En esta guía se resumen brevemente las definiciones de algunas operaciones unitarias y se muestra, a través de ejemplos bien explicados, cómo desarrollar un balance sin reacción química, en unidades simples.

1. GUÍA 5-A DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA
F.U.A. 2014
BALANCE DE MASA SIN REACCIÓN 1: OPERACIONES EN UNIDADES SIMPLES
1. INTRODUCCIÓN
Operaciones unitarias: partes, o unidades, de un proceso,
donde no se realizan cambios químicos, sino solamente
físicos: de fase, de contenido energético y de
composición. Ejemplos de operaciones unitarias:
mezclado, secado, destilación, evaporación,
calentamiento, enfriamiento, humidificación,
centrifugación, condensación, absorción, adsorción,
lixiviación, transporte de fluidos y operaciones de sólidos,
entre otros.
1.1. BALANCES EN UNIDADES SIMPLES:
En toda operación unitaria, así como también en los
procesos químicos, se debe cumplir la Ley, o
principio, de Conservación de la Materia. En pocas
palabras lo que enuncia es que toda la masa que
entra a un sistema, debe salir. No significa que
intacta, porque puede cambiar su apariencia, o su
estado, o su composición; pero se mantiene la misma
cantidad de lb, kg, onzas, toneladas, o cualquier otra
unidad de masa. El número de moles se conserva
siempre y cuando no haya reacción química, pero se
verá en otro capítulo.
Entonces, en este capítulo, los balances aplicados, se
basan en ese principio que podría formularse de la
siguiente manera:
“Masa que entra por las corrientes – Masa que sale
por las corrientes = Masa acumulada en el sistema”.
Si no hay acumulación ni “desacumulación” (cuando
se desocupa un equipo), se dice que el proceso se
realiza en “Estado Estacionario”, porque con el
tiempo no hay cambio de la masa que está dentro del
sistema. Es más, las plantas industriales grandes,
operan generalmente en continuo, esto significa que
el proceso en cada parte de esa planta, se realiza en
estado estacionario. Aquí, la mayoría de ejercicios se
trabajarán asumiendo esa condición.
 Balances en mezclado: Disminuye o aumenta la
composición de las corrientes de salida, dependiendo
de las composiciones de las corrientes individuales.
Son más corrientes en la salida que en la entrada.
 Balances en operaciones de separación: En las
demás operaciones el número de las corrientes de
entrada es menor o igual que el número de
corrientes de salida.
Problemas resueltos en unidades simples:
1. Una solución de HCl al 30% se mezcla con 60 kg de
otra solución al 60% en masa. Determine la
concentración de la corriente de mezcla
SOLUCIÓN: Se toma una base de cálculo en alguna de las
corrientes de entrada, puede ser la de 30% o la de 60%.
Entonces, aplicando las ecuaciones de balance por
corrientes:
𝑚1 + 𝑚2 = 𝑚3 (1)
Reemplazando los valores: 100 kg + 60 𝑘𝑔 = 𝑚3 (1)
Ahora el balance por componente: (ácido clorhídrico)
𝑥1 𝑚1 + 𝑥2 𝑚2 = 𝑥3 𝑚3 (2)
Reemplazando los valores:
0,3 ∗ 100 + 0,6 ∗ 60 = 𝑥3 𝑚3 (2)
De esta manera, queda un sistema de dos (2) ecuaciones
con dos (2) incógnitas: x3 y m3. Se soluciona por los
métodos convencionales del Algebra: sustitución,
eliminación, matrices, etc. En este caso es muy sencillo, se
calcula m3 de la ecuación (1) y se sustituye en la ecuación
(2):
m3 = 160 kg.
30 + 36 = x3 * 160 → x3 = 66/160 = 0,4125
Esta es la fracción másica, luego el porcentaje en masa
será esta fracción multiplicada por 100: % masa = 100* x3
RESPUESTA: La concentración de la mezcla final es
41,25% en masa.
2. En un proceso para la fabricación de jugos de fruta,
se necesita de un evaporador, el cual recibe una
alimentación de 13000 kg/día de zumo, con una
concentración del 18%. Si se desea concentrar hasta
57%, calcular la cantidad de agua evaporada por
hora y al día.
SOLUCIÓN: No se requiere base de cálculo. Se conoce una
corriente y los grados de libertad dan cero. La corriente 1
es la de jugo al 18%; la corriente 2 es la de agua
evaporada y la corriente 3 es zumo concentrado al 57
𝑚̇ 1 = 𝑚̇ 2 + 𝑚̇ 3 (1)
Reemplazando los valores: 13000 kg/día = 𝑚̇ 2 + 𝑚̇ 3 (1)
Ahora el balance por componente: (sólidos del zumo).
Como en la corriente de agua evaporada no salen sólidos,
sino solamente agua, entonces, la ecuación quedaría así:
𝑥1 𝑚1 = 𝑥3 𝑚3 (2)
Reemplazando los valores:
0,18 ∗ 13000 = 0,57 ∗ 𝑚̇ 3 (2)
Entonces, 𝑚̇ 3 = 4105,26 kg/día. Y sustituyendo en (1):
𝑚̇ 2 = 8894,74 𝑘𝑔/𝑑í𝑎
RESPUESTA: Entonces, por hora son: 370,62 kg de agua
evaporada; y al día son 8894,74 kg de agua evaporada.
3. Después del secado, en un secador por bandejas, se
determina que un lote de piel pesa 2000 kg y que
contiene 10% de agua, en masa. Durante el secado
la piel perdió 65% de su humedad inicial. Calcular la
masa de piel "totalmente seca" o "exenta de
humedad" en la carga de alimentación.
SOLUCIÓN: Este es el típico problema de pregunta
capciosa. Al leer bien el enunciado se tiene la
respuesta con sólo hacer una simple multiplicación y
teniendo en cuenta el principio de conservación de la
materia (Esto sirve para desarrollar la observación y
la agilidad mental).
RESPUESTA: 1800 kg de piel seca (compruébelo)
BIBLIOGRAFÍA
FELDER, RICHARD M. Principios elementales de los
procesos químicos, Limusa Wiley, tercera edición,
2005, México. Capítulo 4.