Un enfoque diferente para la enseñanza del Balance de Materia.
Se recordarán los conceptos de Estequiometría estudiados en Química General y los enlazaremos con el Balance de Materia y la Ingeniería Química.
Durante su formación, un Ingeniero Químico debe aprender a diseñar y a operar con seguridad, Procesos mediante los cuales se transforman materias primas en productos más útiles, obteniendo ganancias y procurando que no se afecte el medio ambiente.
El diseño de un Proceso Químico requiere la selección de una secuencia de transformaciones físicas y químicas apropiadas, llamadas Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios, respectivamente, y de la escogencia de los equipos necesarios para realizarlas.
De acuerdo con la conocida Ley de la Conservación de la Materia, en las Operaciones Unitarias se conserva, tanto la masa, como el número de moles y el número de átomos. En los Procesos Unitarios, se conserva la masa y el número de átomos, pero –generalmente - no se conserva el número de moles.
Índice de contenidos
1. La estequiometría y el balance de materia
2. Mezclador y reactor. Análisis cuantitativo
3. Separadores I y II: Análisis cualitativo
4. Las relaciones: Datos adicionales o información adicional
5. Recirculación, divisores, purga
6. Derivación
7. Procesos sobre-especificados
8. Flujos másicos, fracciones másicas
9. Ecuación general de balance
10. Balance de materia en un proceso con unidades múltiples: Procesos unitarios y operaciones unitarias
Objetivos y temas de la obra
El objetivo principal de esta obra es presentar un método de solución simultánea para resolver problemas complejos de balance de materia en procesos químicos, estandarizando el procedimiento independientemente de la cantidad de unidades involucradas.
- Análisis de diagramas cualitativos y cuantitativos como paso fundamental.
- Aplicación del concepto de grados de libertad para la especificación correcta de procesos.
- Implementación del método de solución simultánea mediante sistemas de ecuaciones lineales y no lineales.
- Uso de herramientas de software (EES) para la resolución de balances molares y másicos.
- Estrategias de comprobación de resultados mediante balances globales y elementales.
Extracto del libro
RECIRCULACIÓN, DIVISORES, PURGA:
En la Figura 5 se propone retornar toda la corriente (5) al Mezclador (podría también enviarse al Reactor), pensando en lograr la Conversión de toda la sustancia costosa, A, que no reaccionó. Pero técnicamente esto es imposible debido a que, si se retorna todo el flujo de la corriente, la cantidad de inerte iría aumentando y aumentando en el Proceso, su composición estaría variando constantemente y se acumularía en la corriente, por lo que dejaría de ser un Proceso de Estado Estable y Flujo Estable. En la Figura 6 se muestra la solución: Añadir un equipo conocido con el nombre de Divisor, el cual parte el flujo de la corriente (5) en dos corrientes. Una de ellas se saca del Proceso y recibe el nombre de Corriente de Purga o Purga. La otra corriente que es la que se retorna al Reactor se conoce como Corriente de Recirculación o Recirculación.
Resumen de los capítulos
La estequiometría y el balance de materia: Introduce los conceptos básicos de conservación de la materia aplicados a procesos químicos y la diferencia entre operaciones y procesos unitarios.
Mezclador y reactor. Análisis cuantitativo: Desarrolla el análisis estequiométrico básico en las unidades de mezclado y reacción, sentando las bases para el cálculo de flujos y composiciones.
Separadores I y II: Análisis cualitativo: Describe la función de los separadores en la purificación de productos y su representación en diagramas de flujo.
Las relaciones: Datos adicionales o información adicional: Explica cómo las especificaciones técnicas o restricciones de proceso se convierten en ecuaciones matemáticas necesarias para resolver el balance.
Recirculación, divisores, purga: Analiza la importancia de los divisores y la purga para evitar la acumulación de inertes y mantener el estado estable del proceso.
Derivación: Define la técnica de derivación (bypass) y su relación porcentual con el flujo principal del proceso.
Procesos sobre-especificados: Examina el tratamiento matemático cuando existe información redundante y cómo determinar si un sistema es contradictorio.
Flujos másicos, fracciones másicas: Generaliza el balance de materia utilizando flujos másicos, rompiendo el mito de que solo deben usarse moles en reacciones químicas.
Ecuación general de balance: Presenta la formulación matemática integral aplicable a múltiples reacciones y corrientes de entrada/salida.
Balance de materia en un proceso con unidades múltiples: Procesos unitarios y operaciones unitarias: Integra todos los conceptos previos en un estudio de caso completo de un proceso de cinco unidades.
Palabras clave
Balance de materia, estequiometría aplicada, grados de libertad, solución simultánea, procesos unitarios, operaciones unitarias, diagrama cuantitativo, recirculación, purga, estado estable, flujo másico, flujo molar, EES, especificación de procesos, conversiones químicas.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el enfoque central de esta obra sobre el balance de materia?
La obra propone un método de solución simultánea de sistemas de ecuaciones para resolver balances de materia en procesos químicos, evitando el enfoque secuencial tradicional y fomentando una mayor generalidad y precisión matemática.
¿Qué son los grados de libertad en este contexto?
Representan la diferencia entre el número de incógnitas y el número de ecuaciones independientes. Son esenciales para determinar si un proceso está correctamente especificado, sub-especificado o sobre-especificado.
¿Por qué se enfatiza el uso de software en los balances?
Debido a que el método de solución simultánea genera sistemas de ecuaciones de gran tamaño (n*n), el uso de herramientas como EES o Matlab es indispensable para asegurar la rapidez y la exactitud en la obtención de resultados.
¿En qué se diferencian los balances en procesos unitarios y operaciones unitarias?
La diferencia principal radica en la presencia de transformaciones químicas. Mientras los procesos unitarios requieren considerar la estequiometría y la velocidad de reacción, las operaciones unitarias se limitan a cambios físicos.
¿Qué importancia tiene la comprobación de resultados en el método propuesto?
Es el paso final obligatorio para garantizar que el modelo matemático no solo tenga solución numérica, sino que sea físicamente coherente mediante el cumplimiento de leyes de conservación de masa total o elemental.
¿Qué caracteriza a un proceso sobre-especificado?
Ocurre cuando existe más información de la necesaria para cerrar el balance. El autor explica cómo identificar si estos sistemas son contradictorios o si simplemente requieren la eliminación de alguna restricción redundante.
¿Cómo influye la recirculación en el diseño de un proceso?
La recirculación es vital para aumentar la conversión global de reactivos costosos, pero introduce la necesidad de divisores y purgas para evitar la acumulación incontrolada de inertes dentro del sistema.
¿Es siempre necesario utilizar moles en balances con reacciones químicas?
El autor desmitifica este concepto, demostrando que es perfectamente posible y a veces preferible utilizar balances de flujos másicos, siempre que se mantenga la homogeneidad de las unidades y se manejen correctamente los pesos moleculares.
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- Ben-Hur Valencia (Autor:in), Balance de Materia para Dummies, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/882690
