Fundamentos de Balances de Materia y Energía en Procesos Industriales

Conceptos Fundamentales de Acumulación

• Acumulación: Se refiere al cambio de masa o moles (positivo o negativo) dentro de un sistema respecto al tiempo.
• Transferencia: Se refiere a las entradas y salidas de materia a través de las fronteras del sistema.

Configuraciones Comunes en Procesos

• Recirculación: Ocurre cuando uno de los productos de una unidad se devuelve a una unidad anterior.
• Derivación (Bypass): Se presenta cuando una fracción de la alimentación a una unidad se desvía y se combina con el flujo de salida de la misma o de una unidad posterior.
• Purga: Es la extracción de una fracción de la recirculación para eliminar la acumulación de materiales inertes o indeseados.

Caso Práctico: Destilación Continua

Un industrial que fabrica por primera vez alcohol ha tenido problemas con una columna de destilación. Los técnicos sospechan que se pierde demasiado alcohol en las colas (desperdicio). Es necesario calcular la composición de las colas y la masa de alcohol perdida en ellas.

Análisis de Grados de Libertad (N_GL)

El análisis de grados de libertad permite determinar si un sistema de balance de materia puede resolverse. Para obtener una solución única, el valor debe ser cero.

• N_GL = 0: Sistema completamente definido. El número de variables desconocidas es igual al número de ecuaciones independientes.
• N_GL > 0: Sistema infraespecificado o subespecificado. Existe un número infinito de soluciones.
• N_GL < 0: Sistema sobreespecificado. No tiene solución debido a un exceso de ecuaciones o insuficiencia de variables.

Balance de Energía en Sistemas

El balance de energía es la expresión matemática de la ley de conservación de la energía, la cual establece que esta no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Este principio se fundamenta en la Primera Ley de la Termodinámica, expresada mediante la ecuación:

ΔU = Q - W