Diapositivas y presentación sobre el balance de materia y el balance de energía en procesos en estado estacionario y no estacionario.

1. BALANCE DE MATERIA Y
ENERGÍA EN PROCESOS EN
ESTADO ESTACIONARIO Y
NO ESTACIONARIO
Luiggi Jordán
Ing. Industrial

2. 1
2
ÍNDICE
Introducción
Términos Básicos
 Conservaciónde la masa
 Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas
 Ley de los gases ideales
 Unidades molares
 Exceso de reactivos
 Grado de conversión
 Porcentajes de composición
 Densidad y peso específico
 Tipos de procesos

3. 3
ÍNDICE
Balance de Materia
 Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con una sola
corriente
 Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con varias
corrientes
 Balance de materia en estado estacionario con reacciones químicas
 Recirculación, Purga y By Pass
Balance de Energía4
 Balance de energía para sistemas abiertos
 Balance de energía para sistemas cerrados
 Balance de energía para procesos con una sola corriente
 Balance de energía para procesos con varias corrientes

4. 5
ÍNDICE
Conclusión

5. Introducción
Para poder llevar a cabo procesos productivos y manejar el control de procesos y
servicios con éxito, siempre es necesario estudiar, analizar y tomar en cuenta aquellas
herramientas y recursos que permiten o garantizan la realización efectiva de estas
actividades. Dicho esto, es importante saber y conocer que, los balances de materia, al
igual que el balance o los balances de energía, son herramientas químicas y técnicas
necesarias y significativas que permiten el desarrollo de forma óptima de procesos
productivos, pues, permiten contabilizar los flujos de materia y energía respectivamente
en un determinado proceso industrial.
Los balances de energía y de materia, también son favorables para determinar la
necesidad y requerimientos de materiales o de energía, en el deseo de concretar algún
proceso o servicio; además, se emplean para reducir desperdicios y reducir los efectos
nocivos al ambiente, en pro de tener mayor eficiencia en la producción.

6. Términos Básicos

7. Términos Básicos
Es un principio de la química que, establece que la masa no se crea ni se destruye,
sólo se transforma. Esta ley, también conocida como ley de conservación de la
materia, fue elaborada por Mijaíl Lomonósov y descubierta por el químico francés
Antoine Lavoisier y se basa en que en una reacción química la masa sólo cambia,
más no se crea o destruye, por lo que, la masa antes de la reacción química es igual
a la masa después de la reacción, es decir, la masa de los cuerpos reaccionantes es
igual a la masa de los productos en reacción.
Un ejemplo de ello es la combustión de hidrocarburos, que muestra cómo el
combustible arde y se transforma en gases imperceptibles y agua.
Conservación de la masa

8. Términos Básicos
Se puede definir como la relación que existe entre el número
de moles y la masa de ellos. Las relaciones de masa sirven
para explicar o mostrar la composición de los compuestos y
cómo ocurren los cambios en la composición de estos.
Mediante la estequiometría o cálculos estequiométricos se
puede medir las relaciones de masa de los elementos que
conforman una reacción química.
Relaciones de masa en las reacciones químicas

9. Términos Básicos
En una reacción química, cuando los reactivos y productos son
gases en las mismas condiciones de presión y temperatura, se
cumple que la relación entre los volúmenes de estos elementos que
conforman la reacción es la indicada por los coeficientes
estequiométricos, indicando que es constante y se puede expresar en
números enteros.
Relaciones de volumen en las reacciones químicas

10. Términos Básicos
Las leyes que relacionan las variables (presión, volumen, temperatura) de
los gases ideales son: ley de Boyle, ley de Charles y Gay-Lussac y la ley
de Avogadro. En base a esto se define la ley de los gases ideales, la cual es
la combinación de estas leyes anteriormente mencionadas.
La ley de los gases ideales expresa dicha relación de esta forma: PV =
nRT
Donde P es la presión del gas, V el volumen que éste ocupa, n es el
número de moles del gas, R es la constante de los gases ideales y T la
temperatura del gas.
Ley de los gases ideales

11. Términos Básicos
La masa molar, también llamada masa atómica
o peso atómico, es la cantidad de masa que
contiene una sustancia en un mol. Aunque su
unidad en el Sistema Internacional es kilogramo
por mol (kg/mol), en química suele expresarse
en gramos por mol (g/mol).
Unidades molares

12. Términos Básicos
En una reacción química la cantidad de producto que puede formarse
depende de los reactivos, los cuales son las sustancias que forman al
producto. Por lo general, los reactivos no se hallan en cantidades
proporcionales entre sí; entonces, un reactivo se consume totalmente
primero que otro. El reactivo que se consume primero es denominado
reactivo limitante, ya que al consumirse limita la cantidad de producto que
se puede crear y cuando este reactivo se consume, la reacción se detiene. El
o los reactivos que se presentan en mayor cantidad y no se consumen
primero, se denominan reactivos en exceso.
Exceso de reactivos

13. Términos Básicos
Es el porcentaje de la conversión en productos de una reacción química o de
algún material de dicha conversión. Generalmente este valor se determina
en base al reactivo limitante que se convierte en producto. Este porcentaje
se expresa así:
Grado de conversión =
Cantidad que reacciona del compuesto
Cantidad alimentada del compuesto
x 100
Grado de conversión

14. Términos Básicos
Se conoce como composición porcentual y es una medida en porcentaje de la
cantidad de masa perteneciente a cada elemento presente en un compuesto
químico. Se calcula a partir del peso molecular mediante la siguiente fórmula:
Composición porcentual =
Peso atómico ∗ N°de átomos en la molécula
Peso molecular
x 100
Porcentajes de composición
80% 60%

15. Términos Básicos
La densidad o masa específica de una sustancia es la relación entre la masa de dicha sustancia y su volumen. Su
valor se determina a través del cociente de la masa de la sustancia entre el volumen que ocupa:
ρ =
masa
volumen
=
kg
m3
Mientras que, el peso específico es la relación que existe entre el peso y el volumen que ocupa una sustancia en el
espacio. Se expresa o determina así:
Pe =
peso
volumen
=
N
m3
Sabiendo que peso = masa x gravedad se puede hallar la relación entre la densidad y el peso específico de una
sustancia, de modo que:
ρ =
Pe
g
𝑜 Pe = ρ ∗ g
Densidad y peso específico

16. Términos Básicos
Un proceso químico es el conjunto de
procedimientos químicos destinados a
cambiar una sustancia, un compuesto
o varios en otro producto. Su
componente principal son las
reacciones químicas.
Tipos de procesos Isotérmico: ocurre a
temperatura constante y
la energía interna del
sistema permanece
constante.
Adiabático: se hace
en aislamiento, con el
fin de que no exista
intercambio de calor
con el medio
circundante.
Isobárico: proceso
químico que se
realiza a presión
constante.
Isocórico: proceso
químico que se
efectúa a volumen
constante.
Reversible: los reactivos
se transforman en
productos y los productos
pueden reaccionar entre sí
para regenerar los
reactivos.
Irreversible: se requieren
grandes cambios en las
condiciones en que se
realiza el proceso químico
para producir su cambio de
orientación.

17. Balance de Materia

18. Balance de Materia
Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con una
sola corriente
En este caso, el balance de materia se usa para calcular características sólo
de la corriente o del sistema. Como hay una sola corriente, se obtendrá el
balance según la cantidad de componentes, más un balance global. Los
pasos que deben realizarse para plantear el balance, son:
1. Establecer los límites del sistema.
2. Identificar los flujos de materia que cruzan los límites.
3. Identificar los componentes que constituyen la corriente.
4. Plantear un número de balances independientes que coincida con el
número de componentes.

19. Balance de Materia
Posteriormente, se hace un análisis de los grados de libertad; dicho análisis
contabiliza las variables, las ecuaciones de balance y las especificaciones y
relaciones entre las variables del sistema. De tal forma que:
Grados de libertad = 0 → Hay una única solución
Grados de libertad > 0 → Existen infinitas soluciones
Grados de libertad < 0 → Problema mal planteado

20. Balance de Materia
Balance de materia en estado estacionario con procesos que operan con varias
corrientes
Para este caso se puede establecer un conjunto más extenso de ecuaciones de balance, pues, por cada corriente
es posible plantear tantas ecuaciones de balance como componentes, más la ecuación de balance global. Es
importante determinar la cantidad de incógnitas y cuáles ecuaciones son independientes; así como verificar que
el subsistema posea cero grados de libertad. El proceso es el siguiente:
1. Los límites del sistema se establecen mediante un diagrama de flujo del proceso.
2. Identificar los flujos de corrientes del sistema.
3. Identificar los componentes que conforman cada corriente.
4. Plantear el número de balances independientes que coincida con el número de componentes.
El análisis de grados de libertad se plantea para cada unidad y al sistema global, iniciando por las unidades que
tengan cero grados de libertad.

21. Balance de Materia
Balance de materia en estado estacionario con reacciones químicas
El balance de materia es un método aplicado en la ingeniería química que se usa
para la contabilización de la masa total que cruza los límites de un sistema, el cual se
basa en la ley de conservación de masa.
entradas = salidas + acumulación
Cuando se trata de un elemento o compuesto químico, o sea, cuando el balance no
está destinado a la masa total del sistema, se toma en cuenta la producción.
entradas + producción = salidas + acumulación

22. Balance de Materia
Recirculación, Purga y By Pass
o Recirculación: fragmento de la corriente la cual sale de un determinado proceso y luego se incorpora de
nuevo. Se dice también que, existe recirculación cuando uno de los productos de la unidad se devuelve a
otra unidad anterior. La aplicación de recirculación en procesos químicos es necesaria para la recuperación
de reactivos no consumidos o para la recuperación de catalizadores, por ejemplo.
o Purga: corriente o fracción extraída de la recirculación que se utiliza para eliminar la acumulación de
sustancias o de materiales no deseados y desfavorables.
o By Pass: corriente que elude una o varias etapas del proceso, dirigiéndose directamente a otra etapa
posterior. El objetivo del By Pass es influir en las propiedades del producto, para así obtener la
composición final deseada.

23. Balance de Energía

24. Balance de Energía
Balance de energía para sistemas abiertos
En los sistemas abiertos existe un flujo de materia el cual atraviesa los límites de
dicho sistema, causando que, se deba realizar un trabajo en el sistema que permita el
ingreso de la materia en el sistema, al igual que otro trabajo para que ésta sea
extraída. Ambos trabajos, llamados velocidad de transferencia de energía, se toman
en cuenta en el balance de energía.
Para un sistema abierto, la velocidad neta a la cual se transfiere la energía al sistema,
es igual a la diferencia entre dicha velocidad a la cual las cantidades (entalpía,
energía cinética y energía potencial) son transferidas fuera y dentro del sistema.
Teniendo así la siguiente ecuación:
ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p = Q’ + WS

25. Balance de Energía
Balance de energía para sistemas cerrados
En el caso de un sistema cerrado, la energía puede transferirse como calor o trabajo en
los límites del sistema, es por ello que, los elementos de entrada y salida no son
eliminados. Teniendo esta ecuación:
energía final del sistema - energía inicial del sistema = energía neta transferida al sistema
Si la energía inicial del sistema se representa como Ui + Eci + EPi, la energía final como
Uf + Ecf + EPf y la energía transferida Q + W. Se tiene que:
(Uf − Ui) + (Ecf − Eci) + (Epf − Epi) = Q + W
Utilizando el símbolo delta (Δ) para los subíndices i y f, se tiene la ecuación de la
primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados:
ΔU + ΔEc + ΔEp = Q + W

26. Balance de Energía
Balance de energía para procesos con una sola corriente
A partir de la ecuación de balance de energía para el sistema de entrada y salida
única, se obtienen las demás ecuaciones de balance de energía para procesos con
una corriente.
• Balance de energía con entrada y salida única, y una sustancia
H1 + gh1 +
1
2
v1
2
F1 − H2 + gh2 +
1
2
v2
2
F2 + Q − W = 0
• Balance de energía con entrada y salida única, y múltiples sustancias
෍
S=1
S
Hs
2
+ gh2 +
1
2
v2
2
Fs
2
− Hs
1
+ gh1 +
1
2
v1
2
Fs
1
= Q − W

27. Balance de Energía
• Balance de energía con múltiples entradas y salidas, y una sustancia
෍
k=1
K
Hk + ghk +
1
2
vk
2
Fk − ෍
j=1
J
Hj + ghj +
1
2
vj
2
Fj = Q − W
• Balance de energía con múltiples entradas y salidas, y múltiples sustancias
෍
s=1
S
෍
k=1
K
Hs
k
+ ghk +
1
2
vk
2
Fs
k
− ෍
j=1
J
Hs
j
+ ghj +
1
2
vj
2
Fs
j
= Q − W

28. Balance de Energía
Balance de energía para procesos con varias corrientes
Se tiene la ecuación general del balance de energía para sistemas en estado estable,
sin acumulación, con cambios de energía potencial y cinética, múltiples entradas y
salidas, y múltiples reacciones químicas.
Q − W = ෍
s=1
S
෍
k=1
K
Ns
k Hs
k − Hs
r − ෍
j=1
J
Ns
j
Hs
j
− Hs
r + ෍
i=1
R
ri∆Hri(rr)
Se debe tomar en cuenta que, el análisis de los grados de libertad debe hacerse por
unidad, para el proceso y para el balance global.

29. Conclusión
El estudio y análisis del balance de la materia y del balance con respecto a la energía,
nos permite los recursos y conocimientos esenciales para poder cumplir con la ley de
la conservación de la masa, y a su vez también, con la ley de la conservación de la
energía. Principalmente, en procesos en estado estacionario, bien sea que operen con
sólo una corriente, o también con varias, incluso, con reacciones químicas; y en el
caso de la energía, para sistemas abiertos o cerrados, recordando que la ley de la
conservación de la energía nos dice que ésta puede transformarse, sin embargo, puedo
hacerlo en distintos tipos.