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BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
Tema 1: BALANCES DE MASA
Clase 1:
• Preliminares: INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN
INGENIERÍA QUÍMICA (dimensiones y unidades de
conversión, variables del proceso).
Clase 2
• Fundamentos de los balances de masa. Clasificación de los
procesos.
• Balances: cálculos de balances de masa,
• Balances en procesos de múltiples unidades
Clase 3
• Balances para sistemas reactivos. Reacciones de combustión
• recirculación" purga, y derivación.
Clase 4
• Aplicaciones con herramientas computacionales. Taller

Tema 2: Sistemas Monofasicos
(GASES, VAPORES, LIQUIDOS y
SÓLIDOS) (Clase 5)
• Sistemas de una Sola Fase. Densidad en Líquidos
y Sólidos. Gases Ideales. Gases Reales. Presión de
Vapor y Líquidos. Saturación.
Clase 6 y 7: Sistemas Multifásicos
Clase 8: Taller (30%)

Tema 3: BALANCES DE ENERGIA (Clase 9 y 10)
• Formas de energía: la primera ley de la termodinámica, energía
cinética y energía potencial. Balances de energía para sistemas
cerrados y sistemas abiertos en régimen permanente.
• Empleo de tablas termodinámicas.
• Procedimiento de balance de energía.
• Balances de energía mecánica.
• Balances en procesos no reactivos.
• Propiedades de estado.
• Cambios de presión a temperatura constante.
• Cambios en la temperatura. Calores de reacción. Ley de Hess.
• Reacciones de formación y calores de formación.
• Calores de combustión.
• Balances en procesos reactivos.
• Combustibles y combustión.
• Aplicaciones con herramientas computacionales

Clase 11 :
Clase 12: Taller (30%)

BALANCE DE MATERIA con REACCIONES
QUÍMICAS
A
F1
F2
F3
Múltiples
etapas
Una
etapa
+ B C

Tema 4. Procesos Reactivos
REACTIVO LIMITANTE:
Es el reactivo que se agota primero; si la reacción ocurre
por completo.
Es aquel reactivo que se encuentra en menor proporción
estequiométrica
REACTIVO EN EXCESO:
Se encuentra en mayor proporción que la estequiométrica
respecto al reactivo limitante.
Repaso de algunos conceptos

CANTIDAD TEÓRICA:
Es la cantidad necesaria de un reactivo para
hacer que reaccione completamente TODO EL
REACTIVO LIMITANTE en la reacción principal.
No depende del Grado de Conversión.

100



cos
teóri
i
reactivo
cos
teóri
i
reactivo
entados
lim
a
i
reactivo
i
reactivo
n
n
n
Exceso
%
PORCENTAJE EN EXCESO
Es la RELACIÓN PORCENTUAL entre la
cantidad en exceso de un reactivo y la cantidad
teórica de este reactivo.

GRADO DE CONVERSIÓN:
Es la relación entre la cantidad de reactivo
consumido en la reacción y la cantidad
alimentada de éste.
RENDIMIENTO DE UNA REACCION
Es una relación que permite visualizar el
alcance de la reacción en cuanto a la
cantidad de productos obtenida.
100
n
n
Conversión
%
entado
lim
a
reactivo
consumido
reactivo
i
reactivo 


Más definiciones
100


teórico
producto
obtenido
producto
n
n
ndmiento
Re
%
undario
sec
B
producto
principal
A
producto
n
n
B
A
ad
Selectivid 

Tabla de Balance de Materia
Los Balances de Materia pueden ser presentados en una Tabla
que podría tener siguiente forma:
N° SUSTANCIA
ENTRADA – CONSUMO + GENERACION - SALIDA = ACUMULACIÓN
X1iF1 + . . . - Ci + Gii – Xm+1iFm+1 – ... = Ai
1 A =
.
.
.
.
.
.
m Total
Tema 3. Procesos no Reactivos

Ejercicio:
2.- Se Tiene un Horno en que se lleva a cabo la siguiente
reacción:
Fe2O3 (S) + C(S) Fe (S) + CO (g)
Se mezcla 1000 Lbm de carbón (Coque) con 2000 Lbm de
Óxido de Hierro (III). Reacciona el 85% del reactivo limitante.
Realice:
a) Diagrama de flujo del proceso
a) el análisis de los GRADOS DE LIBERTAD y
b) encuentre la composición y el flujo másico de las corriente
sólida y gaseosa que salen del proceso.

Fe2O3 (S) + 3 C(S) 2 Fe (S) + 3 CO (g)
Proporción relativa = moles alimentados
c.e
< R.L
Grado de avance = α
Relación de moles
consumidos en una
reacción
RELACIONES SUMINISTRADAS:
85% DE CONVERSIÓN DEL RL
Grado de avance = α = 10,64 lbmol
Moles consumidos de R.E = moles i de R.L * F.E 0 31,92Lbmol de Carbono
O por moles cons C= 3* α = 31,92 lbmol.

Reacciones Múltiples
C6H6 + Cl2  C6H5Cl + HCl
CONSECUTIVAS ó EN SERIE
C6H5Cl + Cl2  C6H4Cl2 + HCl
C6H4Cl2 + Cl2  C6H3Cl3 + HCl

Reacciones Múltiples
C2H6 + 4 O2  2 CO2 + 3 H2O
SIMULTÁNEAS ó EN PARALELO
2 C2H6 + O2  (C2H4)2O+ 2 H2

BALANCES DE MATERIA
EN PROCESOS DE
COMBUSTIÓN

Combustión
Tema 5. Combustión
C2H6 + 4 O2  2 CO2 + 3 H2O
Es una reacción violenta de oxidación entre un
COMBUSTIBLE y OXÍGENO, y cuya finalidad principal es la
obtención de ENERGÍA EN FORMA DE CALOR (Q).
COMBUSTIBLE (C,H) + O2 Q + CO2 + H2O

Y como
FLUIDO DE CALENTAMIENTO
equipos
Transferencia de calor
(Condensadores, Tanques, Rehervidores y etc.).
usa
OPERACIÓN DE TURBINAS
(GENERADORES DE ELECTRICIDAD)
CALOR
aprovechado (calderas)
PRODUCCIÓN DE VAPOR DE AGUA,
Combustión
Tema 5. Combustión

Combustible
Tema 5. Combustión
Son SUSTANCIAS
que, por lo general, son de
ORIGEN FÓSIL
compuestas por Carbono(C) e Hidrógeno(H),
aunque pueden contener
otras sustancias Oxígeno(O), Azufre(S) y Nitrógeno(N).

Tipos de Combustible
SÓLIDOS
Una Mezcla
de:
Carbono, Agua,
ceniza no
combustible,
Hidrocarburos y
Azufre
Carbón de Hulla Desperdicios
COMPOSICIÓN
VARIADA
Tema 5. Combustión
Coque
(carbón)

Líquidos
Tema 5. Combustión
• Gasolina
Destilados de Petróleo • Gasoil
• Kerosene
Alcoholes Alcohol Metilico (CH3OH)
Alquitrán y Aceites
Una Mezcla de:
Hidrocarburos Pesados y
algo de azufre

Gaseosos
Tema 5. Combustión
Gas Natural Hidrocarburos
Ligeros
(compuestos orgánicos)
Una Mezcla de:
80-95% CH4, C2H6,
C3H8, C4H10,C5H12,
C6H14, C7H16, N2, CO2.
Hidrógeno y
Acetileno
(C2H2)

Química de la Combustión
+  +
La reacción de combustión es una oxidación donde:
• El Carbono enlazado (C-) se oxida para formar:
- Dióxido de Carbono (CO2)
- Monóxido de Carbono (CO)
• El Hidrógeno enlazado (H-) se oxida para formar Agua (H2O)
• El Azufre enlazado (S-) se oxida para formar Anhídrido
Sulfuroso (SO2)
Tema 5. Combustión

Combustión Completa
• Todo el Carbono enlazado (C-) que reacciona forma:
Dióxido de Carbono (CO2) .
• Esta reacción es la Reacción Principal pues genera la
mayor cantidad de Energía.
• El carbono pasa a su máximo estado de oxidación(+4).
Tema 5. Combustión
CnHm + (n + ) O2  n CO2 + H2O
4
m
2
m

Combustión Incompleta
• Todo el Carbono enlazado (C-) que reacciona forma:
Monóxido de Carbono (CO) .
• Esta reacción es la Reacción Secundaria pues genera
la menor cantidad de Energía.
• El carbono pasa a un estado de oxidación intermedio (+2).
Tema 5. Combustión
CnHm + ( + ) O2  n CO + H2O
4
m
2
n
2
m

C2H6 + O2  2 CO + 3 H2O
2
7
Ejemplos de Reacciones
de Combustión
Combustión Completa
Tema 5. Combustión
C + O2  CO2
C + O2  CO
2
1
Combustión Incompleta
Combustión del Etano
C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O
2
5 Completa
Incompleta

C2H6 + O2  2 CO + 3 H2O
Condiciones que favorecen las
Reacciones de Combustión
Tema 5. Combustión
Combustión del Etano
C2H6 + O2  2 CO2 + 3 H2O Completa
Incompleta
Favorcer 1ª reacción
Proporciones reacciones:
Relación masa o moles entre el Combustible y el oxígeno
Poco O2 ------------------------- CO o combustible no reacciona
Exceso de O2 ----------------- no reacciona
Exceso adecuado -------------favorece la combustión completa
alimentarse en proporciones adecuadas
7/2
5/2

Tema 5. Combustión
Fuente de Oxígeno
El oxígeno se obtiene de Aire
Aire
Es un mezcla de gases constituida por nitrógeno (N2) y
oxígeno (O2) como elemento básico (99 %) y el resto
como gases nobles, vapor de Agua , Dióxido de Carbono
y partículas.

Tema 5. Combustión
Composición del Aire
Sustancia % (v/v)
Nitrógeno (N2) 78,08 %
Oxígeno (O2) 20,95 %
Argón (Ar) 0,93 %
Anhídrido Carbónico (CO2) 0,03 %
Neón (Ne) 0,018 %
Helio (He) 0,005 %
Criptón (Kr) 0,001 %
Hidrógeno (H2) 0,00006 %
Ozono (O3) 0,00004 %
Xenón (Xe) 0,000008 %

Tema 5. Combustión
Composición del Aire
21%
79%

Tema 5. Combustión
Términos Importantes
Gas de Chimenea
Son todos los gases que provienen
del proceso de combustión,
incluyendo el vapor de agua: H2O,
CO, CO2, N2, O2 , combustible sin
reaccionar (gas) y otros.
También Llamado:
Gas de Combustión
Gas de Salida,
Gas residual
Gas de Emisión

Tema 5. Combustión
Composición en Base Húmeda
Es la composición del gas de chimenea con todos sus
componentes (incluyendo el agua).
Composición en Base Seca
Es la composición del gas de chimenea exceptuando el
Agua es decir, en una base libre de agua.
También llamada: ANALISIS ORSAT

Tema 5. Combustión
Análisis Orsat
Es un procedimiento de análisis
mediante el cual se recoge una
muestra gaseosa en diferentes
soluciones acuosas que absorben
todos los componentes del mismo.
Como se recogen sobre soluciones
acuosas es imposible determinar la
cantidad de agua por este método.

Tema 5. Combustión
Oxígeno Teórico
Es la cantidad de oxígeno requerida para que: Se consuma
TODO el combustible en la reacción de Combustión
Completa.
Aire Teórico
Es la cantidad de Aire que contiene el Oxígeno Teórico.
Exceso de Aire (o Exceso de Oxígeno)
Es la cantidad de aire o de oxígeno que excede la cantidad
teórica o requerida.

Tema 5. Combustión
Diagrama de flujo para una unidad de
combustión
Cámara de Combustión
Combustible
C,H
Agente oxidante
Residuos no
combustibles
Gases procedentes
de la combustión

Ejercicio (combustión)
Se alimentan C2H6 a una unidad de combustión en la relación
2:10, la fuente de oxígeno es el aire. Se van a procesar 250
moles de etano. En el reactor se dan las siguientes reacciones
C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3H2O
C2H6 +5/2 2 CO + 3 H2O
Calcular:
a) Cantidad teórica de Oxígeno
b) Cantidad teórica de aire
c) Porcentaje de exceso de oxígeno
d) Porcentaje de exceso de aire

Ejercicio 2 (combustión)
Se tiene una mezcla de combustible gaseoso cuya composición
es de 40% C2H6, 20% C3H8 y 40% de H2. El etano reacciona
según combustion completa. El 95% del propano reacciona por
combustión completa y el 95% por combustión incompleta y el
hidrogeno reacciona completamente. Se utiliza un 70% de
exceso de aire y se procesan 500 moles/hora de combustible.
Realice:
a) El análisis de los grados de libertad
b) Cálculos para determinar el flujo y la composición en base
seca del gas de chimenea

Ejercicio (combustión)
Solución:
Cámara de
combustión
C2H6, 40% , XC2H6 = 0,40
C3H8, 20%, XC3H8 = 0,20
H2 , 40% , XH2 = 0,40
F1
F2
N2 79% , Xn2 = 0,79
O2 21% , XO2 = 0,21
70% exceso de
AIRE
AIRE
F3
CO2
H2O
O2
N2
CO

Balances Elementales
Alguna composición
del sistema
No: información completa
de estequiometría
Fracciones de conversión
reacciones
Uso: sistemas procesan FÓSILES
materiales contienen
Hidrocaburos (restos orgánicos plantas y animales)
composición molar difícil conocer

atg de ese mismo elemento
PROCESO
atg de un elemento
Plantear B.E utilizar estequiometría interna del compuesto
Nº ATG e k = Nº moles del compuesto x Co e K
Donde:
Nº ATG e k = número de átomos gramos del elemento e en el compuesto K
Co e K = coeficiente estequiométrico del elemento e en el compuesto K

Combinando ecuaciones anteriores
NºTotal de átomos de un elemento en una corriente es:
Nº ATG e Fi = ∑Xi k * Fi* Co e K
m
i =1
Ley de Conservación de la materia:
Generación y consumo =0
Cantidad de moles de un
compuesto K en la corriente i

Ejercicio: Balances Elementales
Se quema un aceite combustible que tan solo contiene carbono
e hidrogeno. El análisis de Orsat de los gases de combustión es
11,0% de CO2, 0,3% de CO, 5,0% de O2 , 83,7% de N2.
Realice:
a) Análisis de los grados de libertad del proceso
b) Sistema de ecuaciones de balance de materia y resuélvalo
para encontrar la formula empírica del aceite.
c) Cálculos necesarios para determinar ¿cuál es el porcentaje de
exceso de aire utilizado?
d) Composición en base húmeda.

Ejercicio 2 : Balances Elementales
Los gases de chimenea de un aceite combustible formado
por C, H y O quemados con un 20% de oxígeno produce un
gas de combustión cuya composición en base seca es 5,50%
de CO2, 1,0% de CO, 2,6% de O2 y el resto es N2.
Realice:
a) Análisis de los grados de libertad del proceso
b) Sistema de ecuaciones de balance de materia y resuélvalo
para encontrar el % en peso de cada uno de los elementos
presentes en el aceite combustible.

CONFIGURACIONES
ESPECIALES
Corrientes de Recirculación
Divisor y Purgado
Corrientes de Desviación

Recirculación
Implica regresar el material desde un PUNTO que se
encuentra una o varias ETAPAS después de la UNIDAD
de PROCESO a:
Configuraciones Especiales
1.- La misma UNIDAD DE PROCESO
Unidad
d
Proceso
Unidad
de
separación
Recirculación

Unidad
de
Proceso
Unidad de
separación
Recirculación
Punto de
mezclado
2.- Un punto anterior a la UNIDAD donde se mezcla con la
alimentación original.
Recirculación

Este tipo de corrientes no agrega ninguna consideración
adicional para resolver los problemas de Balance de
Materia solo que el proceso opera en
ESTADO ESTACIONARIO,
Acumulación = 0
los Flujos de Recirculación son constantes.
Tema 6. Configuraciones Especiales

Nomenclatura
Unidad
de
Proceso
separador
F2
F1
Alimentación Fresca
Alimentación al Proceso
R
Recirculación
Alimentación Combinada
Alimentación a la Unidad de Proceso
Mezclador

¿Por Qué Recircular?

PROCESAR REACTIVOS NO CONSUMIDOS

Recirculación
en Procesos Reactivos
PROCESAR REACTIVOS NO CONSUMIDOS
Aumentar la CONVERSIÓN de los reactivos en el proceso.
Los reactivos no consumidos son separados de los
productos y alimentados nuevamente al Reactor.
Reactivos no consumidos
Reactor Separador
Productos
Reactivos
Frescos

Conversión por Etapa
Reactor Separador
Productos
Reactivos
Frescos
Reactivos
alimentados
Reactor
100


REACTOR
al
entado
lim
a
reactivo
REACTOR
el
en
consumido
reactivo
i
reactivo
n
n
Etapa
por
Conversión
%
Es la conversión de un reactivo, referida a la cantidad que se
alimenta de éste al REACTOR, ETAPA ó UNIDAD DE
PROCESO donde ocurre la reacción química.
También llamada Conversión por PASO o Conversión en el
REACTOR .

Conversión Global
Reactor Separador
Productos
Reactivos
Frescos
Reactivos
alimentados
Reactor
100


)
FRESCOS
(
PROCESO
entado
lim
a
reactivo
PROCESO
el
en
consumido
reactivo
i
reactivo
n
n
Global
Conversión
%
Es la conversión de un reactivo referido a lo que se
Alimenta de éste al Proceso, es decir,
el que se encuentra en la Alimentación Fresca.

Comparación de las
Conversiones
Si se logran separar todos los reactivos de los
productos (Eficiencia de Separación =100%):
% Conversión en el reactor < % Conversión Global = 100%
Si se no se logran separar todos los reactivos de los
productos (Eficiencia de Separación <100%):
% Conversión en el reactor < % Conversión Global < 100%

RECUPERACIÓN DE CATALIZADORES
En procesos con reacciones
químicas que utilizan
catalizadores y éstos salen
con los productos, en una
etapa posterior se separan
de los productos y/o se
regeneran y se recirculan al
reactor para ser reutilizados.

Otras razones para recircular
en procesos reactivos
CONTROL SOBRE LAS REACCIONES SECUNDARIAS
Si se recicla uno de los reactivos de manera que siempre
este en exceso se pueden controlar las reacciones
secundarias favoreciendo la reacción principal.

Recirculación en
Procesos NO Reactivos
REUTILIZACIÓN DE SOLVENTES
Si el proceso se lleva a cabo en un diluyente (solvente),
una vez ocurrido el mismo se separan los productos del
solvente y éste se recicla para su reutilización.
Ejemplos:
• Absorción de Gases, Recirculación del
Absorbente
• Extracción de Aceites con Hexano,
Recirculación del Hexano.

Recirculación
en Procesos NO Reactivos
FACILITAR EL MANEJO DE UN MATERIAL
Generalmente en los procesos que implican FILTRACIÓN
y manejo de LODOS, se recicla el filtrado para diluir los
LODOS de tal forma de hacerlos más fluidos, facilitando
así su transporte por tuberías a través de Bombas.
Ejemplos
• Cristalización, Recirculación del filtrado.

Ejercicio
Se desea desalinizar agua de mar a través de un proceso de
Osmosis inversa (es una especie de filtración). Utilizando los
datos que se muestran en la figura, calcule.
a)El flujo del salmuera (B) en ton/día
b) El flujo de agua desalinizada (D) en ton/día
c) El flujo de recirculación de la Salmuera (R) en ton/día
Celda de
Ósmosis
Inversa
D
R: recirculación de la salmuera
850 Ton/día
Agua de Mar
3% de Sal
4% de Sal
Salmuera
5,25% de Sal

Divisor y Purgado
La PURGA es un flujo que se utiliza para eliminar alguna
forma sustancias INERTES o INDESEABLES que de no
hacerlo se acumularían en el Flujo de RECIRCULACIÓN.
Generalmente esto sucede cuando los reactivos no
consumidos ya separados de los productos contienen inertes
que son de difícil separación y que no salen del proceso en
ningún otro Flujo.
El Flujo de PURGADO asegura que la misma cantidad de
inertes que entran al proceso sean retirados de este.

Purgado
F1
F4
Unidad
de
Proceso
Separador
R
Flujo de Purgado
Alimentación fresca
•Reactivos
•Inertes
• PRODUCTOS
+
•Reactivos NC
• Inertes
• Producto FINAL
Recirculación:
•Reactivos NC
• Inertes
• Reactivos NC
• Inertes
P
DIVISOR DE
FLUJO
Alimentación Combinada
•Reactivos
• Inertes

¿Qué pasa con
la Conversión Global ?
En este tipo de procesos:
% Conversión en el reactor < % Conversión Global < 100%
La conversión Global nunca será 100%

Divisor
Este equipo permite hacer la
purga o derivación
Divide la corriente en dos , pero
no separa los componentes y
por tanto:
• Las composiciones de todas las
corrientes que participan son
iguales.( se comporta como si
tuviese un solo componente)
• Máximo, se puede realizar un
Balance de materia
Independiente.
F1
F2 F3

Divisor
F1
F2 F3
BALANCE DE MATERIA:
Nº Is= igual + Re
Nº Ciconocidas en un solo flujo
Re= restricción en el divisor
Re= (s-1)* (M-1)
Donde: S = numero de sustancias
M= numero de subdivisiones

Corrientes de Desviación

Desviación o By Pass
Es un flujo que pasa por alto una o más etapas del
Proceso y llega directamente a una Etapa posterior.
Unidad
de
Proceso
Separador
Material Desviado
Productos
Material
Fresco
DIVISOR DE
FLUJO

¿Por Qué Desviar una
corriente?

Mejorar las características de un producto
Si se desea restituirle al producto algunas características
de la materia prima que son importantes para el producto
final y que se pierden durante el procesamiento tales
como sabor y olor (ejemplo: pasteurización de jugos).
Unidad
de
proceso
Separador
Material Desviado
Productos
Material
Frescos
DERIVACIÓN

Disminuir la conversión
Si la conversión para cada reactivo a producto es mayor
que la deseada y las reacciones son irreversibles, se
derivan o desvían parte de los reactivos para disminuir la
conversión global
Ractor
Separador
Reactivos Desviados
Productos
Reactivos
Frescos
% Conversión Global < % Conversión en el reactor

Ejercicio
Cierta industria que fabrica mermelada utiliza un proceso
que incluye una corriente de derivación con el objeto de
mejorar el sabor de la mermelada. La mermelada elaborada
debe contener una cuarta parte del agua y el resto partes
iguales de sólidos de fresa y azúcar. La corriente que sale
del evaporador no debe contener mas del 50% de azúcar. Se
deben producir 1000kg/día de mermelada de fresa.
Realice el análisis de los grados de libertad.
Plantee el sistema de ecuaciones y calcule los flujos de
cada una de las corrientes del proceso.

Ejercicio
Evaporador
Mezclador
F2 Derivación
Mermelada
Agua 25%
Azúcar
Sólidos de fresas
1000kg/día
Fresas
Sólidos de fresas 15%
Agua 85%
azúcar
agua
Azúcar
50%
Mezclador
F1
F4
F3 F5
F6
F7
F8

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