Balance de materia

CONCEPTOS BÁSICOS

Un balance de materiales no es más  que una contabilización de material, donde existen flujos de entrada y salida. Se deben distinguir los siguientes conceptos:

Sistema: Se refiere a cualquier porción arbitraria o a la totalidad de un proceso establecida para su análisis.

Frontera del sistema: Se circunscribe formalmente alrededor del proceso mismo.

Sistema abierto(continuo): Es aquel en que se transfiere material por la frontera del sistema; esto es, entra y sale del sistema.

Sistema cerrado(por lotes): no hay transferencia de material fuera de la frontera.

El balance de materia es un método matemático utilizado principalmente en Ingeniería Química. Se basa en la ley de conservación de la materia (la materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma), que establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante (excluyendo, las reacciones nucleares o atómicas en las que la materia se transforma en energía según la ecuación de Einstein E=mc², y la materia cuya velocidad se aproxima a la velocidad de la luz). La masa que entra en un sistema debe salir del sistema o acumularse dentro de él, así:

Los balances de materia se desarrollan comúnmente para la masa total que cruza los límites de un sistema. También pueden enfocarse a un elemento o compuesto químico. Cuando se escriben balances de materia para compuestos específicos en lugar de para la masa total del sistema, se introduce un término de producción (que equivale a lo que se genera en la reacción química menos lo que desaparece):

El término de producción puede utilizarse para describir velocidades de reacción. Los términos de producción y acumulación pueden ser tanto positivos como negativos.

Balance de materia en estado estacionario

La mayoría de los procesos industriales son continuos, con un mínimo de alteraciones o paradas. En este tipo de procesos, a excepción de los periodos de puesta en marcha y paradas, el tiempo no es una variable a considerar, por lo que las variables intensivas dependen solamente de la posición, siendo el régimen estacionario. En estos sistemas en estado estacionario el término acumulación desaparece, simplificándose la ecuación a la siguiente:

A su vez, en aquellos sistemas donde no se produzca reacción química, se simplifica todavía más:

Tipos

Los balances de materia pueden ser integrales o diferenciales. El balance integral se enfoca en el comportamiento global del sistema, mientras que el diferencial lo hace en los mecanismos dentro del sistema (los cuales, a su vez, afectan al comportamiento global). En los casos más simples, el interior del sistema se considera homogéneo (perfectamente mezclado). Para poder hacer un balance integral de materia, primero se deben identificar los límites del sistema, es decir, cómo el sistema está conectado al resto del mundo y cómo el resto del mundo afecta al sistema.

También pueden clasificarse de la siguiente forma:

• Balance de masa global o total: se realiza en todo el sistema, considerando las masas totales de cada una de las corrientes de materiales.
• Balance parcial: se realiza en los subsistemas, considerando un determinado componente en cada una de las corrientes.
• Balance molar: si en el sistema no se originan cambios químicos.
• Balance atómico: si en el sistema hay cambios químicos.
• Balance volumétrico: si no se originan cambios de estado.

Ejemplo: