Una guia de introducción a los balances de materia y energía

1. INTRODUCCIÓN A LOS BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA
PROCESO
Un proceso está constituido por la secuencia de etapas a través de las cuales se modifican las
materias primas. Al final de un proceso se obtiene un producto de interés comercial.
En un proceso pueden ocurrir cambios físicos y químicos. Los cambios físicos modifican las
características de las materias primas sin que cambie su estructura química. En oposición a estos
los cambios químicos implican reacciones a partir de las cuales se forman nuevos componentes
con una fórmula química diferente al de las materias primas.
Son ejemplos de cambios físicos:
 La disminución del tamaño de partícula a través de operaciones de trituración o molienda.
 El cambio de fase de sustancias puras.
 La separación de dos componentes o la mezcla de los mismos
 La filtración y la sedimentación
Son ejemplos de cambios químicos.
 La mezcla de dos compuestos que reaccionan
 La combustión y la tostación.
Generalmente un cambio químico es revelado por cambios en color, olor y/o sabor. Los cambios
físicos se pueden observar o percibir con el tacto. Los cambios físicos son susceptibles de medición
directa mientras que en los cambios químicos se deben emplear métodos indirectos.
Al conjunto de cambios físicos se le conoce también como operación unitaria, mientras al de
cambios químicos se le llama proceso unitario.
Los procesos también se clasifican en continuos o intermitentes. Un proceso continuo es aquel en
el que permanentemente ingresan materias primas retirando constantemente productos. En un
proceso intermitente (También conocido con el anglicismo Batch) las materias primas son
sometidas a un cambio después del cual (Es decir después de un tiempo) se retiran productos. En
un proceso continuo se pueden ingresar materias primas y retirar productos de manera
simultánea mientras que en un proceso Batch esto no sucede.
Cuando en un proceso las propiedades que le caracterizan no cambian con el tiempo (son
constantes) éste funciona en estado estable, mientras que si cambian funcionan de manera
inestable o transitoria.
Un proceso se caracteriza por los flujos de materia que ingresan y salen de las diferentes etapas
que le constituyen.

2. EJEMPLO 1. OBTENCIÓN DE DULCE DE CHOCOLATE A PARTIR DE SEMILLAS DE CACAO.
Como se puede apreciar en este diagrama de bloques, el proceso de obtención de dulce de
chocolate a partir de semillas de cacao está constituído por sucesivas etapas físicas o químicas.
Entre éstas encontramos etapas de limpieza, descascarado, molienda, prensado, mezclado,
calentamiento, enfriamiento y moldeo (Etapas físicas) y operaciones de tostado y acabado.
EJEMPLO 2. OBTENCIÓN DE GRASAS COMESTIBLES A PARTIR DE SEMILLAS DE ALGODÓN.

3. Los procesos emplean diferentes clases de artefactos en los cuales suceden los cambios físicos y
químicos. Por ejemplo la reducción del tamaño de partícula (Cambio físico) se lleva a cabo
empleando molinos o trituradoras, mientras que una reacción química como la que produce
etanol a partir de la fermentación (Cambio químico) se lleva a cabo en reactores.
DIAGRAMAS DE FLUJO
Los ejemplos 1 y 2 constituyen representaciones de procesos en los que las diferentes etapas se
esquematizan empleando cajas sobre las que se coloca el nombre de la modificación realizada
y/o algunos nombres de las corrientes que se introducen y extraen. A esta clase de presentación
se le conoce como diagrama de bloques. Una representación más apropiada para el ingeniero es la
de diagramas de flujo. En éstos se representan las etapas mediante los esquemas de los equipos
necesarios a los cuales ingresan y de los cuales salen diferentes corrientes.
EQUIPOS NECESARIOS PARA LOS PROCESOS.
TUBERIAS Y CODOS: Sirven para transportar gases y líquidos entre los diferentes artefactos que
constituyen el proceso.
VALVULAS: Son dispositivos que permiten o impiden el flujo de las corrientes, o permiten fijar su
valor según la conveniencia del proceso.
TRAMPAS DE VAPOR: Impiden el paso de vapor pero permiten el flujo de líquidos.
BOMBAS Y VENTILADORES: Impulsan los líquidos (bombas) y gases (Ventiladores) a través de las
tuberías que conducen los fluidos hasta los equipos
COMPRESORES: Los compresores aumentan la presión de las corrientes.

4. EXTRACTORES: Sirven para retirar desde un sólido un compuesto de interés que se disuelve en
un líquido.
CRISTALIZADORES: Son empleados para la formación de sólidos cristalinos al reducir la
temperatura y por lo tanto la solubilidad de compuestos disueltos en líquidos.
ALAMBIQUE: En un alambique se lleva la destilación por lotes la cual tiene el propósito de
separar alcoholes de agua.
TORRES DE PLATOS: Son cilindros de gran tamaño en los cuales se colocan a discos perforados
permitiendo el contacto entre corrientes ascendentes de vapor y descendentes de líquido en
operaciones continuas de destilación.
TORRES EMPACADAS: Como las torres de platos, pero a diferencia de estas el cilindro está relleno
con una gran cantidad de pequeños cilindros en los cuales se lleva el contacto entre el gas y el
líquido.
SECADORES: Los secadores se emplean para poner en contacto gases a una temperatura
moderada (Menores a 60°C) con sólidos de tal manera que la humedad de los mismos es
arrastrada por la corriente gaseosa.
SECADOR DE BANDA: Los sólidos son transportados en una banda sobre los cuales el gas circula.
SECADOR DE GABINETE: Los sólidos se colocan en bandejas estáticas sobre las que circula el gas

5. SECADOR ROTATORIO: En un secador rotatorio los sólidos se colocan dentro de un cilindro que
rota. Los secadores rotatorios son directos cuando una corriente de aire caliente circula sobre los
sólidos e indirectos si el cilindro es calentado por resistencias térmicas.
SECADOR POR ASPERCIÓN: Los sólidos caen en forma de gotas, una corriente de aire ascendente
los seca.
TANQUE: En un tanque se almacenan líquidos, también se llevan a cabo reacciones químicas.
TANQUE AGITADO: Es un tanque que contiene una hélice que facilita el mezcla de líquidos
TANQUE CON SERPENTÍN: En un tanque se coloca una tubería plegada en rizos dentro de la que
circula vapor que caliente el líquido almacenado.
TANQUE ENCHAQUETADO: Es un tanque con doble pared (Chaqueta). Dentro de estas paredes
circula vapor que calienta el líquido almacenado. También se conocen como marmitas.
REACTORES: Pueden ser tanques cerrados o abiertos a los cuales se les agrega una chaqueta y un
agitador para proporcionar las condiciones adecuadas de reacción

6. TRITURADORES Y MOLINOS: Reducen el tamaño de partícula.
TRITURADOR VERTICAL: Los sólidos caen e impactan reduciendo el tamaño de partícula
MOLINO DE ENGRANAJES: Los sólidos pasan a través de ruedas dentadas que los quiebran o
muelen.
MOLINO DE BOLAS: Es empleado para obtener tamaños de partículas muy pequeños. El sólido se
resquebraja porque bolas de diferentes tamaños caen sobre él al rotar un cilindro que les
contiene.
MEZCLADORES: Combinan sólidos debido al accionar de un eje que contiene cintas y/u hojas que
les mueven
INTERCAMBIADORES DE CALOR: Sirven para incrementar la temperatura de una corriente a
expensas del enfriamiento de otra.
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS Y CORAZAS: Dentro de un cilindro de gran diámetro se
coloca un manojo de tubos de diámetro menor. Una corriente circula por el cilindro de gran
diámetro y la otra por los tubos intercambiando energía térmica.
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS: En este un fluido circula en medio de dos láminas
mientras el otro circula por tubos que atraviesan las placas (Láminas)
EVAPORADOR: En un evaporador se reduce la cantidad de agua de una corriente sometiéndola a
una temperatura alta. Por la parte superior de un evaporador sale el agua como vapor saturado.

7. DECANTADOR: En este equipo los sólidos dispersos en una corriente líquida se sedimentan el el
fondo del mismo. También sirve para separar dos líquidos inmiscibles de diferentes densidades.
CENTRIFUGA: Este equipos separa sólidos de líquidos o líquidos de líquidos, que por su lenta
sedimentación deben ser sometidos a fuerzas centrípetas para ser separados.
FILTRO PRENSA: Un sólido junto a un líquido se comprime dentro de placas perforadas de tal
manera que las partículas son retenidas mientras el fluido es retirado.
FILTRO DE AIRE: Se purifica el aire al retirar los sólidos suspendidos en esta corriente gaseosa
FILTRO ROTATORIO: Se separan sólidos de líquidos al quedar los primeros retenidos en un cilindro
perforado que rota y del que escurre el fluido.
TAMBOR DE SEPARACIÓN: Es simplemente un tanque al que ingresa un líquido y que es separado
en proporciones diferentes.

8. CICLON O HIDROCICLON: Separa los sólidos de corrientes gaseosas(Ciclón) o líquidas (Hidrociclón)
debido a que estas se estrellan contra las paredes del equipo debida a la fuerza centrípeta causada
por el movimiento en aspiral descendente de la corriente en el equipo.
TORRE DE ENFRIAMIENTO: Es una torre en la que un gas (Aire) asciende ganando temperatura
debido a pequeñas gotas de agua caliente que caen del alto del artefacto.
QUEMADOR: En un quemador sucede la combustión de un gas que genera energía térmica.
CALDERA: Es uno de los equipos más importantes y se encuentra en casi todas las industrias de
alimentos. En esta se produce el vapor a partir de la quema de un combustible que proporciona el
calor necesario para que el agua cambie de fase. Se agrupan en acuatubulares y pirotubulares.

9. MEDIDORES Y CONTROLADORES
A lo largo de las tuberías y en los equipos se emplazan diferentes dispositivos que miden las
variables mas importantes de un proceso como presión, temperatura o nivel. Además los
controladores emplean estas medidas para tomar decisiones y cerrar o abrir válvulas para
mantener un proceso en funcionamiento de estado estable.