1. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN
PROCESOS EN ESTADO ESTACIONARIO
Y NO ESTACIONARIO
Presentado por: Pablo C. Ochoa Rodríguez
CI. 12155112
Asignatura: Ingeniería QuímicaDocente:
Ing. Miriam Rodríguez
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
AMPLIACIÓN BARCELONA
INGENIERIA INDUSTRIAL

2. ÍNDICE
Descripción Página
Introducción 3
Denominación de términos a definir 4
Relaciones estequiométricas 6
Mol 7
Relaciones de volumen en las reacciones químicas, cálculos estequiométricos 9
Relaciones de volumen en las reacciones químicas 14
Exceso de reactivos 16
Grado de conversión 17
Porcentajes de composición 18
Densidad y Peso Específico 19
Balance de Materia en Estado Estacionario 20
Ley de los Gases Ideales 21
Tipos de procesos 26
Balance de materia en estado estacionario 27
La energía total de un sistema corresponde a la sumatoria de tres tipos de energía: 28
Fundamentos de los balance de materia (BM) 31
Balance de Masas, deben contener: 34
Recirculación, purga y by pass con reacciones químicas 35
Posibles estrategias para plantear los balances de manera secuencial 36
Balances de energía 37
Conclusiones 39

3. INTRODUCCION
Los Balances de materia y de energía, constituyen, una de las
herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos
para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado
proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo
integran.
Son contabilidades de entradas y salidas de materiales y energías de un
proceso o de una parte de este. Son importantes para el diseño de los
aparatos que se emplean y para calcular su costo; para la generación de
cualquier producto, requerido tanto para la vida diaria, como para la
científica, la comercial y el sistema de relacionamiento mundial .
Constituyen un método matemático sustentados en las leyes de la
conservación de la masa y de la energía..
la materia se transforma en energía según la ecuación de
Einstein E = m c 2


4. PARA UNA MEJOR COMPRENSIÓN DEL TEMA SE HACE
NECESARIO, DE MANERA PREVIA, EL DOMINIO Y
FAMILIARIZACIÓN CON LA DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
FUNDAMENTALES , TALES COMO:
Conservación de la masa.
Relaciones de masa y volumen en las reacciones
químicas.
Ley de los gases ideales
Unidades molares
Excesos de reactivos
Grado de conversión
Porcentaje de composición
Densidad y Peso específico
Tipos de Procesos

5.  De igual importancia comprender La ley de conservación de la
masa, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier,
ley fundamental de las ciencias naturales y 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 .
! Ley 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.

6. REACCIONES ESTEQUIOMÉTRICAS
 La estequiometria se ocupa de la combinación de elementos y
compuestos. Las relaciones que se obtienen de los coeficientes numéricos
de la ecuación química son los cocientes estequiométricos que nos
permiten calcular los moles de una sustancia en relación con los moles de
otra sustancia
 Se emplean para cuantificar las sustancias involucradas en una reacción
química, a través de las relaciones de masa:
• Relación mol-mol
• Relación masa-masa
• Relación mol-masa
Para su comprensión y cálculo estequiométrico se debe tomar en
cuenta
los conceptos de: mol, número de Avogadro y masa molar..

7. MOL
•Un mol es la unidad de la cantidad de materia en el Sistema
Internacional y es igual a 6.022x1023 átomos, moléculas, iones o
partículas, este valor se conoce como el número de Avogadro.
• Masa molar, peso molecular en gramo , que corresponde a la suma
de la cantidad de masa de un mol de partículas, átomos o moléculas.
la suma del peso o masa atómica de sus átomos multiplicado por la
cantidad de moléculas.
• Un mol de CO2 siempre contendrá 6.022x1023 y la masa molar será
igual a 44 g.
• 12g + 16 g x 2 = 44 g

8. CALCULO MOL-MOL
 Para dar cumplimiento a la ley de la conservación
de la materia, el cálculo se efectúa en una
ecuación química balanceada. Si se conoce la
cantidad de moléculas (moles) que intervienen en
una reacción química, se puede establecer el
número de moles de un reactivo o producto de
interés.

9. RELACIONES DE VOLUMEN EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS
 l término estequiometría procede de dos vocablos
griegos stoicheron, que significa componente elemental, y metrein,
que significa medir.
 Los cálculos estequiométricos son los cálculos sobre masas y
volúmenes de las sustancias que participan en una reacción
química.
 Ej. Se desea obtener 1000 g de óxido de calcio por descomposición
de piedra de mármol, según la reacción:
CaCO3 (s) calor CaO(s) + CO2(g)
 Se trata de determinar el número de moles de carbonato de
calcio que es necesario emplear para conseguir dicha
transformación.

10.  Como etapa previa en la resolución de los problemas de
estequiometría es preciso ajustar la reacción. En este caso la
reacción está ajustada e indica que por cada mol de CaO producido
ha de descomponerse otro mol de CaCO3, ya que sus coeficientes
numéricos se hallan en la relación 1:1.
 Recordando que:
 se tendrá:
 Pues que M(CaO) = 40,1 + 16,0 = 56,1 u
 Dado que por cada mol de CaCO3 se obtiene uno de CaO, se
necesitarán, pues, 17,8 moles de CaCO3.
 Si se quiere expresar dicha cantidad en gramos, bastará con
multiplicarla por el número de gramos que tiene un mol, esto es, por
su masa molecular:
M(CaCO3) = 40,1 + 12,0 + 3 · 16,0 = 100,1 u
n. de g de CaCO3 = 17,8 moles · 100,1 g/mol = 1 781,8 g

11.  Si queremos convertir el número de moles en masa, utilizamos el peso
molecular, que es la masa de un mol:
 el g mol = masa en g/peso molecular
o bien
 masa en g = (peso molecular)(g mol)
Los valores de los pesos moleculares (masas moleculares relativas) se
derivan de las tablas de pesos atómicos, los cuales se basan en una
escala arbitraria de las masas relativas de los elementos.
El peso atómico de un elemento es la masa de un átomo basada en
una escala que asigna una masa de exactamente 12 al isótopo de
carbono 12C, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones.
Los químicos e ingenieros de todo el mundo utilizan los términos “peso”
atómico y “peso” molecular en lugar de los términos más exactos de
“masa”atómica y “masa” molecular.

12. CÁLCULO MASA.MASA
 La cantidad conocida de una sustancia y la cantidad de
sustancia de interés se expresan en términos de masa.
 Para realizar el cálculo masa-masa se hace uso de la
masa molar de las sustancias involucradas en una
reacción química Ej: Calcula la cantidad de sal
resultante al hacer reaccionar 30 g de sodio de acuerdo
con la siguiente reacción balanceada:
 2Na + Cl2 → 2NaCl
Solución: Se obtiene la masa molar de las sustancias
involucradas: 2Na= 2(23) = 46 g, 2NaCl = 2(23 + 35),
2NaCl = 116 g

13.  Cálculo masa-masa Haciendo uso de la
masa atómica se obtiene la cantidad de
sustancia requerida: 2Na + Cl2 → 2NaCl
 30 g Na ------------------------------ X
 46 g Na ------------------------------ 116 g NaCl
 X = (30 g Na)(116 g NaCl)/ 46 g Na X = 75.6
g de NaCl

14. RELACIONES DE VOLUMEN EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
 La densidad es la razón de la masa por unidad de volumen,
por ejemplo, g/cm³ o kg/m³ .
 Se expresa tanto por un valor numérico como por unidades
adecuadas. Para determinar la densidad de una sustancia, es
preciso conocer tanto su volumen como su masa.
 Las densidades de los líquidos y de los sólidos no cambian
significativamente con la presión en condiciones ordinarias, pero
sí cambian con la temperatura.
 La densidad también varía con la composición, siendo esta un de
las razones para agregar anticongelante al radiador de los
automóviles en el invierno.
Aquí debe considerarse como el cociente de dos densidades -la
de la sustancia de interés, d, y la de una sustancia de referencia-
cada una de las cuales tiene sus unidades asociadas. En símbolos
como : g/cm³,

15. OTROS ELEMENTOS
FUNDAMENTALES..NECESARIOS DE COMPRENDER….
 Unidades Molares.
 Exceso de Reactivos.
 Grado de Conversión.
 Porcentajes de Composición.
 Densidad y Peso Específico.
 Tipos de Procesos.
 -

16. EXCESO DE REACTIVOS
El reactivo en exceso será aquel que al efectuarse una
reacción química no se agota por completo durante la
reacción, ya que no se encuentran en cantidades que
garanticen estar balanceadas. La cantidad de producto que se
obtenga de la reacción, dependerá siempre de la cantidad
de reactivo limitante que se tenga en la reacción.
Algunos reactivos se consumen totalmente, mientras que otros
son recuperados al finalizar la reacción. El 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.
En resumen: Es aquel reactivo que está presente en una
proporción menor a la estequiométrica en relación con los
demás reactivos

17. GRADO DE CONVERSIÓN
 Fracción de conversión de un reactivo:
Fracción de conversión respecto al reactivo A = f
f = moles que reaccionan del reactivo A/
moles alimentadas del reactivo A

18. PORCENTAJES DE COMPOSICIÓN
 Una ley fundamental de la química afirma que en todo
compuesto químico que esté formado por dos o más elementos
diferentes, éstos se encuentran presentes en dicho compuesto
en una cantidad o composición porcentual determinada. Lo que
quiere decir, por ejemplo, que el hidróxido de aluminio
Al(OH)3 que se obtenga en España tendrá el mismo porcentaje
de aluminio, de oxígeno y de hidrógeno que el que se pueda
obtener en cualquier otra parte del mundo.
 La composición porcentual a través de la fórmula química
 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 calcula la masa
molar (M) para CO₂ sabiendo que está compuesto por 1 átomo
C y 2 átomos O.

19. DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO
 La densidad, se refiere a la razón de 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. por ejemplo,
g/cm3, kg/m3 o lb/ft3.
 la densidad del agua a 4°C es muy cercana a 1 g/cm³
 La sustancia de referencia en el caso de los líquidos y sólidos
normalmente es el agua. Así, el peso específico relativo es el
cociente entre la densidad de la sustancia en cuestión y la densidad
del agua. El peso específico relativo de los gases con frecuencia se
mide tomando como referencia el aire,pero puede referirse a otros
gases.
 . El peso específico, por lo tanto, es el peso de una sustancia por
unidad de volumen.

20. BALANCE DE MATERIA EN ESTADO
ESTACIONARIO
 Estado Estacionario con procesos que operan con
una sola corriente y procesos que operan con
varias corrientes, Recirculación Purga y By Pass,
con Reacciones Química.
 - Balance de Energía: para sistemas abiertos,
cerrados, para procesos con una sola corriente y
procesos que operan con varias corrientes.

21. LEY DE LOS GASES IDEALES
 La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal,
un gas hipotético formado por partículas puntuales sin atracción ni repulsión
entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de
momento y energía cinética). ... es constante si la temperatura y la masa
del gas permanecen constantes.
La presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al
volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se
mantenga constante, o en términos más sencillos:
 A temperatura constante, el volumen de una masa fija de un gas es
inversamente proporcional a la presión que este ejerce. Matemáticamente se
puede expresar así:
PV=k, donde k es constante si la temperatura y la masa del
gas permanecen constantes.
Cuando aumenta la presión, el volumen baja, mientras que si la presión
disminuye el volumen aumenta. No es necesario conocer el valor exacto de la
constante k para poder hacer uso de la ley: si consideramos las dos
situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la
temperatura, deberá cumplirse la relación: P1V1=P2V2

22.  La ley de gases ideales conjuga las leyes de Boyle, Charles,
Gay-Lussac y Avogadro, relacionando las cuatro cantidades:
presión, volumen, temperatura y moles.
 La ley de los gases ideales se expresa matemáticamente
como:
 ó
 En esta ecuación, R representa la constante de la ley de los
gases ideales. También se puede expresar como:
 R = PV/nT

23. La Ecuación que describe normalmente la relación
entre la presión, el volumen, la temperatura y la
cantidad (en moles) de un gas ideal es:
PV = nRT
Donde:
P = Presión absoluta
V = Volumen
n = Moles de gas
R = Constante universal de los gases ideales
T= Temperatura absoluta

24.  Partiendo de la ecuación de estado: PV=nRT.
 Tenemos que para dos estados del mismo gas, 1 y 2:
 P1V1/RT =n Para una misma masa gaseosa (por tanto, el
número de moles «n» es constante), podemos afirmar que
existe una constante directamente proporcional a
la presión y volumen del gas, e inversamente proporcional
a su temperatura.
 El producto PV es directamente proporcional a la
temperatura del gas y si T es constante, P y V son
inversamente proporcionales.

25.  - Balance de Energía: para sistemas abiertos,
cerrados, para procesos con una sola corriente y
procesos que operan con varias corrientes

26. TIPOS DE PROCESOS
 Se parte de entender un proceso como una
operación, o conjunto de operaciones de
operaciones que se suceden unos a otros de modo
reltivamemnte fijo, y que producen un resultado
final. En esta materia estaremos reconociendo
procesos biológicos, económicos, físicos, químicos,
entre otros.

27. BALANCE DE MATERIA EN ESTADO
ESTACIONARIO
 Los balances de materia no son más que la aplicación de la ley de
conservación de la masa: “La materia no se crea ni se destruye¿Por
qué estudiar los balances de materia como tema aparte? El lector
aprenderá

28. LA ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA CORRESPONDE A LA
SUMATORIA DE TRES TIPOS DE ENERGÍA:

1.- Energía Cinética: energía debida al movimiento traslacional
del sistema considerado como un todo, respecto a una
referencia (normalmente la superficie terrestre) ó a la rotación
del sistema alrededor de un eje.
2.- Energía Potencial: energía debida a la posición del sistema
en un campo potencial
(campo gravitatorio o campo electromagnético).
3.- Energía Interna: toda energía que posee un sistema que no
sea cinética ni potencial, tal como la energía debida al
movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa
del sistema o energía debida a la vibración de las moléculas o la
energía producto de las interacciones electromagnéticas de las
moléculas e interacciones entre los átomos y/o partículas
subatómicas que constituyen las moléculas.

29.  Constituye una de las herramientas más importantes
con las que cuenta la ingeniería de procesos para y
contabilizar los flujos de materia y energía entre un
determinado proceso industrial y los alrededores o entre
las distintas operaciones que lo integran..
 Son contabilidades de entradas y salidas de materiales
y energías de un proceso o de una parte de este. Son
importantes para el diseño de los aparatos que se
emplean y para calcular su costo.
 Estos balances es un método matemático se sustentan
en las leyes de la conservación de la masa y de la
energía.. que la materia se transforma
en energía según la ecuación de Einstein E = m c 2 ...


30. Recordemos que al estudiar balances de materia, definimos
un proceso cerrado como aquel proceso en el que no hay
transferencia de materia con los alrededores mientras el
mismo se lleva a cabo. Sin embargo, nada dice de la
transferencia de energía o sea, en este sistema, la energía
puede ser intercambiada con los alrededores (el sistema
puede recibirla o entregarla) y seguir siendo cerrado. Las dos
formas de energía en tránsito son calor y trabajo.

31. FUNDAMENTOS DE LOS BALANCE DE MATERIA (BM)
 Los BM se basan en la ley de conservación de la
materia, la cual, rigurosamente hablando, hay que
aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia
o energía por separado. Sin embargo, en las
condiciones que se dan en los procesos industriales, al
no abordarse el caso de los reactores nucleares, no
existe transformación de materia en energía o
viceversa, con lo que la forma general del balance de
materia TOTAL a un sistema, será:

32. BALANCE DE MATERIA TOTAL A UN SISTEMA, SERÁ:
La forma general:
[ENTRADA DE MATERIA] = [SALIDA DE MATERIA] +[ACUMULACION DE MATERIA]
 La forma a cada componente será la misma
 [ENTRADA DEL COMPONENTE] +[ GENERACION NETA DEL COMPONENTE]=
[SALIDA Del COMPONENTE ] +[ACUMULACION Del COMPONENTE]

33.  La forma del balance a cada uno de los
componentes será la misma, excepto cuando
existe reacción química, ya que en ese caso habrá
que considerar la aparición o desaparición de los
componentes individuales por efecto de la reacción
(sin embargo la masa total del sistema nunca
variará). Por ello el BM al componente ‘i’ tendrá la
forma:

34. BALANCE DE MASAS, DEBEN CONTENER:
Caudales de las corrientes
Composición de las corrientes
Otras relaciones o restricciones
conocidas

35. RECIRCULACIÓN, PURGA Y BY PASS CON
REACCIONES QUÍMICAS
 Recirculación: parte de la corriente que sale de un
proceso se incorpora de nuevo el proceso.
 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.
 Derivación "by pass": corriente que pasa por alto
una o más etapas del proceso, llegando
directamente a otra etapa posterior

36. POSIBLES ESTRATEGIAS PARA PLANTEAR
LOS BALANCES DE MANERA SECUENCIAL
 Resolver el balance al proceso global, y con los datos
obtenidos plantear el balance a la primera unidad, e ir
resolviendo secuencialmente, cuando sea posible.
 Tomar como base de cálculo (variable de diseño) el caudal
de materia prima (si hay varias se escogería la principal o
una de ella), y resolver secuencialmente el proceso hacia
delante, empezando por la primera unidad, aunque luego
habría que cambiar la escala para que la capacidad de
producción sea la deseada.
 Comenzar a plantear y resolver los balances
secuencialmente y hacia atrás, empezando por la última de
las unidades de proceso, si fuera posible.

37. BALANCES DE ENERGÍA
 Los BE son 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.
 Los BE son imprescindibles en equipos en los que el intercambio de
energías es determinante, lo que fundamentalmente sucederá en
cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es
decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido.
 En el caso de los reactores químicos, también son imprescindibles los
balances de energía para su diseño, ya que en cualquier caso habrá que
asegurarse de que la temperatura del reactor permanezca dentro del
intervalo deseado, especialmente cuando los efectos térmicos de la
reacción sean importantes.
 En reacciones bioquímicas dichos efectos no suelen ser muy
significativos, así que se podrán ignorar en el dimensionamiento
preliminar de los fermentadores o reactores enzimáticos, siempre que se
justifique.


38. CONT. BALANCE DE ENERGÍA
 Dejando de lado el planteamiento de los BE en reactores, en la
mayoría de los otros equipos, y a efectos de dimensionamiento
preliminar, la llamada ecuación de las entalpías, suele ser suficiente
para su planteamiento.
msHs.-meHe= Q
Donde ms y me son los caudales másicos de entrada y salida del
sistema, He y Hs las entalpías de los mismos, y Q el calor
intercambiado por el sistema, que si es positivo será ganado por el
sistema, y si es negativo será cedido por el mismo a los alrededores.
El cálculo de la entalpía de cada corriente puede realizarse usando
de su capacidad calorífica, y una temperatura de referencia, aunque
si hay cambios de fase también habrá que considerar el calor
latente.
Para el vapor de agua lo ideal es usar las tablas de vapor de agua
saturado o recalentado, disponibles en bibliografía o incluso en
aplicaciones on-line.


39. CONCLUSIONES
 Comprender y dominar los conceptos básicos
manejados en la Ingeniería química resulta un aspecto
fundamental para el desempeño eficiente y eficaz en
cualquier proceso o subproceso que se aborde.
 El Balance de Materia se puede aplicar a una unidad de
proceso (un equipo), como a todo el proceso completo.
 En general el planteamiento y la resolución de los BM
exige “manipular” y trabajar con la información
disponible, ensayando distintas estrategias.
 En ningún caso podrá salir del sistema más materia de
la que entra o viceversa.