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NOTAS PRÁCTICAS

Cálculos con Balances de Materia
en Sistemas sin Reacción Química
Dr. Sergio A. Giner
Cátedra de Simulación de Procesos I
Área Departamental Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería,
Universidad Nacional de La Plata
2009

INTRODUCCION
Generalmente, cuando los alumnos llegan a esta parte del curso, en el tercer año de la
carrera de Ingeniería Química, conocen claramente losprincipios de conservación de materia y
energía. No obstante, esto no confiere, necesariamente, habilidad inmediata para resolver
problemas prácticos asociados al cálculo de corrientes de materiales en diagramas de flujo de
plantas de procesos. Otras incógnitas que suelen calcularse son concentraciones de
componentes, temperaturas de las corrientes, conversiones de reactivos, o cantidades de calorpuestas en juego en las etapas del proceso.
Estos son resultados prácticos que deben conocerse para completar la información del
diagrama de flujo a los fines de estimar el costo de una planta química proyectada, o bien para
resolver información faltante de una planta en funcionamiento.
En nuestro caso, vamos a aprender las técnicas de resolución de los problemas quizás
más característicos de laingeniería química: los cálculos con balances (macroscópicos) de
materia y energía. Estos problemas no le serán ajenos en lo que resta de su carrera como
estudiante y aún como profesional de la ingeniería química.
Es necesario familiarizarse con las técnicas de resolución, acostumbrarse a manejar las
variables que definen sistemas generalmente continuos (problemas de flujo o “régimen
permanente”).
Enestos cálculos vamos a aprender, y se espera que con entusiasmo, a resolver casos
que involucran diversos equipos, por ejemplo
-Secaderos (secado de sales, producción de detergente en polvo a partir de líquidos
concentrados, producción de leche en polvo)
-Columnas de destilación (como las que destilan petróleo, o que enriquecen mezclas de
etanol-agua)
-Filtros, que separan una fase líquida de unasólida
-Reactores químicos (como los que producen amoníaco a partir de nitrógeno e
hidrógeno, o fructosa a partir de glucosa)
-Cámaras de combustión (como las de las calderas que generan vapor para calefacción
de columnas de destilación)
-Extractores de solvente (como por ejemplo, los que se usan para extraer el aceite de
soja o girasol).
-Evaporadores, como los que fabrican jugo concentrado apartir de diluido, o los que
desalinizan agua de mar
- Procesos de membrana, que implican un “filtrado” a escala molecular, por ejemplo, los
que se utilizan para desalinizar agua de mar, romper azeótropos (por ejemplo, el de 96º entre
alcohol etílico y agua), o concentrar proteínas a partir de sueros de quesería.

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En esta asignatura introductoria de la Ingeniería Química, no nos convieneinvolucrarnos demasiado en los detalles técnicos de los equipos (que los van a ver mejor en 4º
año) más allá de lo necesario para comprender el problema , así que se tomarán los sistemas
(nombrados de esta forma en un sentido termodinámico) como “cajas negras”, relacionando la
información de los flujos de entrada de materia al sistema, con los de salida, mediante la
aplicación de balances macroscópicos deconservación, definiciones de la estequiometría
industrial, y relaciones técnicas específicas.
Matemáticamente, el problema se reduce a tratar de encontrar tantas ecuaciones
independientes como incógnitas tengamos, no sólo en el sistema completo, sino en cada parte,
resolverlo y confirmar los resultados con balances no utilizados.
De todas formas un estudiante de ingeniería química quizás vea másque variables y
ecuaciones con cajitas y símbolos, verá una planta química que empezará a resolver, en su
parte básica, pero trascendente, en esta parte de la asignatura.
La figura muestra un esquema de una columna de destilación a presión atmosférica,
que realiza la primera separación del petróleo (denominada “topping”)

Se observa que el petróleo es
calentado en un “horno de
proceso” antes de...