presentación de la unidad I acerca de balance de materia y energía en procesos en estado estacionario y no estacionario de ingeniería química

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
MATURÍN ESTADO MONAGAS
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
EN PROCESOS EN ESTADO
ESTACIONARIO Y NO ESTACIONARIO
Bachiller:
José V. Marcano
C.I. 28298764
Prof.
Ray González
Maturín, Noviembre del 2020

2. Diapositiva
Introducción
Conservación de masa
Relaciones entre masa y volumen en la reacciones químicas
Ley de los gases ideales
Unidades molares
Exceso de reactivo
Grado de conversión y porcentaje de composición
Densidad y peso especifico
Tipo de proceso
Balance de materia en estado estacionario
Recirculación
Derivación by pass y purga
Balance materia en estado NO estacionario
Balance de energía
Balance de energía: en sistema abierto
Balance de energía : en sistema cerrado
Conclusiones
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3. 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. Por tanto, en la realización del PFC, los BMyE nos permitirán
conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el
proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término se
traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración.
Dentro del PFC los BMyE tienen su lugar lógico en el Estudio de Viabilidad, ya que es por
medio de ellos que se obtiene la información necesaria para proceder al dimensionamiento
de los equipos y la estimación de las necesidades de servicios auxiliares (vapor, aire,
refrigeración). En la Memoria de Cálculo deberán incluirse los BMyE de la alternativa
elegida, como un anexo de la misma. En la siguiente presentación vamos a desarrollar el
conocimiento acerca de este tema.

4. Es una ley fundamental de las ciencias naturales. Fue elaborada
independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1748 y descubierta unos años
después por Antaine 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».
Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química. El
principio es bastante preciso para reacciones de baja energía. En el caso
de reacciones nucleares o colisiones entre partículas en altas energías, en las
que la definición clásica de masa no aplica, hay que tener en cuenta
la equivalencia entre masa y energía. Esta es la ley de la conservación de la
masa, enunciándola de la siguiente manera: «En toda reacción química la
masa se conserva, es decir, la masa total de los reactivos es igual a la masa
total de los productos».
Lavoisier demostró que al efectuarse una reacción química la masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma, es decir,
las sustancias reaccionantes al interactuar entre sí forman nuevos productos con propiedades físicas y químicas diferentes a
las de los reactivos, esto debido a que los átomos de las sustancias se ordenan de forma distinta.
Antoine Laurent Lavoisier (1743-
1794)
Químico francés quien, con base de
estudios que realizo, propuso la ley de la
conservación de la masa.

5. masa volumen
Que es Cantidad de materia que
posee un cuerpo
Dimensiones que ocupa un
cuerpo.
Unidad de medida Kilogramo (kg) •Metro cubico (m3).
•Litro (l)
la masa es una constante universal sin importar la gravedad, es decir, en lugar de usar el peso de un objeto se utiliza la masa,
ya que el peso esta influido por la gravedad. La densidad de un cuerpo se define como la razón de su masa a su volumen.
Las unidades de densidad son la razón de una unidad de masa a una unidad de volumen, es decir, gramos por centímetro
cubico, kilogramos por metro cubico, o por pie cubico.
•La masa es directamente proporcional al volumen de densidad. El
volumen es directamente proporcional a la densidad de la masa.
•Son similares porque ambas tiene una constante, la diferencia es que
una es una multiplicación y la otra es una división.
•Las dos ecuaciones obtenida con anterioridad son lineales ya que
están en proporción directa y tiene una constante de proporcionalidad
que es la densidad.
•Son similares ya que se multiplica una variable por una constante, sin
embargo, en la segunda se tiene una división, pero de cualquier forma
de una línea recta que parte del origen.

6. Los gases ideales es una simplificación de los gases reales que se realiza para
estudiarlos de manera más sencilla. En sí es un gas hipotético que considera:
•Formado por partículas puntuales sin efectos electromagnéticos.
•Las colisiones entre las moléculas y entre las moléculas y las paredes es de tipo
elástica, es decir, se conserva el momento y la energía cinética.
•La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura.
•Los gases se aproximan a un gas ideal cuando son un gas mono atómico, está a
presión y temperatura ambiente.
La ecuación del gas ideal se basa condensa la ley de Boyle, la de Gay-Lussac, la
de Charles y la ley de Avogadro.
Ley de Charles
Corresponden a las
transformaciones que experimenta
un gas cuando la presión es
constante. Así tenemos que:
Donde:
P= es la presión del gas
V = el volumen del gas
n= el número de moles
T= la temperatura del gas
medida en Kelvin
R= la constante de los
gases ideales
Cuando la temperatura se acerca al cero
absoluto, todos los gases tienden al mismo
comportamiento.

7. Ley de Gay-Lussac
Corresponde a las trasformaciones que sufre un gas ideal
cuando el volumen permanece constante.
Ley de Boyle
Corresponde a las transformaciones que experimenta
un gas cuando su temperatura permanece constante.
La curva que describe el gráfico P versus
Volumen, corresponde a una isotérmica, es decir
a todos los puntos donde la temperatura es la
misma.
Ley de Avogadro
Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en
las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el
mismo número de partículas.

8. Las leyes que hemos estudiado se cumplen cuando se trabaja a bajas presiones y temperaturas moderadas. Tenemos
que:
Propiedades que se mantienen
constantes
ley expresión
Moles, n Temperatura, t Boyle p.V = constante
Moles, n Presión, p charles v/t = constante
Presión, p Temperatura, t Avogrado v/n= constante
Cuando las leyes se combinan en una sola ecuación, se obtiene la denominada ecuación general de los gases
ideales:
P V = n . R . T

9. La molaridad ( M ) o concentración molar es el numero de moles de soluto que están disueltos en un determinado
volumen.
La molaridad de una disolución viene determinada por la siguiente formula:
La molaridad (M) se expresa en las unidades (moles/litro).
Ejemplo de la molaridad
Calcular la molaridad de una solución que contiene 2,07-10-2 moles de soluto en 50 ml disolvente:
Molaridad = M = n/V = 2,07. 10-2 moles/ 0,05 litros = 0,414 molar

10. El reactivo limitante da a conocer o limita la cantidad de producto formado, y
provoca una concentración específica o limitante ya que este puede dar un salto a
las cantidades.
Cuando una ecuación está ajustada, la estequiometria se emplea para saber
los moles de un producto obtenido a partir de un número conocido de moles de
un reactivo. La relación de moles entre el reactivo y producto al obtenerse de la
ecuación balanceada.
Generalmente cuando se efectúa una reacción química los reactivos no se
encuentran en cantidades simétricamente exactas, es decir, en las proporciones
que indica su ecuación balanceada. En consecuencia, algunos reactivos se
consumen totalmente, mientras que otros son recuperados al finalizar la reacción.
El reactivo que se consume en primer lugar es llamado reactivo limitante, ya que la
cantidad de éste determina la cantidad total del producto formado. Cuando este
reactivo se consume, la reacción se detiene. El o los reactivos que se consumen
parcialmente son los reactivos en exceso.

11. Este se define siempre sobre el denominado componente clave que, por decirlo de una manera sencilla, es aquel que si se
diera la reacción al 100% se consumiría totalmente. La conversión siempre se refiere al reactivo limitante y es igual a los
moles convertidos de limitante/ moles alimentados de limitante, es decir:
PORCENTAJES DE COMPOSICION
La composición porcentual o centesimal indica el porcentaje en masa, de cada elemento que forma parte de
un compuesto. Básicamente se puede definir como: una parte dividida entre todas las partes multiplicada por 100.
La Composición Porcentual de un elemento en una molécula se calcula a partir del peso molecular y viene
determinada por la siguiente fórmula:
Composición porcentual = peso atómico . Nº de átomos en la molécula / peso molecular .100
Xa = (mol entran – mol salen)/ mol entran

12. La densidad r de una sustancia, también llamada
masa especifica, es una propiedad característica o
intensiva de la materia y expresa la masa contenida
de dicha sustancia en la unidad de volumen.
El peso especifico de una sustancia también es
una propiedad característica su valor se
determina dividiendo su peso entre el volumen
que ocupa.

13. Un proceso químico es un método o procedimiento para cambiar uno o más compuestos químicos. Puede ocurrir
por su propia energía o realizarse gracias a una fuerza externa. Adicionalmente, puede señalarse que el proceso
químico está destinado a cambiar la composición de los materiales.
Los tipos de procesos químicos están relacionados en su mayoría con una rama de la química llamada
fisicoquímica. Esta aborda los procesos químicos, así como su conexión con los procesos físicos. Por lo tanto,
en los tipos de procesos químicos no siempre es fácil establecer los límites con los procesos físicos.
Entre los tipos de procesos químicos, tenemos los siguientes:
a)Isotérmico
Ocurre a temperatura constante, y además la energía interna del
sistema permanece constante.
b) Adiabático
Se realiza en aislamiento, de tal manera que no hay intercambio de
calor con el medio circundante. En estas condiciones, la cantidad de
calor (entalpía) del sistema permanece constante.
c) Isobárico
Se realiza a presión constante.
d) Isocórico o isovolumétrico
Se realiza a volumen constante.

14. e) Reversible
“La fuerza” que conduce un proceso químico en una dirección es ligeramente
mayor que “la fuerza” que lo conduce en el sentido opuesto. Los reactivos se
transforman en productos, y estos a su vez pueden reaccionar entre sí para
regenerar los reactivos.
f) Irreversible
La orientación de un proceso químico está fuertemente dirigida en una
dirección, por lo que se requiere de cambios muy grandes en las condiciones
en que se realiza el proceso químico para producir su cambio de orientación.
g) Cíclico
Está formado por varios pasos intermedios, al final de los cuales se regresa al
estado inicial.
Los procesos químicos transforman materias primas
en productos útiles que generan beneficios a los colaboradores y
dueños de las empresas y a la comunidad en general. Estos productos
se emplean como bienes de consumo y como productos intermedios
para modificaciones químicas y físicas en la elaboración de productos
de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de
la producción total de sustancias químicas se utiliza en
la manufactura de otras, de modo que la industria química es la
mejor cliente de sí misma.

15. Un proceso industrial, técnicamente hablando, es el término en que se agrupan una serie de transformaciones físicas,
químicas y biológicas, económicamente rentables, realizadas a una materias primas dadas para convertirlas en productos
requeridos, con la posibilidad de que se obtengan subproductos.
Las profesiones relacionadas con la elaboración de productos químicos encontrarán que esta visión global de
las industrias procesadoras es útil para entender su situación actual. Los ingenieros deben ocuparse, con sentido crítico,
de las utilidades, ya que sin estas un negocio no puede operar. La industria química se caracteriza por cambios rápidos
en los métodos, que responden en la actualidad a grandes alteraciones en los costos de energía; sin embargo, siempre
que el costo de una sustancia química aumenta, aunque sólo sea un 10%, en muchos casos esa sustancia se expone a
ser reemplazada por una nueva sustancia.

16. La mayoría de los procesos industriales son continuos, con un mínimo de alteraciones o paradas. En este tipo de procesos, a
excepción de los periodos de puesta en marcha y paradas, el tiempo no es una variable a considerar, por lo que las variables
intensivas dependen solamente de la posición, siendo el régimen estacionario. En estos sistemas en estado estacionario el
término acumulación desaparece, simplificándose la ecuación a la siguiente:
Entrada + producción = salidas
A su vez, en aquellos sistemas donde no se produzca reacción química, se simplifica todavía más:
Entradas = salidas
Recirculación: Parte de la corriente que sale de un proceso se incorpora de nuevo el proceso
Veamos algunos ejemplos:
• En procesos de secado se controla la humedad recirculando parte del aire húmedo que sale del secadero.

17. •En reacciones químicas el material que no ha reaccionado se separa y se recircula al reactor.
•Las columnas de destilación con rectificación, recirculan parte del destilado

18. Derivación "by pass": corriente que pasa por alto una o más etapas del proceso, llegando directamente a otra etapa
posterior.
Purga: Corriente que se utiliza para eliminar una acumulación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se
acumularían en el flujo de recirculación.

19. El balance de materia tiene la siguiente forma:
Balance de materia en estado no estacionario son Aquellos en los que alguna de las variables cambia con el tiempo
(transitorios o dinámicos).
Todos los procesos no estacionarios responden a un “mecanismo” general que comprende alguno de
los siguientes conceptos:
•Un estado inicial (o de partida)
•Algo que entra (flujo de entrada)
•Algo que sale (flujo de salida)
•Una posible diferencia entre la entrada y la salida
•Algo que cambia dentro.
Puede ser masa, volumen, altura, entalpía, temperatura, velocidad, energía mecánica, concentración
(masa de un componente con respecto a la de los demás): el comportamiento es el mismo y se rige y
calcula por las mismas leyes.
(ENTRADA) – ( SALIDA) + ( (+)CONSUMO (–) FORMACION) +
(ACUMULACION)
Expresión general:
SALIDA-ENTRADA + ACUMULACION = GENERACION

20. Los balances de energía resultan fundamentales para establecer las variaciones
de energía que se producen durante un proceso industrial, o bien para
determinar los requerimientos energéticos de una determinada operación o
proceso industrial. Algunos ejemplos son los siguientes:
•Energía que es necesario suministrar a un calderín de ebullión en una
columna de destilación.
•Calor que se debe suministrar o retirar a través del encamisado de un reactor
para realizar una reacción endotérmica o exotérmica.
•Calor que debemos suministrar a una caldera en un ciclo termodinámico de
Rankine.
•Potencia requerida para bombear un fluido a una determinada altura.
En cualquiera de estas situaciones es imprescindible plantear y resolver
balances de energía de forma análoga a como se han realizado en secciones
anteriores los balances de materia.
Todo balance de energía responde a la siguiente ecuación de conservación:
[Acumulación de energía]=[Entrada de energía]-[Salida de
energía]+[Generación de energía]-[Consumo de energía]

21. En esta sección trataremos los balances de energía en sistemas abiertos. El primer paso consiste en la deducción de la
ecuación general del balance de energía para aplicarla posteriormente a diferentes problemas.
Por definición de proceso abierto, en estos hay un flujo de materia que atraviesa los límites del mismo mientras el
proceso se lleva a cabo. Por lo tanto, para que la masa ingrese al sistema es necesario efectuar un trabajo para empujar
esta masa en el sistema y el sistema debe realizar un trabajo sobre los alrededores para que la masa pueda salir del
sistema.
(Acumulación)=(Entrada)-(Salida)+(Generación)-
(Consumo)
Ambos trabajos (tanto para ingresar la materia o que esta egrese) deben ser incluidos en el balance de energía, y la
diferencia entre ambos es el trabajo de flujo. En realidad en estos sistemas, más que hablar de trabajo decimos
velocidad de transferencia de energía como trabajo o trabajo/tiempo)
ΔH’ = ∑ m’jĤj - ∑ m’jĤj
Ctes. Salida - Ctes. Entrada
ΔE’c = ∑ m’juj^/2 - ∑ m’juj^/2
Ctes. Salida - Ctes. Entrada
ΔE’p = ∑ m’jgzj - ∑ m’jgzj
Ctes.Salida - Ctes. Entrada

22. ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p = Q’ + WS
Esta ecuación establece que en un sistema abierto en estado estacionario, la velocidad neta a la cual la energía es
transferida a un sistema como calor y/o el trabajo en el eje (Q’ + W’s ) es igual a la diferencia entre la velocidad a la cual las
cantidades (entalpía + energía cinética + energía potencial) son transportadas fuera y dentro del sistema (ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p)

23. El principio que rige los balances de energía es la ley de conservación de la energía que establece que la energía no puede
crearse ni destruirse (excepto en procesos nucleares). Esta ley es también llamada primer principio de la termodinámica.
En la más general de sus formas, la primera ley dice que la velocidad a la cual la energía (cinética + potencial + interna) es
ingresada a un sistema por un fluido, más la velocidad a la cual ingresa energía en forma de calor, menos la velocidad a la
cual la energía es transportada por el fluido fuera del sistema, menos la velocidad a la cual el sistema realiza trabajo sobre
los alrededores, es igual a la velocidad a la cual la energía se acumula en el sistema. Veamos su aplicación a un sistema
cerrado.
Acumulación = Entrada - Salida
Energía final del sistema – Energía inicial del sistema = Energía neta transferida al
sistema (entrada – salida)
Energía inicial del sistema = Ui + Eci + Epi
Energía final del sistema = Uf + Ecf + Epf
Energía transferida = Q + W

24. Los balances de masa y energía constituyen una herramienta fundamental para el desarrollo de procesos, mediante el
planteamiento de las leyes de conservación y la aplicación de reglas estequiometrias y termodinámicas.
Cualquier proceso químico puede ser caracterizado con determinado grado de eficiencia a partir de la realización de
balances de masa y energía, siendo posible analizar instalaciones en la etapa de diseño y en las etapas de producción
tanto a nivel de planta piloto como escala industrial.