Unidad 1. Balance de Materia-Energi a y La Ingenieri A

Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de materia-energa y la Ingeniera

Ciencias de la Salud Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en Biotecnologa

Ingeniera en Biotecnologa

Sexto Cuatrimestre

Asignatura: Balances de Materia y Energa

Clave: 200920522/190920622

Universidad Abierta y a Distancia de Mxico


Ciencias de la Salud Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en Biotecnologa 1

Introduccin a los balances de Materia-Energa Comencemos observando que existen diferentes productos como son los alimenticios, farmacuticos, agrcolas etc. La elaboracin de estos productos a escala industrial es un asunto muy importante para la sociedad moderna. Por eso mismo los alimentos, qumicos y frmacos, se encuentran en el rea de aplicacin de los Ingenieros en Biotecnologa especialmente en lo que se refiere al diseo y soluciones de procesos. Para lograr esto con calidad y efectividad es indispensable tener un control y evaluacin en las etapas de produccin para garantizar que el producto obtenido sea el adecuado en composicin y calidad para el consumidor final. En el contexto descrito, los balances de materia se emplean para determinar rendimientos de los procesos, con esta herramienta se cuantifica la porcin de producto obtenido por cantidad de materia prima suministrada en el proceso, esto permite reducir al mximo las mermas de materias primas y optimizar recursos en plantas industriales. Por otra parte, los balances de energa son necesarios cuando se disea una planta industrial debido a que proporcionan informacin acerca de la potencia requerida de bombas para transporte de fluidos, el tiempo para realizar el secado de productos, la cantidad de calor que adsorbe o libera un equipo en una fbrica. Estos son slo algunos ejemplos que ilustran la importancia de identificar y realizar balances de energa en el diseo de plantas productivas. Presentacin de la unidad En esta unidad vamos a conocer las herramientas bsicas y los conceptos para el anlisis del balance de materia y energa en la Ingeniera, los cuales te sern tiles para la elaboracin de procedimientos y tcnicas que conduzcan a soluciones de ingeniera, as como propuestas de diseo y aplicaciones de los balances de materia y energa para el diseo de procesos y aplicacin de equipos en dichos procesos. El estudio de la unidad comenzar con las definiciones de proceso y los tipos de operacin unitarias. Los procesos en ingeniera qumica son una serie de etapas secuenciales para la obtencin de un producto en escala industrial, a las etapas que componen y determinan a un proceso en ingeniera qumica se les denominan operaciones unitarias, las cuales dependiendo del fenmeno que ocurre en cada una se dividen en operaciones unitarias con proceso fsico o qumico. En general en la industria requiere identificar el proceso para la elaboracin de un producto biotecnolgico, esto se refiere a establecer la secuencia de etapas lgicas para la obtencin del producto y/o servicio. Los puntos de control de un proceso industrial se identifican a travs del uso de diagramas de flujo. Una vez definidas e identificadas las etapas (operaciones unitarias) y el proceso, el siguiente paso es determinar las variables que determinan y, por supuesto, controlan el proceso como son temperatura, presin, flujo msico, flujo volumtrico, etctera. Para tener una visin

AdministradorResaltado




global del proceso se emplean diagramas de flujo que son esquemas que ilustran las etapas para la obtencin de un producto o servicio. Posteriormente se revisa la Ley de conservacin de materia y se presentan las ecuaciones generales para procesos fsicos y procesos con transformacin qumica. Finalmente se mencionan las aplicaciones de los balances en el modelamiento y simulacin de procesos biotecnolgicos.

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Propsitos de la unidad En esta unidad identificars las herramientas y elementos de anlisis conceptuales bsicas de ingeniera qumica, como son: el sistema como unidad de proceso industrial, las variables de control de un proceso industrial, las operaciones unitarias empleadas para la elaboracin de productos, adems desarrollars habilidades para realizar esquemas que representen los procesos para la elaboracin de productos industriales, mediante el manejo de diagramas de flujo y/o equipo aplicado en procesos industriales. Competencia especfica Analizar los mtodos de balance en procesos industriales a travs de diagramas de operaciones unitarias. Temario de la unidad 1. Balances de materia-energa y la ingeniera 1.1. Variables y operaciones unitarias

1.1.1. Variables fundamentales de Fisicoqumica 1.1.2.Representacin grfica de variables de las operaciones unitarias y procesos

1.2. Tipos de diagramas de Proceso

1.2.1. Diagramas de flujo 1.2.2. Diagramas de bloque 1.2.3. Diagramas por equipo

1.3. Procesos

1.3.1. Identificacin de los diferentes balances 1.3.2Balance con reaccin qumica 1.3.3. Balanceen procesos fsicos

1.4. Anlisis y aplicacin de balances de materia y energa

1.4.1. Estado dinmico 1.4.2. Modelado 1.4.3. Simulacin



1.1. Variables de proceso y operaciones unitarias Para elaborar un producto industrial es necesario establecer las operaciones unitarias para realizar la transformacin de materias primas hasta la presentacin final del producto. Cada operacin unitaria tiene variables de proceso las propiedades de estado, que caracterizan y controlan el proceso, adems constituyen parmetros que permiten seleccionar los equipos y procedimientos tecnolgicos (Monsalvo y col. 2009) Las variables de proceso se dividen en dos categoras:

Variables extensivas: estas son variables que son funcin de la cantidad de masa, es decir, depende del tamao del sistema, entre las que se encuentran la masa y el volumen.

Variables intensivas: son variables que son independientes de la cantidad de materia que hay en el sistema, el valor de estas variables no cambia cuando aumenta o disminuye la materia en el sistema. Ejemplos de estas son la presin, temperatura, densidad, viscosidad.

Las variables de proceso ms empleadas para el control del funcionamiento de equipos industriales son: la temperatura, la presin y la concentracin. La temperatura se puede definir como una medida de la energa cintica promedio de las molculas de una sustancia, esta variable se cuantifica empleando termmetros y se emplea a escala absoluta, es decir, usando grados kelvin (K). La presin por definicin es la fuerza por unidad de rea, las unidades de esta variable son: Pascal, Dinas/cm2, mmHg o atmsferas. Existe el barmetro que es un instrumento que se emplea para medir la presin atmosfrica. La presin acta de diferentes maneras, por ejemplo, un gas encerrado en un recipiente ejerce presin sobre las paredes del recipiente que lo contiene; la presin de un lquido es igual a la altura del mismo sobre ese punto multiplicada por la densidad del liquido (Antonio Valiente, 2008). Para medir la presin en recipientes cerrados como son: la autoclave, evaporador, liofilizador se emplea un instrumento denominado manmetro. La relacin para hacer conversiones entre la presin absoluta y la presin manomtrica la presentan Felder, et al (2004).

Presin absoluta = Presin manomtrica + Presin atmosfrica Respecto a la concentracin, cabe mencionar que esta variable de proceso tiene varias formas de expresin sin embargo aqu nos interesa recordar las que se aplican a los balances de materia, como la:

Fraccin msica (X), se emplea cuando se tiene una mezcla de fluidos (gas o lquido). Supongamos una mezcla de dos componentes A y B, la masa total del sistema est dada por:










Masa total = masa de A + masa de B

Entonces la Fraccin msica de A en la mezcla:masatotal

masaAX A )(

Fraccin molar (Y) se emplea para una mezcla de fluidos (gas o lquido). Supongamos una mezcla de dos componentes A y B, el nmero de moles total en el sistema es la suma de los moles de los componentes de la mezcla.

Moles totales = moles de A +moles de B

Entonces la Fraccin molar de A en la mezcla:esmolestotal

molesAYA

Te invito a que revises el captulo 3 Procesos y Variables de Proceso del Libro Principios Elementales de los Procesos Qumicos de Felder, et al (2004) para conocer ms sobre el tema. Para un proceso continuo se emplea la concentracin por unidad de tiempo, que puede ser de dos tipos:

a) Flujo msico o gasto msico, que es la cantidad de materia por unidad de tiempo. Las unidades pueden ser Kg/s, Kg/h, g/s; ton/d, etctera.

b) Flujo molar, son los moles que atraviesan el sistema por unidad de tiempo. Las unidades son mol/min; mol/s; mol/hetctera.

Antes de continuar sugiero, que revises el capitulo 3 del libro Balances de materia y energa de Monsalvo, et al (2010), en este apartado puedes ver los conceptos bsicos de ingeniera usados en los procesos industriales. En la industria, es necesario llevara cabo un proceso sistematizado para obtener un producto, este se puede definir como la secuencia de etapas sistemticas para la obtencin del mismo. Los procesos se clasifican de acuerdo a la forma en que operan: en intermitentes o por lote y en continuos. Para realizar balances de materia y energa es necesario identificar primero el tipo de proceso. Felder, et al (2004) describen las caractersticas de los procesos de la siguiente manera:

Proceso intermitente o por lote: La alimentacin se introduce al equipo al comienzo del proceso y una vez concluido se retira el contenido de dicho recipiente. En generaen este proceso no hay transferencia de masa, es decir durante el proceso no hay entrada y salida permanente de materia.












Proceso continuo: existe una entrada y salida continua de materiales, que fluyen de manera continadurante todo el proceso.

Los procesos industriales se llevan a cabo por mltiples etapas, sin embargo en ocasiones se desea aislar una etapa para evaluarla independientemente. As la parte del proceso que se delimita para su estudio se denomina sistema. En el siguiente esquema se representan las etapas para la elaboracin del tequila.

Etapas para la elaboracin de tequila En el esquema se observa que la fermentacin se delimita por una lnea punteada, esta es la forma en que se representa un sistema. Para este ejemplo el sistema slo tiene una etapa, sin embargo puede agrupar varias etapas del proceso (fermentacin-primera destilacin-segunda destilacin), es decir, multietapas. En ingeniera a las etapas para la elaboracin de un producto industrial, se les denomina Operaciones Unitarias (O.U). En las operaciones unitarias o unidades de proceso se incorporan insumos y se clasifican de acuerdo al fenmeno que ocurre en la etapa; operaciones unitarias son etapas que realizan procesos fsicos es decir no existe transformacin de la materia, por ejemplo la destilacin es un mtodo de separacin de una mezcla homognea, adems existen las operaciones unitaria en las cuales ocurre transformacin de los materiales durante la unidad de proceso denominado procesos qumicos. En la siguiente tabla se presentan ejemplos presentados por Monsalvo, et al (2009).

Agave Materia prima

Obtencin de pias

coccin Fermentacin

Primera

Segunda destilacin

Mezclado

Envasado

sistema




Operaciones unitarias empleadas en la industria

Operaciones unitarias Procesos fsicos

Operaciones unitarias Procesos qumicos

Mezclado Fermentacin Destilacin combustin

Evaporacin saponificacin Secado Esterificacin

Tamizado intercambio inico Filtracin Oxidacin Molienda

Para concluir este primer acercamiento a los procesos, resaltaremos los conceptos que debes tener en cuenta antes de realizar el anlisis cuantitativo de balances de materia y energa. Las herramientas bsicas son el identificar nmero de etapas de un proceso industrial, establecer el sistema que se desea analizar y diferenciar las etapas por el fenmeno que ocurre en ella, es decir un proceso fsicos son mtodos de separacin en estos no hay la trasformacin de la materia y los procesos qumicos, donde ocurre transformacin de los materiales que ingresan a la unidad de proceso. Ahora es momento de que realices la lectura del captulo 3 del libro de Principios Bsicos y Clculos en Ingeniera Qumica de David Himmelblau, en el que presentan varios ejercicios resueltos de balances de materia para procesos fsicos y qumicos, de una sola etapa y mltiples etapas. Hasta ahora no hemos resuelto numricamente ejercicios de balance, por lo que es importante que de los ejercicios resueltos nicamente identifiques las partes siguientes:

Establecer el tipo de sistema

Operacin unitaria que intervienen en el proceso

El tipo de proceso fsico o qumico Una vez que identificas las operaciones unitarias, las variables que controlan el proceso para elaboracin de un producto industrial, existe otra herramienta que nos proporcionan una visin global del proceso que son los diagramas. En los procesos industriales es indispensable, la identificacin de los parmetros de control de un equipo, para esto se emplean diagramas en donde se rotulan las condiciones en las que opera un equipo. En el siguiente esquema se presenta un sistema en donde se lleva a cabo la separacin de una mezcla de benceno/tolueno, por medio de la operacin unitaria (destilacin) en donde se indica la composicin y el flujo msico que entra a la torre del destilador y la composicin de las salidas superior e inferior. Adems, se indica la temperatura para realizar la separacin.



Destilacin de una mezcla benceno/tolueno Para finalizar esta seccin te recuerdo que es indispensable que como ingeniero identifiques que para tener el control de un equipo o proceso, esto se realiza mediante la identificacin, monitoreo y control de las variables de proceso, como son temperatura, presin, flujos volumtrico, msico etctera. Para complementar el tema es necesario que realices la Actividad 1. Variables y descripcin de proceso. La actividad est formada de dos partes: Primera

Revisa el texto titulo Ejercicios de balance de materia y energa aplicados a procesos industriales de Rodrguez Nez, (2012); hay una serie de 20 ejemplos resueltos que describen el anlisis del balance de materia y el balance de energa en diferentes procesos aplicados a la industria. Identifica en cada ejercicio la operacin unitaria involucrada en el proceso, las variables de proceso De todo lo anterior t llevars un registro del anlisis, de este anlisis no ser necesario hacer entregar de algn archivo, esto te servir para analizar el planteamiento de los balances de materia y energa.

Segunda

A continuacin al final del mismo texto, se encuentra una seccin con 42 ejercicios no resueltos de balance de masa. Selecciona dos ejercicios de la seccin de Balance de masa, adems del nmero 42 (como obligatorio), realiza el planteamiento de una solucin de ingeniera. Posteriormente de la seccin de Balance de energa; selecciona dos casos y el nmero 22 es obligatorio.

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1

2

3

Mezcla 60% Benceno 40 % Tolueno

Fmsico= 800 kg/h

Benceno 100 %

Tolueno 90 % Benceno 10 %

T



Finalmente debers entregar tus soluciones en un archivo de presentacin electrnica con texto e imagen de diagramas de los procesos que identificaste, sealando las operaciones unitarias y justificando o explicando la razn del empleo de dichas operaciones unitarias y el equipo requerido para llevarlas a cabo; las variables que controlan el proceso, es decir reflejars en este trabajo tus soluciones de ingeniera respondiendo a los puntos planteados en la actividad.

Textos recomendados Himmelblau David M. (2004) Principios bsicos y clculos en Ingeniera Qumica. Sexta edicin. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S.A. impreso en Mxico. En el texto encontrars el desarrollo de las herramientas bsicas para ingeniera, aunque esta enfocado a el rea de la Qumica, recuerda que los principios son los mismos, te presenta las variables de proceso, equipo empleado para control de las variables, existen varios ejercicios resueltos de aplicacin en balances de materia y energa. Consltalo te ayudara! Monsalvo R., et al. (2010). Balance de Materia y Energa en Procesos Industriales. Grupo Editorial Patria S.A de C.V. Mxico. En el libro encontrars los fundamentos y tcnicas para resolver balances de materia y energa, adems las operaciones unitarias empleadas en la industria qumica, de alimentos, ambiental y petroqumica. En todos los captulos existen ejercicios resueltos que debes analizar para lograr cierto grado de prctica. Felder, et al (2004). Principios Elementales de los Procesos Qumicos. Mxico: Limusa Wiley. Este texto proporciona las herramientas bsicas para la Ingeniera, va de los temas ms simples a lo complejo, inicia con el sistemas de unidades, y continua con las variables de proceso, balances de materia, balances de energa etc. Hay que aclarar que el texto est enfocado a procesos de ingeniera qumica, sin embargo el fundamento de los conceptos es el mismo para cualquier aplicacin de ingeniera que pueden ser. en alimentos, Biotecnologa, Bioqumica, etctera.



1.2. Diagramas de Procesos Antonio Valiente (2008), establece que en la ingeniera se requieren planos, en donde se especifican tamao, forma, conexiones y corrientes en las lneas de produccin. Estos planos se emplean para calcular, construir o establecer los equipos necesarios en los procesos. A estos planos se les denomina diagramas de flujo, que representan la secuencia de operaciones unitarias que se llevan a cabo para la elaboracin de un producto. Para que conozcas ms sobre este tema te invito a que revises los documentos Diagrama de flujo y Diagrama de Flujo por bloque de este autor. Los diagramas de flujo y los balances de materia en las operaciones unitarias, de la industria, nos sirven para identificar en un proceso:

La cantidad de materias primas que entran a las unidades de proceso

La cantidad de producto obtenido por unidad de proceso o globalmente

La cantidad de mermas o perdidas

Establecer rendimiento de producto/matera prima

Identificar los puntos de control de los equipos en el proceso

Condiciones de operacin, en cuanto a presin, temperatura, tiempo etctera.

Programar la compra de materias primas. Existen diferentes tipos de diagramas de flujo, entre los que se encuentran los diagramas de flujo por bloques y los diagramas de flujo de procesos por equipos. Empezamos por describir las caractersticas de cada diagrama. Las caractersticas del diagrama de flujo por bloques son las siguientes

Las operaciones unitarias se representan mediante bloques (cuadrados, rectngulos)

La direccin del flujo va de izquierda a derecha y se representa mediante flechas que indican la direccin del flujo.

Las corrientes que transportan fluidos ligeros como gases, se indican por la parte superior del bloque y las corrientes que llevan fluidos ms pesados como liquido y slido se representa en la parte inferior.

nicamente se adiciona la informacin ms relevante del proceso industrial. A continuacin veremos como se desarrolla el diagrama de flujo por bloques, a partir del enunciado que describe el proceso. Ejemplo: Para la elaboracin de jugo de manzana, la fruta pasa por un extractor, seguido de filtracin, con el propsito de concentrarlo, se alimenta a un evaporador 26,840 kg/h del zumo, en el equipo se extrae agua a una velocidad de 569 kg/h, adems a la salida del equipo, el jugo tiene una concentracin de 30 oBrix. El evaporador opera a una temperatura de 60 oC. Te propongo hagas el diagrama del flujo por bloques y rotlalo.



Diagrama de flujo por bloques para la elaboracin de un jugo de manzana.

El diagrama de flujo por bloques es un esquema sencillo que nos permite identificar las operaciones unitarias que participan en el proceso y establecer puntos de control. A diferencia de los diagramas descritos antes, los diagramas de flujo de procesos son ms elaborados en donde las operaciones unitarias no son representadas por cuadrados o rectngulos sino se tienen smbolos para los equipos. (Ver el esquema de smbolos). En este momento es importante que consultes las pginas 22-24 del texto de Problemas de balances de materia y energa en la industria alimentaria de Antonio Valiente (2008). En estas pginas vas a encontrar los diagramas de equipo empleados en la ingeniera para equipos como fermentadores, evaporadores, diferentes tipos de molinos, intercambiadores de calor etctera. Adems revisa el documento de Veracruzana, U. (s.f.). Slide Share. Recuperado el 27 de julio de 2012, de http://www.slideshare.net/monintx/procesos-quimicos Para realizar los diagramas de flujo de procesos incluyen las siguientes caractersticas:

Los equipos en el proceso se presentan con smbolos en el diagrama con una identificacin de este. Cada equipo tendr asignado un nmero nico y un nombre descriptivo.

Las corrientes de flujo de proceso estn representadas por un nmero. Se incluye una descripcin de las condiciones de proceso y la composicin qumica de cada corriente. Estos datos se presentan directamente en el PFD o se incluyen en una tabla adicional.

Extractor Manzanas Filtraci

n

E V A P O R A D O R

Jugo de manzana 30Brix

Fm agua569 Kg/h

T



Se muestran todas las corrientes de servicios que se suministran a los equipos principales o que brindan una funcin en el proceso.

Se incluyen lazos de control bsicos, que ilustren la estrategia de control usada para que el proceso opere dentro de condiciones normales.

Smbolos de algunos equipos empleados para elaboracin de diagramas de flujo de procesos. Valiente (2008)

A continuacin se muestra un ejemplo de un diagrama de flujo de proceso. Durante la elaboracin de yogurt, se emplea la fermentacin, en el equipo se alimenta con 1000 L de leche y 500 kg de fresa, adems se inocula con bacterias lcticas, la fermentacin se lleva a cabo en 4 horas. En el esquema siguiente se representa el diagrama de proceso para la etapa.

Hoja de especificaciones

Reactor

Lnea de proceso 1 2 3 Temperatura

Leche 1000 L Fresa 500 Kg Yogurt

Diagrama de proceso para la fermentacin en el proceso de elaboracin de yogurt de fresa.

1

2

3

T

R-101



Observa que en el diagrama de proceso se emplea el smbolo que representa el equipo, se le asigna un nmero al equipo de acuerdo al rea a la que pertenece, las lneas de proceso estn plenamente identificadas y se adiciona una tabla de especificaciones en donde se indican las variables en cada lnea del desarrollo. Para cerrar el apartado recuerda que los diagramas de flujo son indispensables para los Ingenieros, debido a que proporcionan informacin general de las etapas del proceso, se tiene un registro de las variables que controlan los equipos, mediante los esquemas se pueden visualizar reas de mejoras en el proceso. Adems es una herramienta necesaria para la entrega de reportes tcnicos. En esta etapa de la formacin de Ingenieros en Biotecnologa, haz una pausa y permite una mejor comprensin del proceso industrial mediante la esquematizacin general del proceso. En este momento es importante que realices la Actividad 2. Diagramas de bloque y diagramas de flujo. 1. Considera los conocimientos que has adquirido acerca de los procesos, las variables en

ellos, las operaciones unitarias que los componen; e investiga acerca de otros procesos de transformacin qumica, los cuales pueden ser diferentes reas de aplicacin: alimentos, pegamentos y resinas, neumticos y materiales elsticos, bioprocesos y productos de limpieza o cosmticos

2. Investiga los procesos de al menos un producto de dos de los rubros planteados en 1, realiza el diagrama de flujo por bloques o por procesos que puedas obtener, Identifica los dispositivos que componen el proceso, e investiga cmo funcionan para llevar a cabo una operacin unitaria del proceso.

Textos recomendados Valiente A. (2008). Problemas de Balance de Materia y Energa en la Industria Alimentaria. Editorial Limusa, segunda edicin. Mxico pp 17-30. En el texto tiene una serie importante de ejercicios resueltos en aplicacin a la industria de alimentos, es muy practico, la nomenclatura es diferente sin embargo eso te hace ser mas cuidadoso en el anlisis de los ejercicios.



1.3. Procesos qumicos y fsicos Existen dos tipos de balances de materia sin embargo ambos tienen su fundamento en, la teora de conservacin de materia propuesta por Antonio Lavoisier que establece que la materia no se crea ni se destruye solo se transforma, para nuestra rea de estudio la podemos enunciar como, la materia que entra a un sistema es la misma que sale del sistema. La ecuacin general de balance de materia establece que la materia que entra al sistema es igual materia que sale del sistema +la materia que se genera en el sistema - la materia que se consume en ver el siguiente esquema.

Ecuacin general de balance de materia

Vamos a presentar un ejemplo de un balance tomado del texto de Felder, et al (2004). Te pido que revises el captulo 4 titulado Fundamentos de los Balance de Materia de Felder, et al (2004) en donde encontrars ejercicios enfocados a este tema. Cada ao llegan 50,000 personas a la ciudad, se van 75,000, nacen 22,000 y mueren 19000. Escriba un balance de la poblacin de la ciudad.

Entrada personas - salida personas + generacinpersonas consumopersonas = acumulacin Solucin: Se representa a las personas con laletra P

Es decir cada ao la ciudad pierde 22,000 personas. Los balances de materia para los sistemas continuos en donde la concentracin de materia no cambia con el tiempo, se encuentra en estado estacionario el trmino de acumulacin se hace cero, entonces la ecuacin se simplifica y queda de la siguiente manera:

Entrada = salida + generacin consumo Esta es la ecuacin que se emplear para realizar el balance de materia en los sistemas para los procesos industriales.



Para realizar los balances en procesos fsicos, la ecuacin general de balance de materia se tiene que adaptar de acuerdo al proceso que se lleva acaboen la unidad de proceso u operacin unitaria. En los procesos fsicos en donde no ocurre reaccin y adems esta en estado estacionario, los trminos de generacin de materia y consumo se hacen cero por lo tanto la ecuacin de balance para procesos fsicos se simplifica quedando de la siguiente forma.

Entrada de materia = salida de materia Esta ecuacin de balance se aplica a las operaciones unitarias como la destilacin, evaporacin, secado, filtracin, mezclado, tamizado etc. En este tipo de procesos es importante identificar el nmero de entradas y salidas del sistema vamos aejemplificar lo mencionado, observa el siguiente esquema representa los diagramas de bloques de dos sistemas (1 y 2) adems que son operaciones unitarias sin reaccin.

Ejemplos de sistemas en donde las operaciones unitarias en procesos fsicos.

Para el sistema 1, es un proceso de mezclado, en donde la ecuacin de balance de materia queda.

Entradas = salidas Observa que en este sistema tenemos tres entradas entonces y una salida, entonces el balance de materia para este sistema en particular queda de la siguiente forma

Entrada 1+ entrada 2 + entrada 3 = salida 4

M1

M2

M3

M4

B

C

Sistema1 Mezclado

Sistema 2 Evaporacin



Empleando la simbologa queda: M1+M2+M3=M4

Para el sistema 2, es un proceso fsico de evaporacin hay una entrada y dos salidas entonces el balance del proceso de evaporacin queda

Entrada A= Salida B + Salida C Si empleamos como smbolo de masa a M la ecuacin se representa

MA=MB + MC La cual se puede describir la materia que entra en la lnea de proceso A al evaporador es igual a la materia que sale del evaporador en la lnea de proceso B ms la materia que sale del evaporador en la lnea de proceso C. Para los balances de materia en procesos fsicos se recomienda realizar primero el diagrama de bloques del proceso, para identificar las entradas y salidas del proceso. Para las operaciones unitarias en donde hay reaccin, se emplea la ecuacin general de balances en procesos qumicos en estos casos la materia que entra al sistema se transforma, existe generacin de productos y consumo de la materia prima. La ecuacin de balance para procesos qumicos y en estado estacionario, se emplean los cuatro trminos entrada de materia es igual a la salida de materia mas generacin de materia y consumo de materia. Esta ecuacin de balances de materia se emplea en la fermentacin lctica, fermentacin alcohlica, combustin, oxidacin etctera.

Entrada = salida + generacin -consumo En los proceso qumicos es importante conocer la reaccin que se lleva a cabo para identificar los materiales que se generan (producto) y los que se consumen (materia prima).El balance de materia para la materia prima la ecuacin se simplifica de la siguiente forma. Observa que el trmino de generacin se hace cero y la ecuacin se reduce.

Entrada =salida + consumo El balance de materia para el producto, los trminos de entrada y consumo se hacen cero y la ecuacin queda as

Salida = generacin Ejemplo de balance de materia para un proceso con reaccin. La obtencin de etanol se realiza en un Fermentador, empleando como sustrato la glucosa, establecer el balance de materia para la sacarosa y el etanol.



Diagrama de flujo por bloques para la fermentacin de la glucosa

OHCHCHCOOHC 2326126

Primero es recomendable hacer el diagrama de flujo por bloques para visualizar el proceso, posteriormente colocar la reaccin y balancearla. El balance de materia para la glucosa, queda con tres trminos, debido a que en el sistema no hay generacin de glucosa, el trmino se hace cero.

Entrada glucosa = salida de glucosa + consumo de glucosa

El balance de materia para el producto de inters que es el etanol, para este no hay entrada de etanol y tampoco consumo de etanol entonces el balance de materia es:

Salida de etanol = generacin de etanol En general cuando se realizan balances de materia en procesos qumicos se recomienda iniciar el procedimiento con el diagrama por bloques del proceso, posteriormente conocer la reaccin y balancearla.

F E R M E N T A D O R

Glucosa C6H1206

Etanol C2H6O

Dixido de carbono CO2

Reaccin A

Fm= 26840 Kg/h



Para terminar con el tema, deber recordar la importancia en la ingeniera de los balances, son una herramienta bsica, debido a que se emplean frecuentemente para evaluar el rendimiento de procesos e identificar las mermas. Existen dos tipos de ecuacin para balances de materia, cuando en el proceso existe transformacin de la materia (Reaccin) y cuando en el proceso es fsico. Realiza una autoevaluacin con el propsito de identificar el grado de comprensin del tema. Te presentamos un ejercicio en el cual debers

Establecer el diagrama de bloques de sistema

Identifica la operacin unitaria que intervienen en el proceso

El tipo de proceso fsico o qumico y coloca la ecuacin general de balance en el proceso En la industria de bebidas, se emplea como edulcorante a la fructosa. Este aditivo se obtiene a partir de sacarosa empleando la enzima invertasase obtiene como producto principal la fructosa y producto secundario la glucosa

Textos recomendados Felder, et al (2004). Principios Elementales de los Procesos Qumicos. Mxico: Limusa Wiley. Este texto proporciona las herramientas bsicas para la Ingeniera, va de los temas ms simples a lo complejo, inicia con el sistemas de unidades, y continua con las variables de proceso, balances de materia, balances de energa etc. Hay que aclarar que el texto est enfocado a procesos de ingeniera qumica, sin embargo el fundamento de los conceptos es el mismo para cualquier aplicacin de ingeniera que pueden ser. en alimentos, Biotecnologa, Bioqumica, etctera.



1.4. Anlisis y Aplicacin de balances de materia y energa Hasta este momento se han establecido las ecuaciones de balance de materia para procesos en donde, las variables de proceso no cambian respecto al tiempo, es decir, operan en estado estacionario. Sin embargo hay sistemas en condiciones transitoria en donde las variables cambian respecto al tiempo operando en condiciones de estado no estacionario. Las ecuaciones de balance se emplean para predecir el comportamiento del sistema transitorio, en donde las soluciones analticas de los balances de materia incluyen ecuaciones diferenciales de balance de primer orden, nicas y separables. En esta seccin es importante que visualices la aplicacin de los balances de materia y energa, por el momento no ser necesario que desarrolles este tipo de balances de materia en sistemas transitorios. A continuacin se presenta un ejemplo de un balance dinmico o transitorio tomado del Sccena, et al (2004). Te pido revises las pginas 571 a 600 de este autor, en esta seccin del libro podrs conocer los pasos y mtodos para el anlisis de los sistemas en el proceso, presentan los equipos, sus ecuaciones y la metodologa para aprovechar los recursos y darle un enfoque para realizar simulacin de un proceso, considerada una parte muy importante de la ingeniera. Ejemplo 1: Tanque abierto con flujo de salida gravitatorio. Un esquema del sistema bajo anlisis se muestra en la Figura Hiptesis asumidas:

Sistema adiabtico

Densidad constante

No hay reaccin qumica

Se desprecia la evaporacin La ecuacin de balance de materia par el sistema dinmico es

Donde E1 y E2 representan los gastos volumtricos de entrada, S es el gasto volumtrico de la salida y AT es el rea transversal del tanque.



Se puede observar que la ecuacin de balance de materia para el sistema dinmico incluye la diferencial del cambio de altura respecto al tiempo. Es importante establecer que el objetivo de la asignatura no es que el alumno desarrolle balances de materia en sistemas dinmicos, sin embargo consideramos que es importante para los Ingenieros en Biotecnologa, que identifiquen el rea de oportunidades y de aplicacin de los balances de materia y energa. Los balances dinmicos o transitorios se emplean en el modelado de procesos industriales para predecir el comportamiento de los procesos y tener mayor control.

Cierre del tema: Para terminar esta seccin, es pertinente hacer la aclaracin, que para las soluciones numricas para los balances de materia dinmicos, se deben emplear software (Simuladores) para resolver las ecuaciones correspondientes. En este momento realiza Actividad 3. Modelado y simulacin de procesos qumicos. Lee y analiza detenidamente el texto que se te proporciona que tiene como titulo Modelacin y simulacin del tanque de contacto y los enfriadores de licor en el proceso de lixiviacin carbonato-amoniacal con minerales laterticos cubanos de Guzmn del Ro, et al (2000).

1. Para este proceso: identifica las operaciones unitarias para llevar a cabo el procesos, adems de las variables involucradas en las operaciones unitarias, secuenciacin y el anlisis de las variables durante el balance de masa y de energa;



2. A continuacin trabajars haciendo el anlisis del planteamiento del procedimiento

para el anlisis de la aplicacin de balances en la simulacin del proceso se presenta en el texto. El cual lo reflejars mediante un reporte que consistir en lo siguiente:

En esta actividad no se requiere resolver numricamente las ecuaciones de balance; pero es importante que identifiques del contenido los pasos del procedimiento que se lleva a cabo para desarrollar primero las ecuaciones de modelado del proceso y, posteriormente las ecuaciones que lo representan. Para eso es importante identificar todas las variables que estn involucrando los ingenieros, y adems considerar un concepto muy importante: el concepto de cambio instantneo o derivada de la masa respecto del tiempo (gasto o flujo de masa) o derivada del calor o energa trmica respecto del tiempo. Esta ltima idea es esencial para la representacin de los cambios que ocurren durante un proceso y es muy importante considerarla cuando se establecen las ecuaciones de simulacin del comportamiento del proceso en el balance de masa y energa. Autoevaluacin con el propsito de identificar el grado de comprensin del tema. Te presentamos un ejercicio en el cual debers:

Establecer el diagrama de bloques de sistema

Identifica la operacin unitaria que intervienen en el proceso

El tipo de proceso fsico o qumico y coloca la ecuacin general de balance en el proceso En la industria de bebidas, se emplea como edulcorante a la fructosa. Este aditivo se obtiene a partir de sacarosa empleando la enzima invertasase obtiene como producto principal la fructosa y producto secundario la glucosa

Textos recomendados Scenna, N., et al (1999). Modelado, Simulacin y Optimizacin de Procesos Qumicos. Buenos Aires: Editorial de la Universidad Tecnolgica Nacional. pp. 571 600. En esta seccin del libro podrs conocer los pasos y mtodos para el anlisis de los sistemas en el proceso, presentan los equipos, sus ecuaciones y la metodologa para aprovechar los recursos y darle un enfoque para realizar simulacin de un proceso, considerada una parte muy importante de la ingeniera.



Estamos finalizando la primera unidad de Balances de materia y energa, es una asignatura con mucha aplicacin en la industria. Te has dado cuenta? Es decir muy prctica, adems de manejar los conceptos bsicos de ingeniera, lo mas significativo es la aplicacin en procesos u operaciones unitarias de la industria. La mejor forma de aprender y entender los balances de materia y energa es con prctica, por esta razn te exhorto a que realices tus actividades, que tienen como propsito reforzar, entender y sistematizar la informacin presentada. Recuerda que en caso que existan dudas, comuncate con tu facilitador

Evidencia de aprendizaje. Procesos y variables en biotecnologa Lee con atencin el texto que se te proporciona que se titula Aplicacin de balances de masa-energa al proceso de fermentacin en estado slido de bagazo de caa de azcar con Aspergillus Nger, de Dustet Mendoza et al (2004).

El texto corresponde a un estudio de aplicacin a un bioreactor en una fermentacin; de lo que trata esta actividad integradora es de comprender este proceso, mejor dicho bioproceso; y sus componentes de transformacin de las sustancias que involucra o sea sus operaciones unitarias as como los criterios de variables que en l se manifiestan durante el estudio del balance de masa y energa .

1. En esta actividad desarrollars un texto analtico a manera de reporte o mejor an de un ensayo, en el cual plasmars las semejanzas y diferencias que encuentras entre el anlisis de un proceso qumico y el anlisis de un bioproceso durante el procedimiento para el balance de masa y energa en cada uno de ellos.

2. Para ello debers apoyarte en los criterios o planteamientos de los puntos dados en la actividad 1 y los criterios de modelado de la actividad 2; para descifrar cmo esta dado el modelo del bioproceso de este estudio, y describirlo con sus detalles de la misma manera en que planteaste las soluciones de ingeniera que diste en la actividad 1 pero para un bioproceso. Que son las siguientes:

1) Operaciones unitarias involucradas 2) Descripcin del modelo del proceso determinando las posibles razones de

porqu se ha diseado as, es decir, porqu se involucran esas operaciones unitarias especficamente para lograr el producto final

3) Variables tanto del proceso de masa (materia) como de energa que determinan el funcionamiento ptimo del proceso, para transformar la masa en nuevos productos

4) Explcitamente identificar las variables que se involucran en cada operacin unitaria

Recuerda que no es necesario resolver aun ninguna ecuacin, lo importante es reconocer las fases del proceso, sus variables, su organizacin, la justificacin de las operaciones



unitarias que contiene que en el caso de bioprocesos deben diferir de las operaciones qumicas que ya has visto. Nota complementaria: Una vez que abordes el texto te dars cuenta que un bioproceso, en efecto es diferente de un proceso de transformacin qumica ordinario como los que se llevan a cabo en cualquier planta qumica industrial, las cuales abundan en casi todas las regiones. Sin embargo los conocimientos que has adquirido a lo largo de este curso sobre ingeniera qumica, y de cursos complementarios como el de bioqumica y fenmenos de transporte; te preparan para reconocer similitudes y comparar los criterios en el anlisis; como identificar las operaciones unitarias, los aspectos en donde existen reacciones qumicas o no; los ingresos o transferencias de energa y sus variables o coeficientes; lo cual debe conducirte a poder comprender los procesos y las variables que se emplean en el proceso del bioproceso; aunque este difiera de un proceso qumico ordinario. Es ste tu primer contacto con la ingeniera en biotecnologa.

1. Apoya tu trabajo con imgenes y s cuidadoso con la ortografa. 2. Integra tu trabajo en un formato .doc con las caractersticas indicadas.

Guarda tu documento con la nomenclatura BME_U1_EA_XXYZ y envalo a tu Facilitador(a) mediante la seccin de tareas. Adems de enviar tu trabajo de la Evidencia de aprendizaje, es importante que ingreses al foro Preguntas de Autorreflexin y consultes las preguntas que tu Facilitador(a) presente, a partir de ellas, debes elaborar tu Autorreflexin en un archivo de texto llamado BME_U1_ATR_XXYZ. Posteriormente enva tu archivo mediante la herramienta Autorreflexiones.



Cierre de la unidad En esta unidad introductoria, se trataron conceptos bsicos que debes comprender y analizar, con el propsito de desarrollar una metodologa para resolver ejercicios de balances de materia y energa. Antes de hacer el anlisis numrico de un ejercicio de balances, se empieza realizando el diagrama de flujo por bloques y se anotan sobre este los datos de las variables que nos proporcionan en el ejercicio, posteriormente establecer el sistema o el rea de estudio, identificar el tipo de proceso, las variables de proceso que controlan el sistema. Ahora consideras que Es necesario conocer el tipo de proceso (fsico o qumico) que ocurre en la operacin unitaria? Definitivamente la respuesta es un rotundo SI, debido a que dependiendo del tipo de proceso fsico o qumico es la ecuacin de balance de materia que se emplear para la posterior solucin numrica del ejercicio, que corresponde a la siguiente unidad de la asignatura.

Para saber ms Richard, F., & Ronald, R. (2004). Principios Elementales de los Procesos Qumicos. Mxico DF: Limusa Wiley. pp. 83 186. Este texto proporciona las herramientas bsicas para la Ingeniera, va de los temas ms simples a lo complejo, inicia con el sistemas de unidades, y contina con las variables de proceso, balances de materia, balances de energa etc. Hay que aclarar que el texto est enfocado a procesos de ingeniera qumica, sin embargo el fundamento de los conceptos es el mismo para cualquier aplicacin de ingeniera como: Ingeniera en alimentos, Ingeniera Biotecnologa, Ingeniera Bioqumica, etctera. Reklaitis G. V. (1986). Balances de Materia y Energa. Mxico: Nueva Editorial Interamericana. pp. 252 351. En la seccin del libro podrs extender tus conocimientos hacia el uso de los diagramas de flujo y podrs percatarte de que estos son muy diversos en los procesos qumicos; asimismo podrs asociar directamente los diagramas de flujo con el balance de materia. Existen varios ejemplos de clculo, en trminos de lgebra lineal, pero lo ms importante de este contenido es reconocer la diversidad de aplicaciones en procesos industriales. Patio Olivares, A. (2007). Introduccin a la Ingeniera Qumica. (Balances de Masa y Energa) Mxico DF: Universidad Iberoamericana. En el libro citado encontrars los elementos iniciales del curso de Balance de materia y energa, el cual comienza con el concepto de procesos en la ingeniera qumica; en l se te proporcionan los elementos conceptuales que caracterizan a los procesos e introduce los esquemas o grficos de organizacin dichos procesos de transformacin qumica. Te ser til para comprender los componentes de un proceso de transformacin qumica a las cuales se les conoce como operaciones unitarias. En este libro encontrars un amplio estudio acerca de las variables de los procesos qumicos, sus conceptos fsicos, la



identificacin en un sistema y los clculos de balances de materia y energa en los procesos industriales. Slide Share. Diagrama de Flujo. (s.f.). Recuperado el 27 de julio de 2012, de http://www.slideshare.net/luganil/1-diagramadeflujo En la presentacin muestra con amplitud la tcnica, la simbologa y los recursos que se aplican en la construccin de diagramas de flujo y diagramas de bloques en procesos de transformacin qumica en la industria.



Fuentes de consulta Felder, et al (2004). Principios Elementales de los Procesos Qumicos. Mxico: LimusaWiley. pp. 43 68. Himmelblau, D. M. (2004) Principios bsicos y clculos en Ingeniera Qumica. (6. ed.) Mxico. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S.A. Monsalvo, R., et al (2010). Balance de Materia y Energa en Procesos Industriales. Mxico. Grupo Editorial Patria S.A de C.V. Mxico pp 189-200. Scenna, N., et al (1999). Modelado, Simulacin y Optimizacin de Procesos Qumicos. Buenos Aires: Editorial de la Universidad Tecnolgica Nacional. pp. 571 600. Valiente A. (2008). Problemas de Balance de Materia y Energa en la Industria Alimentaria. Editorial Limusa, (2. ed.) Mxico.

Unidad 1. Balance de Materia-Energi a y La Ingenieri A

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