalmente suceder en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilacin, etc., es decir, cuando haya quecalentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores qumicos, tambin son imprescindibles los balances de energa para su diseo, ya que en cualquier caso habr que asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los efectos trmicos de la reaccin sean importantes. En reacciones bioqumicas dichos efectos no suelen ser muy significativos, as que se podrn ignorar en el dimensionamiento preliminar de los fermentadores o reactores enzimticos, siempre que se justifique.Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la mayora de los otros equipos, y a efectos de dimensionamiento preliminar, la llamada ecuacin de las entalpas, que se incluye a continuacin, suele ser suficiente para su planteamiento.

Dondemsymeson los caudales msicos de entrada y salida del sistema,HeyHslas entalpas de los mismos, yQel calor intercambiado por el sistema, que si es positivo ser ganado por el sistema, y si es negativo ser cedido por el mismo a los alrededores. El clculo de la entalpa de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad calorfica, y una temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase tambin habr que considerar el calor latente. Para el vapor de agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua saturado o recalentado, disponibles en bibliografa o incluso en aplicaciones on-line.