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1. BALANCE DE MATERIALES
CON REACCIONES QUÍMICAS
Joimar Villasmil
27.033.389
C
H
3

2. ÍNDICE
Introducción
Fundamentos de balance de materia y energía
Estequiometria de las reacciones químicas
Reactivos limitantes y en exceso, fracción de conversión y grado de avance de la reacción
Equilibrio químico
Reacciones múltiples, rendimiento y selectividad
Grado de avance de la reacción
Balance de masa en unidades múltiples
Calculo de reciclaje, derivación y purgado
Conclusiones

3. INTRODUCCIÓN
Una parte vital para poder desarrollar la mayoría de
los procesos donde intervienen reacciones químicas
son los balances de materia y energía. Se ha vuelto
una herramienta importante para la ingeniería donde
utilizan estos balances para contabilizar los flujos de
materia y energía en los procesos industriales y las
operaciones que lo integran.
Conocer sus aspectos fundamentales, como se
comportan las reacciones según su equilibrio químico,
su estequiometria, entre otros procesos y aplicaciones
en los que su conocimiento nos va a facilitar el manejo
y comprensión de los balances de materia y energía.

4. FUNDAMENTOS DE
BALANCE Y
ENERGÍA
0
1

5. Conservación de la energía:
Así como para la materia, se puede escribir una ecuación
general para la conservación de la energía.
Energía que sale = Energía que entra + Generación –
Consumo + Acumulación.
Este es un enunciado de la primera ley de la termodinámica.
§ Un balance de energía puede escribirse para cualquier
etapa del proceso.
§ La reacción química liberará energía (exotérmica) o
consumirá energía (endotérmica).
§ Para procesos al estado estacionario la acumulación de
masa y energía será cero.
§ La energía puede existir en muchas formas e esto, para
algunos, casos harán los balances de energía mas complejos
que los balances de materia.
La ley de la conservación de la energía en su forma más
estudiada e intuitiva, esta ley establece que, aunque la
energía se puede transformar y convertir de una forma a
otra, la cantidad total de ella en un sistema aislado no varía
con el tiempo.

6. FORMAS DE ENERGÍA
Energía potencial: energía debida a la posición
Energía potencial = gz (5.1)
donde: z = altura sobre un punto de referencia, m
g = aceleración gravitacional, (9,81 m/s2)
Energía cinética: energía debida al movimiento
Energía cinética = u2 (5.2)
2
donde: u = velocidad, m/s
Energía interna: energía asociada con el movimiento molecular. La temperatura T de un material es una medida de su
energía interna U
U = f(T)
Calor: la energía es transferida ya sea como calor o trabajo. Un sistema no contiene “calor”, pero
la transferencia de calor o trabajo a un sistema cambia su energía interna. El calor tomado por
un sistema desde sus alrededores es convencionalmente tomado como positivo y el que cede el
sistema como negativo.
Energía eléctrica: las formas de energía eléctrica y mecánica son incluidas en el término del
trabajo en un balance de energía. La energía eléctrica será significante solamente en los
balances de energía para procesos electroquímicos

7. Trabajo: Se realiza trabajo cuando una fuerza actúa a lo largo de una distancia
W = ∫Fdx
donde: F = fuerza, N
x y L = distancia, m
El trabajo realizado sobre un sistema por los alrededores es convencionalmente tomado como negativo; el trabajo realizado por
el sistema sobre los alrededores como positivo.
Cuando el trabajo se debe a un cambio en la presión o volumen
W = ò Pdv
donde: P = presión, Pa (N/m2)
v = volumen por unidad de masa, m3/kg
Para integrar esta función deben conocerse las relaciones entre la presión y el volumen. En el diseño de procesos,
frecuentemente es necesario estimar el trabajo realizado durante la compresión o expansión de un gas. Se puede hacer un
estimado preliminar asumiendo ya sea una expansión adiabática reversible (isoentrópica) o una expansión isotérmica,
dependiendo de la naturaleza del proceso.
Para expansión isotérmica (expansión isotérmica (expansión a temperatura constante)
Pv = constante
Para expansión adiabática reversible (sin intercambio de calor con los alrededores)
pvg = constante
donde: g = razón de capacidades caloríficas, Cv/Cv.
.

8. BALANCES DE
MATERIA Y
ENERGÍA
Los balances de materia
y energía (BMyE) son una de las
herramientas más importantes
con las que cuenta la ingeniería de
procesos y se utilizan para
contabilizar los flujos de materia
y energía entre un determinado
proceso industrial y los
alrededores o entre las distintas
operaciones que lo integran.

9. Balance sin reacción química:
Estimar las cantidades de vapor y agua requeridas para
la columna de destilación mostrada en la figura.
En la planta se dispone de vapor seco saturado a 25
psig (276 kN/m2), el agua de enfriamiento puede
aumentar su temperatura en 30 oC. La columna opera a
1 bar
Balance de materiales: Es necesario hacer un balance de materiales para
determinar los flujos de productos en el tope y el fondo.
Balance de acetona, despreciando las pérdidas de acetona en el fondo.
100 x 0,1 = D x 0,99
Destilado, D = 101 kg/h
Pesados, W = 1000 – 101 = 899 kg/h

10. Balance de energía: Las energías cinética y potencial de las corrientes del proceso son pequeñas y p
Tomando los límites del primer sistema que incluyan al hervidor y al condensador.
Entradas: calor que entra al hervidor QB + calor sensible de la alimentación HF
Salidas: enfriamiento para el condensador QC + calor sensible de los productos del tope y el fondo HD + HW.
Las pérdidas de calor desde el sistema serán pequeñas si la columna y los
intercambiadores están aislados convenientemente (típicamente menor a 5 por
ciento) y será despreciado.
Bases: 25 oC, 1 hr.

11. 1. La ley de conservación de la masa, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-
Lavoisier es una ley fundamental de las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente
por Mijaíl Lomonósov en 1748 y descubierta unos años después por Antoine Lavoisier en 1785.
Se puede enunciar de la siguiente manera:
«En un sistema aislado, durante toda reacción química ordinaria, la masa total en el sistema
permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa de los
productos obtenidos».
LEYES
2. La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en
cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece
invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de
energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no se crea
ni destruye solo se transforma, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma
en energía térmica en un calefactor.
En termodinámica, constituye el primer principio de la termodinámica (la primera ley de la
termodinámica).

12. ESTEQUIOMETRIA
DE LAS
REACCIONES
C
H
3

13. La estequiometría de una reacción química queda perfectamente establecida mediante la ecuación
química. En ella, aparecen las fórmulas de reactivos y productos precedidos de unos
números (los coeficientes estequiométricos) que indican las proporciones según las cuales
ocurre la transformación. Una flecha establece el sentido del cambio.
Llevar a cabo el ajuste de una reacción química es un paso previo imprescindible para su
interpretación y para la realización de cálculos estequiométricos más complejos. Estudia con atención los
siguientes ejemplos ilustrados, y familiarízate con el proceso a seguir para ajustar ecuaciones químicas sencillas.

14. La estequiometría. Es la parte de la química que nos permite determinar la masa de combinación de las sustancias
en una reacción química.
Dentro de una reacción química se pueden presentar los “reactivos limitantes” que son aquellos que se consumen
primero y limitan la cantidad de producto que se puede formar.
También podemos tener los reactivos en exceso que son los que se encuentran presentes en mayor cantidad
En este modelo tenemos que el 4A es el reactivo limitante que ya al ser 4 solo se pueden formar
ese número con AB. Por el contrario, el reactivo en exceso esta representa por 2B.
Lo mismo pasa si lo representamos en una ecuación química. Por ejemplo, si tenemos 5 moles de
Sodio peros solo un mol de cloro diatónico. Se pueden formar solo dos moles de cloruro de sodio y
sobrarían 7 moles de sodio.

15. ESTEQUÍOMETRIA
Para sistemas de una sola reacción tenemos la fracción de conversión de un
reactivo:
Grado de avance de una reacción: Dada una reacción química cualquiera es posible definir un único parámetro ξ, válido para
todas las substancias involucradas en la reacción, y que sirva para expresar cómo va evolucionando la reacción química a lo
largo del tiempo.

16. EQUILIBRIO
QUÍMICO
El estado de equilibrio de las reacciones químicas reversibles en sistemas a P y T constantes
tiene las siguientes características:
a) La composición de los componentes de la reacción no varía en el tiempo. Por eso, es
posible definir una constante de equilibrio.
b) b) La reacción directa y la reacción inversa conducen al mismo estado de equilibrio.
c) c) El equilibrio es dinámico.

17. EQUILIBRIO QUÍMICO
Sistema de reacciones múltiples: Son reacciones químicas simples (una sola ecuación cinética) y múltiples. Estás pueden
presentarse en serie o en paralelo
El rendimiento de una reacción, normalmente, se puede expresar en relación al reactivo limite alimentado o en relación al
reactivo limite consumido.
La selectividad se define como los moles de producto deseado obtenidos por cada mol de producto
indeseable obtenido

18. BALANCE DE MASA EN
UNIDADES MÚLTIPLES
En los procesos de unidades múltiples es imprescindible trazar las fronteras parciales alrededor de las cuales se analiza una
parte del sistema .Se puede hacer el análisis solamente en el mezclador , en el reactor o en el condensador . Se puede analizar
el proceso alrededor del conjunto mezclador - reactor , por ejemplo , o alrededor del conjunto reactor - condensador . Por
último , también es posible llevar a cabo el análisis alrededor de todo el sistema ( en la frontera del sistema ) . En sistemas de
múltiples unidades se puede formular un conjunto más amplio de ecuaciones de balance . Por cada unidad del proceso es
posible plantear tantas ecuaciones de balance por componentes como componentes hay ( una ecuación por cada componente )
más una ecuación de balance global ( por unidad ) . Por cada frontera que agrupe dos o más unidades también se puede hacer
lo mismo , así como para el sistema total Apuntes de Procesos Químicos para Ingeniería de Sistemas.

19. CALCULO DE RECICLAJE, DERIVACIÓN Y
PURGADO

20. En algunos problemas de balance de masa intervienen corrientes de reciclo,
derivación o purgado. El reciclo se presenta en los casos en que hay retorno de
material desde un punto posterior del proceso y se introduce nuevamente al mismo
para un procesamiento ulterior. Un esquema de lo anteriormente mencionado puede
visualizarse en la figura 5. Una derivación es un flujo que pasa por alto una o más
etapas del proceso y llega directamente a una etapa posterior, como puede apreciarse
en la figura 6

21. H
O
En ciertos procesos se utiliza el
purgado, entendiéndose que una purga
es un flujo que sirve para eliminar una
acumulación de inertes o indeseables
que, de otra manera, se acumularían en
la corriente de reciclo. Lo mencionado
se puede apreciar en la figura 7.

22. CONCLUSIONES
Los balances de materia y energía se basan en las leyes de conservación de la energía y masa. Su
aplicación puede ser para algunos un tanto difícil pero si se toman en cuentan los estudios
metodológicos conjunto de los estequiométricos , así, ciertos aspectos de gran importancia como
conocer como calcular el reactivo limitante y en exceso, saber que un equilibrio químico es cuando se
alcanza el equilibrio dinámico y estas pueden volver a su estado inicial, saber como conocer el
avance de la reacción y como es esta en sus diferentes etapas, son de gran ayuda a la hora de
evaluar un proceso de balances de materia y energía. Entendiendo que en muchos a nivel industrial
presentan problemas de balance de masa intervienen corrientes de reciclo, derivación o purgado,
para así obtener un resultado de calidad y profundamente optimizado. Algunas veces dependiendo en
que unidades (Múltiples unidades) se presenten y factores que intervengan en ellas.
Sus fundamentos teóricos pueden consultarse con detalle en textos como
los que se incluyen en la sección de búsqueda de información ´´Balances de
Materia y Energía´´, junto con numerosos ejemplos de aplicación a diferentes
operaciones y procesos.
Los Balances de energía son normalmente algo más complejos que los de
materia, debido a que la energía puede transformarse de unas formas a
otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este
aspecto en las ecuaciones. En general, en el PFC, los BE serán
imprescindibles en equipos en los que el intercambio de energía sea
determinante, lo que fundamentalmente sucederá en cambiadores de calor,
evaporadores, columnas de destilación, etc., es decir, cuando haya
que calentar o enfriar un fluido.