3.4. Balance de materia y energía
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Balance de materia y energíaConceptos y teoría
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Contenido
•Balance de masa.▫Bases para identificar y cuantificar
entradas y salidas.▫Cuantificación de las entradas.▫Cuantificación de las salidas.
Cuantificación de aguas residuales. Cuantificación de efluentes gaseosos. Cuantificación de residuos sólidos o
semisólidos.▫Elaboración de un balance de masa.
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Contenido
•Balance de energía.▫Energía térmica.▫Energía eléctrica.
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Balance de materia
El balance de materia se basa en la conservación de la materia:
“La materia no se crea ni desaparece, sólo se transforma”
De acuerdo a lo anterior, en cualquier sistema, las entradas son iguales a las salidas.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Bases para identificar y cuantificar entradas y salidas
• Todos los insumos que entran a un proceso u operación, salen como productos y como residuos/desechos.
• El balance de masa se aplica a: un proceso u operaciones unitarias.
• Cuando no es posible identificar todas las salidas, se debe incluir un término que corresponda a la diferencia de masas, como “no identificadas”. Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
• En un balance de materia, la suma de todas las masas que entran en un proceso u operación, debe ser igual a la suma de todas las masas que salen de dicho proceso u operaciones.
• Se puede asumir que las pérdidas es la diferencia de entradas y salidas, pero en algunos sistemas productivos, se deberá de considerar la masa que pudiera quedar residente en la operación.Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
•Los materiales de salida no identificados, se atribuyen a: derrames, fugas y otras causas similares.
•Para hacer el balance de masa se requiere: • Información sobre las entradas y salidas.• Parámetros de operación.• Información a nivel de la administración.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Entradas y salidas en una operación unitaria
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Detalle de los componentes típicos de un balance de masa
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Cuantificación de las entradas•Entre los insumos que ingresan a un
proceso u operación unitaria, además de materias primas, se puede incluir:▫Materiales reciclados.▫Productos químicos.▫Agua▫Aire▫Otros
•Todos los materiales deben de ser cuantificados. Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación• Por ejemplo, para materias primas, debe revisarse los
inventarios que deben reflejar los movimientos de ingresos (compras) y de las salidas de almacenes.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación• Las entradas de un sistema, requiere del control
de las pérdidas previas en almacenamiento, por transferencia y manipuleo:▫ Pérdidas por evaporación.▫ Fugas.▫ Goteos de tranques.▫ Entre otros.
• Se puede tener como base un registro global de compras de insumos y pérdidas.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Cantidad de insumos de entrada por un periodo determinado (hora, día, semana, mes, año).
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Continuación• Con las entradas netas de los insumos al proceso y
a cada operación unitaria, se debe determinar el consumo específico de cada insumo.
• El consumo específico es la cantidad total de un insumo utilizado por unidad de producto producido.
• Las mediciones deben hacerse durante un intervalo de tiempo apropiado, para que las cifras sean confiables y puedan extrapolarse en el tiempo.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación• En varias operaciones unitarias, el agua constituye tanto
como:▫ Materia prima.▫ Medio de enfriamiento.▫ Lavado de gases.▫ Lavado en general.▫ Enjuagues de producto.▫ Limpieza a vapor.▫ Otros.
• Los consumos específicos de todos estos usos deben también cuantificarse como parte de las entradas.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación• Algunas operaciones unitarias se puede reciclar
residuos provenientes de las mimas u otras operaciones unitarias, por lo que los consumos específicos de este reciclaje también deben de cuantificarse como entrada.
• Los datos sobre los consumos específicos de los insumos en las entradas, deben mostrarse en los diagramas de flujo del proceso y de cada operación unitaria, a partir de los datos registrados.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación• El consumo de agua, sea ésta de red, de pozo o
de otra fuente, debe ser registrado mediante medidores.
• Los medidores, son una buena inversión, ya que permiten el control del consumo de agua.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Registro para la recolección diaria de datos de consumo de agua de un medidor.
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Continuación• Para cada operación unitaria, se debe considerar
los usos del agua, el volumen y la frecuencia de cada uso.
• Es necesario realizar:▫ Determinación del caudal.▫ Tiempo de consumo.▫ Volumen utilizado.▫ Monitoreo de las operaciones.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Medición del caudal y consumo de agua en cada proceso u operación unitaria.
Con base a esta información, se debe preparar un resumen del consumo de agua para cada operación unitaria, por día o por año, y desglosado por tipo de uso.
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Resumen del consumo de agua en cada operación unitaria, desglosado por tipo de uso.
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Cuantificación de las salidas• La cuantificación de las masas correspondiente a
todas las salidas del sistema, requieren del registro detallado de las cantidades de:▫ Producto principal.▫ Subproductos.▫ Residuos reutilizables o reciclables.▫ Aguas residuales.▫ Efluentes gaseosos▫ Desechos sólidos que necesitan ser almacenados y/o
enviados fuera de la planta para su disposición final.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Salidas de las operaciones unitarias*.
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Cuantificación de aguas residuales•Los materiales contenidos en las aguas
residuales implican:▫Directa o indirectamente, una pérdida de
insumos▫Un costo de tratamiento.
•Los flujos de cada operación unitaria, así como los flujos del proceso global, requieren ser cuantificados, muestreados y analizados. Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación• Las aguas residuales deben ser analizadas para
determinar la concentración de algunos parámetros importantes.
▫ En la mayoría de casos se utilizan los parámetros de pH, DQO, DBO5, SS, ST, aceites y grasas.
▫ Otros parámetros químicos a analizar, dependerán de las entradas de insumos (por ejemplo cromo en curtiembres).
▫ Es necesario consultar la legislación ambiental (reglamentos y normas) para determinar la frecuencia y los parámetros a analizar.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Aguas residuales – Caudales, concentraciones y cargas para cada operación unitaria (OU).
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Aguas residuales – Cantidades por unidad de producción por cada operación unitaria (OU).
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Cuantificación de efluentes gaseosos• Para elaborar un balance de masa se requiere:
▫ Para que sea lo más exacto posible, se requiere, cuantificar los efluentes gaseosos asociados al sistema.
▫ Los efluentes gaseosos no siempre son identificados y pueden ser difícil medirlos.
▫ Se puede utilizar estequiometria para estimar la cuantificación.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Cuantificación de residuos sólidos o semisólidos•Los residuos que se producen pueden:
▫No ser tratados en la planta (costo transporte).
▫Pueden ser sólidos o semisólidos (lodos).▫Pueden ser peligrosos o no-peligrosos.
•La minimización de los residuos conlleva un beneficio económico.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Registro de datos para residuos sólidos.
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Registro de datos para residuos sólidos.
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Elaboración de un balance de masa
•El balance de masa permite identificar:▫Entradas y salidas.▫El origen de residuos.▫Pérdidas de masa.
•Dependiendo del tamaño de la planta el balance de masa puede ser:▫Por operación unitaria.▫Por el proceso en general.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
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Continuación
Normalmente se utiliza unidades de masa para realizar el balance, ya que las unidades de volumen pueden variar de acuerdo a la temperatura.
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Balance de materia
Ecuación de balance:
A+B = C+D
D =(A + B) – C
D: Cantidad de desecho generado
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Balance de energía
El balance de energía se basa en la primera ley de la termodinámica:
“La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”
De acuerdo a lo anterior:
Etotal = ET = Esuministrada + Eexotérmica
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
![Page 39: 3.4. Balance de materia y energía](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061515/55721074497959fc0b8d326e/html5/thumbnails/39.jpg)
Tipos de energía
El tipo de energía, dependiendo de la industria puede ser:
•Energía térmica o calor.▫Leña, gas natural, GLP, entre otros
•Energía eléctrica.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
![Page 40: 3.4. Balance de materia y energía](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061515/55721074497959fc0b8d326e/html5/thumbnails/40.jpg)
Energía térmica
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Entradas y salidas de energía en un proceso o en una operación unitaria.
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Relaciones asociadas al balance de energía térmica en procesos no exotérmicos.
![Page 42: 3.4. Balance de materia y energía](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061515/55721074497959fc0b8d326e/html5/thumbnails/42.jpg)
Cuantificación de la energía térmica de entrada (EE)
•Es necesario contar con:▫Medidores de combustibles.▫Registrar consumos diarios.▫Registrar volúmenes de producción.
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
![Page 43: 3.4. Balance de materia y energía](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061515/55721074497959fc0b8d326e/html5/thumbnails/43.jpg)
Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Registro de datos de las entradas de energía y del consumo específico.
![Page 44: 3.4. Balance de materia y energía](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061515/55721074497959fc0b8d326e/html5/thumbnails/44.jpg)
Energía eléctrica
Para un uso óptimo, es necesario tener control en:
▫Consumo del proceso global de producción.▫Las operaciones donde el consumo es
significativo.▫La medición del consumo de energía
eléctrica en las áreas significativas (p. ej. Consumos permanentes).
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Continuación
Fuente: Centro de Promoción de Tecnologías Limpia (CPTS)
Protocolo para el registro del consumo de energía eléctrica por tipo de equipo u operación.
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