INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL I BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
ALUMNA
:
DOCENTE
: ING. MERLIN DEL ÁGUILA HIDALGO
FECHA DE PRESENTACION
: 11/09/17
CODIGO
: 75015550
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INTRODUCCIÓN El profesional en Ingeniería debe conocer los principios que rigen los comportamientos de los compuestos, tales como estructura, propiedades físicas y químicas, grupos funcionales y sus reacciones, para así entender y predecir las diferentes formas de transformación de la materia. Dicho conocimiento y su relación con los procesos productivos, la utilización que puede dárseles, los efectos que producen y los métodos de control que se pueda tener sobre estos materiales, permitirá la formación de un profesional con capacidad de reflexión y creatividad para contribuir al uso adecuado y racional de los recursos de los que disponga, teniendo como centro de atención el bienestar del hombre y el equilibrio de la naturaleza. 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.
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BA LANCE DE MATER IA Y ENERG ÍA En la ingeniería de procesos uno de los conceptos básicos es el proceso de balance de masa o materia. En sistemas biológicos la materia se conserva en todo momento. En Estado estacionario, las masas que entran a un proceso se suman y se comparan con la masa total que abandona el sistema: el término balance implica que la masa que entra y la que sale debe ser la misma. Esencialmente, los balances de materia son procedimientos de contabilidad: la masa total que entra debe mantenerse al final del proceso, incluso si sufre calentamiento, mezcla, secado, fermentación, o cualquier otra operación (excepto reacción nuclear) dentro del sistema. Los balances de materia proporcionan una herramienta muy útil en el análisis de ingeniería.
I. B ALANCE DE MATER IA 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:
Entradas=salidas + acumulacion 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):
Entradas+ producción=salidas + acumulación El término de producción puede utilizarse para describir velocidades de reacción. Los términos de producción y acumulación pueden ser tanto positivos como negativos.
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B alance de materia en es tado 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:
Entradas + producción =salidas A su vez, en aquellos sistemas donde no se produzca reacción química, se simplifica todavía más:
Entradas =salidas
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.
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II.
BALANCE DE ENERG ÍA
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.
Para efectuar procesos industriales de transformación deben suceder cambios energéticos. La energía es, definitivamente, un factor muy importante a tener en cuenta en los citados procesos, entre otras cosas, porque su consumo puede ser un renglón grande en los costos de la empresa y porque su adecuada utilización puede reportar beneficios económicos y ambientales. Especialmente, las formas de energía asociadas con la masa y en sus cálculos no olvidar la ley de la conservación de la energía según la cual la energía no puede crearse ni destruirse en los procesos que no incluyen reacciones nucleares pero sí puede convertirse de una forma
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en otra. Esta ley, también conocida como la primera ley de la termodinámica es la base para realizar los balances de energía. Se puede entender un balance energético como una contabilidad del aporte y del consumo de energía en un sistema. El balance de energía y el balance de materia de un proceso son herramienta fundamental para el análisis del mismo. Entre otras aplicaciones del balance de energía, pueden considerarse las siguientes: lograr una producción efectiva de calor, recuperar y usar efectivamente el calor, determinar el consumo de combustible y calcular la cantidad de energía mecánica necesaria.
B alances de energ ía en equipos de trans ferencia de calor Los equipos de transferencia de calor son bastante usados en la industria química para suministrar o eliminar calor y en forma general reciben el nombre de intercambiadores de calor. Estos aparatos son diseñados de diferentes formas según el empleo que se les vaya a dar y pueden servir para calentamiento, para enfriamiento o para cambios de estado de la materia, para lo cual se utiliza otra sustancia con la cual se intercambie el calor. Pueden recibir nombres especiales, como por ejemplo, denominarse re-hervidor, calderín o vaporizador aquel equipo en el cual se produce una evaporación. Un equipo de transferencia de calor se puede representar mediante el siguiente diagrama de flujo Fluido caliente Me, ve, ze
ms, vs, zs
ms,vs,zs
fluido frio
fluido frio me, ve, ze
En el anterior diagrama me, ve y ze representan la masa, la velocidad y la altura de entrada mientras que ms, vs y zs se refieren a las mismas cantidades de salida. La ecuación de la primera ley de la termodinámica o de balance de energía para este sistema (abierto) es: ∆H + ∆v 2 /2 + ∆gz = Q – WS En los equipos de transferencia de calor no se realiza trabajo y las energías cinética y potencial son muy pequeñas comparadas con la energía calorífica que en ellos se intercambia. Por ello, la ecuación de balance de energía puede escribirse así: Balance de materia y energía Página 6
∆H = Q Se debe tener presente que el calor Q incluye el calor sensible (o sea aquel que solamente implica un cambio de temperatura) y el calor latente (o sea aquel que incluye cambios de fases) presentes en cada una de las corrientes que atraviesan las fronteras del sistema.
S IS TE MA S S IN C A MB IO D E FAS E El cambio de entalpía (∆H) es el calor transferido a presión constante. Si en el sistema no hay cambio de estado y solo se presenta calentamiento y enfriamiento de sustancias, la ecuación del balance de energía adquiere la siguiente forma: m*∆H = QP = m*CP*∆T
Donde CP = capacidad calorífica a presión constante. La capacidad calorífica se define como la cantidad de calor que se necesita para aumentar en un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia. Si una sustancia se calienta a volumen constante, todo el calor se utiliza para aumentar la energía interna y, entonces: m*∆U = QV = m*CV*∆T.
Las unidades típicas de la capacidad calorífica son:
kcal / (kg * ºC) ó B TU / (lb * ºF). Las capacidades caloríficas varían con la temperatura y esto es necesario tenerlo en cuenta en los cálculos de balances de energía. Para ello, es indispensable conocer si la especie a la cual se le va a calcular la capacidad calorífica es un gas, un líquido, un sólido o una mezcla.
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Importancia de los balances de materia y energ ía
La
materia y la energía se encuentran en constante estado de flujo en la naturaleza, y lo que la humanidad ha hecho es aprovechar esta tendencia para obtener bienestar, alimentos, fuentes energéticas y otras cosas.
Normalmente se asocia este tema con los cálculos realizados principalmente por los ingenieros químicos, pero alguna noción de ellos deben tener también todas las ramas de la ingeniería, así como las disciplinas químicas y biológicas. Los balances de materia y energía son la herramienta con la que se analiza la situación de estabilidad de un proceso, y para determinar la manera cómo se distribuyen los componentes en los sistemas o entre sistemas en contacto directo.
También son de utilidad para cuantificar la energía transferida o a transferida o consumida por los sistemas, el cómo esta transferencia afecta las propiedades de los sistema y la cantidad de energía útil que se puede obtener de las transformaciones. Una de las aplicaciones más notables de los balances de materia y energía se encuentra en la metodología conocida como Análisis de Ciclo de Vida (ACV), usada para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos y para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos y de los impactos medioambientales, con el fin de optimizar los recursos y producir mejoras ambientales aplicables a sistemas productivos.
Este último enfoque requiere una extensa recopilación de información acerca de la transformación de los materiales, y de la energía consumida (o producida) durante las distintas etapas de la producción de un bien ya sea a través de un proceso industrial o de uno que incluya una fase agraria y de manejo de recursos naturales.
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Alg unas
definiciones para recordar de balance de materia y energ ía
Sistema:
se refiere a la porción del universo en el cual se centra nuestro
estudio. Puede comprender una cantidad fija de masa, o un espacio o volumen determinado, o incluso una determinada extensión de territorio.
Sistema cerrado Cuando no hay flujo de material a través de las fronteras del sistema, se habla de un sistema cerrado. Muchos análisis se pueden realizar usando pueden realizar usando este modelo. Un caso especial es cuando no hay ningún tipo de interacción con los alrededores. Entonces se habla de un sistema aislado.
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III.
Diag rama de flujo
El Diagrama de flujo constituye un modelo esquemático del proceso y es una forma de organizar la información. Se utilizan cajas y otros símbolos para representar las unidades de proceso (reactores, mezcladores, unidades de separación, etc.) y líneas con flechas para representar las entradas y salidas. Para resolver balances de materia y energía, el primer paso en la mayoría de las ocasiones consiste en convertir el texto del problema en un diagrama de bloques sencillo.
Los diagramas de flujos se utilizan para el mejor entendimiento de los procesos de producción; el uso de estos diagramas permite la fácil identificación de actividades y sus relaciones. Todo ingeniero industrial debe tener la capacidad de entender y elaborar representaciones sintéticas que muestren las actividades de producción o de organización por medio de diagramas, en los cuales se representan todas las acciones que dan como resultado los productos o los servicios de una organización. El diagrama de flujo es la Balance de materia y energía Página 10
representación gráfica de las acciones necesarias para lograr la operación de un proceso. La planta piloto es una unidad a escala reducida, diseñada para realizar experimentos de los cuales se obtienen datos significativos para las plantas productivas (a gran escala) y, a veces, para producir cantidades significativas de algún nuevo producto que permitan que el usuario lo evalúe.
IV. Tipos de proces os de fabricación Un proceso industrial o proceso de fabricación es el conjunto de operaciones unitarias necesarias para modificar las características de las materias primas. Dichas características pueden ser de naturaleza muy variada tales como la forma, la densidad, la resistencia, el tamaño o la estética. Para la obtención de un determinado producto serán necesarias multitud de operaciones individuales de modo que, dependiendo de la escala de observación, puede denominarse proceso tanto al conjunto de operaciones desde la extracción de los recursos naturales necesarios hasta la venta del producto como a las realizadas en un puesto de trabajo con una determinada máquina/herramienta. La producción, la transformación industrial, la distribución, la comercialización y el consumo son las etapas del proceso productivo. Algo que se utiliza comúnmente en un proceso es el cambio de cualquier tipo de error, si esto no se hace puede haber una confusión en un proyecto ideado. Proceso
continuo
Los procesos continuos van un paso delante de los procesos en masa. También lo hacen durante periodos más largos. Son literalmente continuos porque sus productos se fabrican en un flujo sin fin. Con frecuencia se asocian con inflexibilidad y con tecnologías de alta inversión con un flujo altamente predecible. Ejemplos: Refinerías petroquímicas, suministros de servicios (luz, agua), producción de acero, etc. Proceso
discontinuo
En este caso el procedimiento de operación es el siguiente. Ejemplo: se llena el autoclave con el producto a esterilizar, se cierra y posteriormente se inicia un ciclo de tratamiento.
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Proceso por lote Estos procesos pueden parecerse a los procesos por tareas pero el lote tiene un menor grado de variedad asociada. Cada vez que opera un proceso por lotes, fabrica más de un producto. Cada parte de la operación tiene periodos de repeticiones, al menos mientras se procesa el lote. Ejemplos: componentes para ensambles de fabricación en masa y la producción de casi toda la ropa.
Procesos por tarea Al igual que los procesos por proyectos, también manejan alta variedad y bajo volumen. Mientras que los procesos por proyectos tienen recursos casi exclusivos, en este caso cada producto tiene que compartir los recursos de las operaciones con muchas otras. Estos recursos procesan una serie de productos pero, aunque todos requieren el mismo tipo de atención, difieren en sus necesidades específicas. Ejemplos: Herramientas especializadas, restauradores de muebles, sastres, impresión de boletos, etc.
Proceso por proyecto Manejan productos hechos prácticamente a la medida. Con frecuencia el tiempo para obtenerlos es prolongado, al igual que el intervalo entre la terminación de cada producto. Las características son bajo volumen y alta variedad. Las actividades involucradas pueden ser inciertas y estar mal definidas, algunas veces cambia durante el proceso de producción. Ejemplos: Astilleros, constructoras, Construcción de túneles, grandes operaciones de manufactura como turbogeneradores, pozos petroleros, instalación de sistemas de cómputo, etc.
Proceso
por masa
Los procesos en masa son los que producen vienen en gran volumen y con relativamente poca variedad, poca en términos de las bases del diseño de su producto. Una planta de automóviles, por ejemplo puede producir varios miles de variantes si se cuenta cada opción de tamaño de máquina, color, equipo adicional, etc.
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V.
Diferentes diagramas agroindustriales
de
flujo
de
proceso
El flujograma o diagrama de flujo representa gráficamente las etapas u operaciones del proceso que se realizará, de forma ordenada. Para realizarlo tenemos que conocer de forma detallada el proceso del alimentos, teniendo en cuenta todo lo que ingresará y los parámetros a utilizarse. En el lado izquierdo se colocarán los insumos, envases, etc., y en el lado derecho los parámetros. Además hay que tener en cuenta que cada operación tiene que estar encerrada en un rectángulo ya que esto indica que hay actividades y seguidas por flechas que indican el paso a la siguiente operación.
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VI. Bibliografía
https://prezi.com/dex48sp0cbjj/balance-de-materia-y-energia/
http://blog.utp.edu.co/balances/files/2015/02/LIBRO-BME2015-1.pdf
http://cef.uca.edu.sv/descargables/2011_12_cursoMAGMA/balance_de_ materia_y_energia.pdf
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