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A. Balances de Materia y Energía
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Introducción
Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realización del PFC, los BMyE nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración.
Dentro del PFC los BMyE tienen su lugar lógico en el Estudio de Viabilidad, ya que es por medio de ellos que se obtiene la información necesaria para proceder al dimensionamiento de los equipos y la estimación de las necesidades de servicios auxiliares (vapor, aire, refrigeración). En la Memoria de Cálculo deberán incluirse los BMyE de la alternativa elegida, como un anexo de la misma.
Balances de Materia (BM)
La aplicación de los BM no es conceptualmente complicada, y sus fundamentos teóricos pueden consultarse con detalle en textos como los que se incluyen en la sección de búsqueda de información [Balances de Materia y Energía], junto con numerosos ejemplos de aplicación a diferentes operaciones y procesos. A continuación se repasan las ideas básicas para el planteamiento de los BM, y se indican posibles estrategias para su utilización en el PFC.
Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía 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 transformación de materia en energía o viceversa, con lo que la forma general del balance de materia TOTAL a un sistema, será:
La forma del balance a cada uno de los componentes será la misma, excepto cuando existe reacción química, ya que en ese caso habrá que considerar la aparición o desaparición de los componentes individuales por efecto de la reacción (sin embargo la masa total del sistema nunca variará). Por ello el BM al componente ‘i’ tendrá la forma:
Una situación muy frecuente es que el proceso sea continuo, con lo cual el término de acumulación será 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, podrán plantearse tantos BM independientes como componentes intervienen en el mismo, y a un proceso completo se le podrán plantear un número 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. Además, 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 PFC
El primer paso para plantear los BM a un proceso determinado, consiste en, sobre el diagrama de bloques del mismo, plasmar toda la información de la que se disponga, que básicamente será:
- Caudales de las corrientes
- Composición de las corrientes
- Otras relaciones o restricciones conocidas
Aunque es aconsejable analizar si el sistema está o no determinado, y el número de grados de libertad, en caso de que no lo esté, siempre se conocerá la cantidad por hora de producto final a fabricar, ya que este dato viene dado por la capacidad de producción 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 serán todas posibles, o incluso lo será sólo una (en general no suele ser posible hacer todos los balances secuencialemente):
-
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.
-
Tomar como base de cálculo (variable de diseño) el caudal de materia prima (si hay varias se escogería la principal o una de ella), y resolver secuencialmente el proceso hacia delante, empezando por la primera unidad, aunque luego habría que cambiar la escala para que la capacidad de producción sea la deseada.
-
Comenzar a plantear y resolver los balances secuencialmente y hacia atrás, empezando por la última de las unidades de proceso, si fuera posible.
En general el planteamiento y la resolución de los BM exige “manipular” y trabajar con la información disponible, ensayando distintas estrategias, hasta llegar a una solución aceptable y físicamente coherente, pues en ningún caso podrá salir del sistema más materia de la que entra o viceversa.
Balances de Energía (BE)
Los BE son normalmente algo más complejos que los de materia, debido a que la energía puede transformarse de unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos, también son imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en cualquier caso habrá que asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los efectos térmicos de la reacción sean importantes. En reacciones bioquímicas dichos efectos no suelen ser muy significativos, así que se podrán ignorar en el dimensionamiento preliminar de los fermentadores o reactores enzimáticos, siempre que se justifique.
Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la mayoría de los otros equipos, y a efectos de dimensionamiento preliminar, la llamada ecuación de las entalpías, que se incluye a continuación, suele ser suficiente para su planteamiento.
Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del sistema, He y Hs las entalpías de los mismos, y Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad calorífica, y una temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase también habrá 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 bibliografía o incluso en aplicaciones on-line.
Introducción
Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realización del PFC, los BMyE nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración.
Dentro del PFC los BMyE tienen su lugar lógico en el Estudio de Viabilidad, ya que es por medio de ellos que se obtiene la información necesaria para proceder al dimensionamiento de los equipos y la estimación de las necesidades de servicios auxiliares (vapor, aire, refrigeración). En la Memoria de Cálculo deberán incluirse los BMyE de la alternativa elegida, como un anexo de la misma.
Balances de Materia (BM)
La aplicación de los BM no es conceptualmente complicada, y sus fundamentos teóricos pueden consultarse con detalle en textos como los que se incluyen en la sección de búsqueda de información [Balances de Materia y Energía], junto con numerosos ejemplos de aplicación a diferentes operaciones y procesos. A continuación se repasan las ideas básicas para el planteamiento de los BM, y se indican posibles estrategias para su utilización en el PFC.
Los BM se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía 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 transformación de materia en energía o viceversa, con lo que la forma general del balance de materia TOTAL a un sistema, será:
La forma del balance a cada uno de los componentes será la misma, excepto cuando existe reacción química, ya que en ese caso habrá que considerar la aparición o desaparición de los componentes individuales por efecto de la reacción (sin embargo la masa total del sistema nunca variará). Por ello el BM al componente ‘i’ tendrá la forma:
Una situación muy frecuente es que el proceso sea continuo, con lo cual el término de acumulación será 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, podrán plantearse tantos BM independientes como componentes intervienen en el mismo, y a un proceso completo se le podrán plantear un número 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. Además, 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 PFC
El primer paso para plantear los BM a un proceso determinado, consiste en, sobre el diagrama de bloques del mismo, plasmar toda la información de la que se disponga, que básicamente será:
- Caudales de las corrientes
- Composición de las corrientes
- Otras relaciones o restricciones conocidas
Aunque es aconsejable analizar si el sistema está o no determinado, y el número de grados de libertad, en caso de que no lo esté, siempre se conocerá la cantidad por hora de producto final a fabricar, ya que este dato viene dado por la capacidad de producción 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 serán todas posibles, o incluso lo será sólo una (en general no suele ser posible hacer todos los balances secuencialemente):
-
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.
-
Tomar como base de cálculo (variable de diseño) el caudal de materia prima (si hay varias se escogería la principal o una de ella), y resolver secuencialmente el proceso hacia delante, empezando por la primera unidad, aunque luego habría que cambiar la escala para que la capacidad de producción sea la deseada.
-
Comenzar a plantear y resolver los balances secuencialmente y hacia atrás, empezando por la última de las unidades de proceso, si fuera posible.
En general el planteamiento y la resolución de los BM exige “manipular” y trabajar con la información disponible, ensayando distintas estrategias, hasta llegar a una solución aceptable y físicamente coherente, pues en ningún caso podrá salir del sistema más materia de la que entra o viceversa.
Balances de Energía (BE)
Los BE son normalmente algo más complejos que los de materia, debido a que la energía puede transformarse de unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido. En el caso de los reactores químicos, también son imprescindibles los balances de energía para su diseño, ya que en cualquier caso habrá que asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del intervalo deseado, especialmente cuando los efectos térmicos de la reacción sean importantes. En reacciones bioquímicas dichos efectos no suelen ser muy significativos, así que se podrán ignorar en el dimensionamiento preliminar de los fermentadores o reactores enzimáticos, siempre que se justifique.
Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la mayoría de los otros equipos, y a efectos de dimensionamiento preliminar, la llamada ecuación de las entalpías, que se incluye a continuación, suele ser suficiente para su planteamiento.
Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del sistema, He y Hs las entalpías de los mismos, y Q el calor intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado por el sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los alrededores. El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando de su capacidad calorífica, y una temperatura de referencia, aunque si hay cambios de fase también habrá 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 bibliografía o incluso en aplicaciones on-line.