Balances de masa y energía

Muchas de las ecuaciones y principios de ingeniería química, salen de balances de masa y energía.

Un balance de masa en general, quedaría así:

Entra - lo que reacciona + producto - acumulación = salida

En un proceso continuo o estacionario, no habrá acumulación; asimismo, si no hay reacción y además el proceso es continuo, entonces: lo que entra será igual a lo que sale.

Cuando hay reacción química, los balances deben hacerse en moles y no en unidades de masa. Luego, con el peso molecular, se transforman los moles en masa.

Al hacerse un balance de masa, es necesario conocer las corrientes que entran y salen de cierto proceso y comenzar con el balance de estas corrientes. Luego, en caso de haber reacción química, deben escribirse todas las reacciones involucradas para realizar el balance de masa de cada elemento involucrado, tanto productos como reactivos.

En los balances con reacción química, hay que tomar en cuenta ciertos datos como porcentajes de conversión, selectividad y rendimiento que permiten conocer la cantidad de moles que se van a consumir de ciertos reactivos y que se van a producir de ciertos productos, lo cual es necesario conocer para completar los balances de masa.

En cuanto a los balances de energía, es importante saber que la energía que entra y/o sale de un sistema lo hace en forma de trabajo o calor. Por otro lado, caloría y capacidad calorífica o calor específico es la cantidad de calor o energía necesaria para elevar 1 grado de temperatura, una cierta unidad de masa de una sustancia. Para calcular el calor (energía) se usa esta ecuación:


                                                               Q = moles * cp * variación T

donde:

Q es calor

cp es capacidad calorífica y 

T es temperatura.

El calor de una mezcla gaseosa, se obtiene sumando el calor de cada componente.

Se debe estar muy pendiente de las unidades en todo momento; todas deben estar en el mismo sistema y deben cancelarse o ser congruentes en la ecuación hasta obtener la unidad final.

Por otro lado, el cambio de entalpía o calor latente se refiere al cambio de energía interna por unidad de masa, en donde puede haber cambio de fase. Este depende de la temperatura.

Finalmente, el balance estacionario de energía queda así:

                                                                       Q - W + m(dh) = 0


donde:

dh es la variacion de entalpía, que será positiva para reacciones o procesos exotérmicos; 

m es la masa que entra y sale del sistema manteniéndose constante; 

Q es el calor añadido o desprendido del sistema y 

W es el trabajo añadido o desprendido por el sistema.

Hay que ser cuidadoso con los signos, los cuales dependen de si la energía entra o se desprende del sistema.