Balance de Masa

Principio de Conservación de la Materia (Balance de Materia)

La Ley de la Conservación de la Materia, es también llamada Ley de conservación de la masa o Ley de Lomonósov-Lavoisie, donde postula que la materia no se crea ni se destruye durante una reacción química, solo se transforma. Esto significa que las cantidades de las masas involucradas en una reacción determinada deberán ser constantes, es decir, la cantidad de reactivos consumidos es igual a la cantidad de productos formados, aunque se hayan transformado los unos en los otros. Es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Esta ley es bastante precisa para procesos de baja energía, como es el caso de las reacciones químicas. En el caso de reacciones nucleares o colisiones entre partículas en altas energías, en las que la definición clásica de masa no aplica, hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía.

Análisis de problemas de Balance de materia

En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los siguientes pasos:

• Interpretar adecuadamente el enunciado del problema: Conviene leer el problema varias veces para comprenderlo y asimilarlo bien. Tratar de identificar qué datos son conocidos y cuáles desconocidos. Si existe una o más reacciones químicas involucradas o por el contrario no hay ninguna. Si se conocen bien todas y cada una de las sustancias químicas que intervienen (elementos químicos y fórmulas de las moléculas) y que cambios pueden sufrir en las condiciones a que van a ser sometidas.
• Dibujar un diagrama de flujo: En el que se representen las corrientes de entrada y salida por flechas y las operaciones o procesos como cajas rectangulares . En ellas tendrán lugar por ejemplo reacciones químicas o procesos de mezcla o separación con una o varias entradas y en general una o varias salidas a veces con distintas fases : líquida, sólida o gaseosa.
• Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos.
• Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operación.
• Seleccionar una unidad sencilla para los cálculos.
• Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado.
• Desarrollar un balance de materias parcial o total: Para cada elemento químico o sustancia que no reacciona se puede establecer un balance que iguale la entrada a la salida. Para ello conviene empezar con las sustancias más fáciles, es decir, aquellas que estén en una sola fase o una corriente única o bien que no reaccionen como sucede con los componentes inertes.
• Resolución del sistema de ecuaciones.
• Comprobar que la solución es lógica y no hay errores: Mediante la realización de un balance global de materia se puede comprobar que las masas totales entrante y saliente son iguales. 

Balance de materia con reacciones químicas

En todo sistema o proceso debe definirse primeramente cuáles son sus fronteras. A partir de ellas, se sabrá qué compuestos entran o salen. Es conveniente hacerlo en especial si hay múltiples unidades de proceso que considerar. Cuando se consideran todas las unidades o subsistemas, se habla entonces de un balance de materia general. Este balance tiene una ecuación, la cual puede aplicarse a cualquier sistema que obedezca la ley de la conservación de la masa. La ecuación es la siguiente:

E + G – S – C = A

Donde E es la cantidad de materia que entra al sistema; G es lo que se genera si en el proceso ocurre una reacción química (como en un reactor); S es lo que sale del sistema; C es lo que se consume, nuevamente, si hay reacción; y por último, A es lo que se acumula.

Balance de materia en los que no intervienen reacciones químicas

Si en un proceso no ocurren transformaciones químicas de materia, los términos de generación de productos y consumo de reactivos son nulos. La expresión de balance de materia queda expresada como:

Entrada = Salida

Balance de materia con múltiples subsitemas

• Los subsistemas pueden consistir en equipos, puntos de unión de tuberías y/o combinaciones de subsistemas.
• Se puede escribir balances de materia para los componentes de cada subsistema y para su flujo másico total, así como para los componentes del sistema global y el flujo másico total del sistema global.
• El número de ecuaciones independientes de un problema no puede incrementarse escribiendo balances globales además de los balances de componentes para cada subsistema, pero  éstos pueden sustituirse por aquéllos.

Procesos con corriente de reciclo, derivación y purga

El reciclaje implica regresar material (o energía) que sale de un proceso una vez más al proceso para un procesamiento ulterior. como en el caso de:

• En procesos de secado se controla la humedad recirculando parte del aire húmedo que sale del secadero.
• En reacciones químicas el material que no ha reaccionado se separa y se recircula al reactor.
• Las columnas de destilación con rectificación, recirculan parte del destilado.

Una derivación es un flujo que pasa por alto una o más etapas del proceso y llega directamente a otra etapa posterior.

Una purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de reciclaje.

• Realizado por:
• Francisco Aguilera
• Elizabeth González
• Arianna Lezama