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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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
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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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
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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:
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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.
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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
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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.
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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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Mezcla 60% Benceno 40 % Tolueno
Fmsico= 800 kg/h
Benceno 100 %
Tolueno 90 % Benceno 10 %
T
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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.
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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.
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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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
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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
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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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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Biotecnologa 17
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
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materia-energa y la Ingeniera
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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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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Biotecnologa 20
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;
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materia-energa y la Ingeniera
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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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
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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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
Ciencias de la Salud Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en
Biotecnologa 23
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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
Ciencias de la Salud Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en
Biotecnologa 24
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
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
Ciencias de la Salud Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en
Biotecnologa 25
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.
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Balances de materia y energa Unidad 1. Balances de
materia-energa y la Ingeniera
Ciencias de la Salud Biolgicas y Ambientales | Ingeniera en
Biotecnologa 26
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.