Balances de materia y energía: formulación, solución y usos en procesos industriales

Abstract

Resumen: este texto está dedicado a los balances de materia y energía como herramienta fundamental de la ingeniería de procesos. Saber realizar ese tipo de conteos (balances), se considera un tarea primaria e indispensable en la formación de un buen ingeniero de procesos. En tal sentido, uno de los requisitos que siempre debe cumplir un buen ingeniero que trabaje en el proceso es que la planta misma le “quepa” en la cabeza. Esta frase tan coloquial indica la capacidad que debe tener tal ingeniero para visualizar el proceso como una sola estructura general, que se pueda incluso poner en una hoja de papel para analizarlo. Es así como algunos ingenieros con experiencia pueden resolver problemas de la planta con una simple instrucción dada telefónicamente. Eso sólo es posible después de que el proceso ha pasado por varios análisis, en ocasiones hechos en la mente misma del ingeniero, otras veces en las reuniones del grupo técnico de la planta. Lo importante es que tales análisis se realicen procurando que sean lo más rigurosos posibles, cosa que en el análisis mental puede faltar, puesto que al no formalizarse en papel o en un programa de computadora, todo el análisis queda a merced de la memoria. Es por eso que existen formalismos para realizar el análisis del proceso de modo que quede una información perdurable y útil al grupo de ingenieros que lo realiza y a otros que pueden tomarlo como herencia para su capacitación en la operación de la planta. Uno de esos formalismos, tal vez el infaltable, son los Balances de Materia, Energía y Cantidad de Movimiento (BMECM), tanto en el estado estacionario como en el transitorio. Existen otros formalismos, de carácter simbólico, como los grafos dirigidos signados o las redes de petri, aunque su uso está todavía muy sesgado al diagnóstico de fallas en plantas de proceso. La ventaja principal de los BMECM es que su construcción es muy intuitiva, partiendo del principio general de la conservación de materia, de energía y de cantidad de movimiento. Dependiendo del estado para el que se formulen los balances, su solución será casi directa (balances en estado estacionario) o algo más laboriosa (balances en estado transitorio). Son precisamente los balances en estado transitorio los que forman la base de cualquier modelo del proceso que se construya basado en la descripción de los fenómenos involucrados en el proceso. Adicionalmente, el modelo dinámico obtenido así, contiene los balances en el estado estacionario como un caso especial de su solución matemática. Bien sea que ya se cuente con un modelo dinámico completo o que sólo se cuente con el sistema algebraico formado por los balances en estado estacionario, el ingeniero posee una formidable herramienta para abordar el análisis del proceso