Balance de Materia y Energía en Procesos en Estado Estacionario y no Estacionario, Definición de términos básicos, Balance de Materia en Estado Estacionario, Balance de Energía

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del poder popular para la educación
Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Barcelona- Edo Anzoátegui
Ingeniería Industrial
Balance de Materia y Energía en
Procesos en Estado Estacionario y
no Estacionario
Bachiller: Naymarys Marcano
V26.971.208
Barcelona 05 de Noviembre de 2020.

2. Índice
 Definición de términos básicos: conservación de 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 químicos.
 Balance de materia en estado estacionario: estado
estacionario con procesos que operan con una sola
corriente y procesos que operan con varias corrientes,
derivación, recirculación y purga , con reacciones
química.
 Balance de energía: para sistemas abiertos, cerrados,
para procesos con una sola corriente y procesos que
operan con varias corrientes.

3. Introducción
En la siguiente presentación primeramente se
estarán definiendo los términos básicos que son
necesarios para lograr un mejor entendimiento
con respecto al tema principal que lleva por titulo:
Balance de Materia y Energía en Procesos en
Estado Estacionario y no Estacionario,
Seguido de eso se investigara: Balance de
Materia en Estado Estacionario y balance de
Energía.

4. Definición de Términos Básicos
Conservación de la masa
Ley de Lavoisier o ley de la conservación de la masa
“La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.
En una reacción química la suma de la masa de los
reactivos es igual a la suma de la masa de los
productos.

5. Relaciones de Masa y Volumen en las
Reacciones Químicas
La magnitud física que relaciona la masa de un cuerpo
contenida en determinado volumen se denomina densidad.
Se define la densidad como la masa contenida en una
unidad de volumen, es decir, la relación que existe entre la
masa de un cuerpo y el volumen que ésta ocupa.
Fórmula de densidad D :
D = M/V
Dónde :
D = densidad = g/cm3 ; Kg/m3
m = masa = gramos ; kilogramos
V = volumen = cm3 ; m3 ; Lts

6. Ley de los Gases Ideales
Gas ideal
Es el comportamiento que presentan aquellos gases
cuyas moléculas no interactúan entre si y se mueven
aleatoriamente. En condiciones normales y en
condiciones estándar, la mayoría de los gases presentan
comportamiento de gases ideales.
Ley general del gas ideal
Cuando estas leyes se combinan en una sola ecuación,
se obtiene la denominada ecuación general de los gases
ideales:
P V = n R T

7. Donde la nueva constante de
proporcionalidad se
denomina R, constante universal
de los gases ideales, que tiene
el mismo valor para todas las
sustancias gaseosas. El valor
numérico de R dependerá de las
unidades en las que se trabajen
las otras propiedades, P, V, T y
n. En consecuencia, debemos
tener cuidado al elegir el valor
de R que corresponda a los
cálculos que estemos
realizando, así tenemos:
Valor de
R
Unidades
0,082
8,314
1,987

8. 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 Avogadro V / n = constante
Los gases tienen un comportamiento ideal cuando se
encuentran a bajas presiones y temperaturas
moderadas, en las cuales se mueven lo suficientemente
alejadas unas de otras, de modo que se puede considerar
que sus moléculas no interactúan entre si (no hay
acción de las fuerzas intermoleculares).

9. Unidades Molares
Unidad de medida del Sistema Internacional de Unidades para
expresar la relación constante entre la masa y la cantidad de
sustancia que caracteriza a toda muestra de sustancia, su
símbolo es:
M(X)
La M(X) se nombra masa molar debido a que en el Sistema
Internacional de Unidades, para indicar el cociente entre una
magnitud extensiva (volumen, energía, entalpía, entropía,
masa, etc) y la magnitud n, utiliza el adjetivo molar (volumen
molar, energía molar, entalpía molar, entropía molar, masa
molar, etc.).

10. Símbolo Nombre
Kg/mol
o
Kg.mol-1
kilogramo por mole
o
kilogramo mole a la menos uno
g/mol
o
g mol-1
gramo por mole
o
gramo mole a la menos uno
Esta magnitud tiene el mismo valor numérico que la masa
molecular de dicha partícula, pero en vez de expresarse en
unidad de masa atómica (uma) se expresa en gramo por
mole.
Se expresa así la cantidad de la magnitud extensiva,
correspondiente a una cantidad unitaria de sustancia o de
partículas. Una cantidad unitaria de sustancia puede ser 1
mol, o 1 kmol, o 1 Mmol, o 1 mmol, o 1 lbmol, etc.
Los múltiplos más utilizados de esta unidad de medida
son los siguientes:

11. Exceso de Reactivos
Será aquel que no se agote por completo durante la
reacción. La cantidad de producto que se obtenga de la
reacción, dependerá siempre de la cantidad de reactivo
limitante que se tenga en la reacción.
Por ejemplo, si tenemos 5 moles de Sodio pero solo dos
mol de cloro diatónico. Se pueden formar solo dos moles
de cloruro de sodio y sobrarían 7 moles de sodio.

12. Grado de Conversión
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:
Xa=(mol entran - mol salen)/mol entran

13. Porcentajes de Composición
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. Se obtiene por análisis gravimétrico y conociendo los
pesos atómicos de los compuestos puede determinarse su
fórmula empírica o molecular.
También se obtiene a partir de la fórmula molecular del
compuesto, ya que ésta nos indica el número
de átomos de cada elemento presentes en el compuesto.
Forma parte de los cálculos estequiométricos, y fue de
gran importancia en la Historia de la química para la
determinación de los pesos atómicos y moleculares.

14. Composición Porcentual y fórmulas de compuesto: Si se
conoce la fórmula de un compuesto, su composición
química se puede expresar como porcentaje de masa de
cada elemento en el compuesto.

15. Densidad y Peso Específico
EL peso específico es el vínculo existente entre el
peso de una cierta sustancia y el volumen
correspondiente. Puede expresarse en newton sobre
metro cúbico (en el Sistema Internacional) o
en kilopondios sobre metro cúbico (en el Sistema
Técnico)
El peso específico, por lo tanto, es el peso de una
sustancia por unidad de volumen.
La densidad, por otra parte, se refiere a la masa de
una sustancia por unidad de volumen y se obtiene a
través de la división de una masa conocida del
material en cuestión por su volumen.

16. Si bien la densidad y el peso específico son conceptos
diferentes, tienen una estrecha relación entre sí.
Por ejemplo, si tomamos la fórmula del peso de un cuerpo (P
= m . g, masa por aceleración de la gravedad) y la usamos
para sustituir la variable p en la fórmula de peso específico
(Pe = p / V, peso sobre volumen), obtenemos lo
siguiente: Pe = m.g / V. Esto también puede expresarse
como Pe = m/V . g y, dado que la densidad es la masa sobre
el volumen, puede concluirse que el peso específico es igual
a la densidad multiplicada por la aceleración de la
gravedad: Pe = d . g.

17. TIPOS DE PROCESOS QUÍMICOS
Un proceso químico es un método o procedimiento para
cambiar uno o más compuestos químicos.
Entre los tipos de procesos químicos, tenemos los
siguientes:
Isotérmico
El proceso químico ocurre a temperatura
constante, y además la energía interna del
sistema permanece constante.
Isobárico
El proceso químico se realiza a
presión constante.

18. Adiabático
El proceso químico 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.
Isocórico o isovolumétrico
El proceso químico se realiza a volumen
constante.
Cíclico
El proceso químico está formado por
varios pasos intermedios, al final de los
cuales se regresa al estado inicial.

19. 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.
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.

20. Balance de Materia en Estado
Estacionario
Balances de materia en régimen estacionario
(operaciones continuas)
Muchos procesos se basan en operaciones continuas, que
funcionan en régimen estacionario (las variables no
dependen del tiempo). En régimen estacionario se anula el
primer miembro (acumulación) de las ecuaciones y ,
quedando:
Si el balance se realiza de un tipo de átomos, la ecuación
de componentes, se simplifica a:

21. Balances de Materia en Régimen no Estacionario
(Operaciones Discontinuas)
Algunos procesos industriales están basados en
operaciones discontinuas, que funcionan en régimen
no estacionario (las variables dependen del tiempo,
variando desde un valor inicial hasta uno final). Muchas
veces, no hay corrientes de entrada ni de salida, por lo
que las ecuaciones y se simplifican a:

22. Derivación, Recirculación y Purga
Derivación (“bypass”)
Corriente que se ha desviado de la principal para evitar
que sufra una o más etapas de un proceso, llegando
directamente a una etapa posterior para obtener una
composición final deseada se efectúa un balance
alrededor de todo el sistema y un balance en el punto de
mezcla.

23. Recirculación (“recycle”)
Corriente que se devuelve a la corriente de alimentación
como resultado de una separación efectuada en la corriente
de salida de un proceso para aprovechar disolventes
valiosos o aumentar la conversión de reacciones
reversibles se efectúa un balance alrededor de todo el
sistema, alrededor de cada bloque y en el punto de mezcla.

24. Purga (“purge”)
Corriente desviada de una recirculación hacia el exterior
del sistema, con objeto de eliminar ciertas sustancias que
de otra manera se acumularían en el interior del sistema se
efectúa un balance alrededor de todo el sistema, alrededor
de cada bloque, en el punto de mezcla y en el de
extracción de la purga.

25. Reacciones Químicas
Generalmente no se utilizan cantidades estequiométricos
en los procesos químicos, lo que hace necesarias
algunas definiciones:
Reactivo limitante: Reactivo que está presente en la
menor cantidad estequiométricos, es decir, aquél que
desaparecería en primer lugar si la reacción se llevara a
cabo hasta su término.
Reactivo en exceso: Reactivo que está presente en
cantidad superior a la necesaria para reaccionar con el
reactivo limitante.
Conversión: Fracción de un compuesto alimentado
que reacciona.
Matemáticamente:

26. De esta definición se desprende que:
La reacción de combustión
Combustión: Reacción rápida de un combustible con oxígeno.
Los productos de reacción no son valiosos, pero sí lo es la
producción de calor.
Combustibles: Carbono o hidrocarburos (sólidos, líquidos o
gaseosos), que producen como gases de combustión CO2 y
H2O.
Comburente: Aire (fuente de oxígeno), que se suministra
siempre en exceso y se considera con una composición de 21%
O2 y 79% N2.

27. Oxígeno teórico: Cantidad molar necesaria para una
combustión estequiométricos completa de un combustible
(Ca CO2 y H a H2O).
Aire teórico: Cantidad de aire que contiene el oxígeno
teórico.
Aire en exceso: Cantidad de aire alimentada por encima del
valor teórico; suele expresarse como porcentaje de aire en
exceso.
Expresión de la composición de los gases de
combustión:
Base húmeda: Composición de los gases, incluido su
contenido en agua, tal como salen de la unidad de
combustión.
Base seca: Composición de los gases, excluido su
contenido en agua, tal como se expresan en las técnicas de
análisis usuales.

28. Balance de Energía
Balance de Energía en Sistemas Cerrados
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.

29. Un sistema será abierto o cerrado según la masa pueda o
no atravesar los límites del mismo durante el período de
tiempo en que se plantea el balance de energía. Por
definición, un proceso batch o por lotes es cerrado mientras
que un semibatch o un proceso continuo son abiertos.
El balance integral de un sistema cerrado debe ser
planteado entre dos instantes de tiempo. Como la energía
no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o
consumo no tienen sentido, llegando a:
Acumulación = entrada - salida

30. Cuando planteamos los balances de masa en un sistema
cerrado los términos de entrada y salida de materia se
cancelaban ya que no había cruce de masa en las
fronteras del sistema.
Sin embargo, en un sistema cerrado, la energía puede ser
transferida en los límites del sistema como calor o trabajo,
por lo tanto, los términos anteriores de entrada y salida no
pueden eliminarse (sí se eliminan los términos de
entrada/salida de energía transportada por el fluido dentro
o fuera del sistema)
Energía final del sistema - Energía inicial del
sistema = Energía neta transferida al
sistema (entrada - salida)

31. Energía inicial del sistema = Ui + Eci + EPi
Energía final del sistema = Uf + Ecf + EPf
Energía transferida = Q + W
Donde los subíndices i y f se refieren a los estados inicial o
final del sistema, U, Ek, Ep, Q y W representan energía
interna, energía cinética, energía potencial, calor transferido
al sistema por los alrededores y trabajo realizado por los
alrededores sobre el sistema.

32. Reagrupando llegamos a:
(Uf - Ui) + (Ecf – Eci) + (Epf - Epi) = Q + W
ó si empleamos el símbolo Δ para significar (final - inicial):
ΔU + ΔEc + ΔEp = Q+W
La última ecuación es conocida como la Primera Ley de la
Termodinámica para sistemas cerrados.

33. Balance de Energía en Sistemas Abiertos
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. 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).

34. 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

35. 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).

36. CONCLUSIONES
 Con el conocimiento de los términos básicos se obtiene
un conocimiento preciso y según el contexto a los conceptos
principales, expresiones o variables involucradas en la
presentación
 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.
 Los balances energía 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.