Tema 2. Balance de materia sin reacción

1. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
Elaborada por:
Ing. Sheila Rivero
Aprendizaje Dialógico Interactivo (ADI)
Mayo, 2015
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Área de Tecnología
Programa de Ingeniería Química
Unidad Curricular: Principios de Ingeniería Química
Unidad Curricular: Principios de Ingeniería Química
Guía Nº 02
Unidad I: Balance de materia en estado
estacionario sin reacción química

2. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
:
Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
Los balances de masa son requeridos en todos los procesos industriales. En esta unidad se estudiarán los
balances de materia en sistemas que no presenten reacciones químicas y que estén operando en condiciones
estacionarias. Los equipos donde se pueden realizar los balances de materia comprenden los separadores,
mezcladores, torres de destilación, torres fraccionadores, y otros. Se estudiará el principio de la conservación
de la materia en unidades simples y unidades múltiples, donde se involucre las corrientes de purga,
recirculación, punto de derivación y punto de mezcla. Al finalizar esta unidad el estudiante será capaz de
realizar un balance de materia en una planta de proceso básica. Los tópicos a desarrollar para lograr el este
objetivo se detalla a continuación:
1. Procesos, tipos de procesos, clasificación de los procesos
2. Sistema (abierto y cerrado)
3. Diagramas de flujo
4. Tipos de arreglos de corrientes en los procesos
5. Ley de la conservación de la materia y el balance de materia
6. Ecuación general de balance de materia
7. Balance global y balance por componente
8. Base de cálculo y factor de escala
9. Elemento de correlación
10. Corrientes especiales: recirculación, derivación o by pass y purga
11. Pasos para resolver un balance de materia
Tema 2

3. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
1. Proceso:
1.1. Tipos de Proceso:
Procesos físicos:
Tienen como características que los materiales no sufren cambios químicos (no ocurren reacciones químicas),
pues sólo requieren operaciones tales como molienda, evaporación, separación, entre otras, haciendo
cambios físicos en la materia como cambios de estado y concentración, así como también variaciones en la
presión y la temperatura.
Procesos químicos:
En este tipo de procesos sí ocurren reacciones químicas. Algunos ejemplos de estos tipos de procesos lo son:
combustión, polimerización, nitración, obtención de vinos, obtención de licores, obtención de alcoholes, etc.
1.2. Clasificación de los Procesos:
Los procesos químicos pueden clasificarse en:
 Intermitentes (batch o por lotes): la alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos
los productos se extraen juntos un tiempo después. No existe transferencia de masa a través de las
fronteras del sistema entre el tiempo en que se realiza la alimentación y el tiempo en que se extrae el
producto.
 Continuos: las entradas y las salidas fluyen continuamente durante el proceso.
 Semicontinuos: (semi-intermitente o semi batch), cualquier proceso que no es ni intermitente ni
continuo.
Los procesos también se pueden clasificar según su régimen en: Permanente y no Permanente:
Los procesos son una serie de acciones, operaciones o tratamientos que
provocan un cambio físico o químico a un material o mezcla de materiales para
producir un resultado o producto. Los cambios pueden ser físicos o químicos, si
consideramos las transformaciones que sufren los materiales. Los procesos
pueden ser:
En la realidad nos encontramos con
procesos que tienen tanto
operaciones físicas como químicas

4. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
 Proceso en régimen permanente o en estado estacionario: proceso en el cual las variables como
temperatura, presión, velocidades de flujo, etc., no cambian con el tiempo, excepto posiblemente, por
fluctuaciones pequeñas alrededor de valores promedios constantes.
 Proceso en régimen no permanente o en estado no estacionario: es aquel en el cual cualquiera de las
variables del proceso cambia con el tiempo.
De lo anterior se puede concluir que por su naturaleza los procesos intermitentes y semi-intermitentes son
operaciones en régimen no permanente, mientras que los procesos continuos pueden ser transitorios o en
régimen permanente, en estos la acumulación es igual a cero.
2. Sistema
Un sistema es cualquier porción arbitraria o la totalidad de un proceso establecida específicamente para su
análisis o estudio. Las fronteras del sistema son físicas o virtuales, y se colocan generalmente e idealmente,
de acuerdo a los objetivos de interés. Es decir, sistema es aquello que se pretende estudiar.
2.1. Tipos de Sistemas
 Sistemas Abiertos: donde se transfiere material por la frontera del sistema, en los dos sentidos.
 Sistemas Cerrados: donde no tiene lugar una transferencia de masa durante el intervalo de tiempo de
interés. En estos sistemas las entradas y las salidas son iguales a cero.
El siguiente diagrama representa un proceso donde un horno quema combustible que suministra una bomba.
Un ventilados alimenta aire al horno y los gases de combustión pasan a un secador que recibe material
húmedo y descarga material seco:
El PROCESO INTERMITENTE se utiliza comúnmente
cuando se producen cantidades relativamente
pequeñas de producto en una única ocasión,
mientras que para velocidades de producción
grandes es mejor utilizar PROCESOS CONTINUOS.
Estos se llevan a cabo usualmente tan cerca como
se pueda de un régimen permanente; las
condiciones de un régimen no permanente
(transitorio) existen durante el arranque de un
proceso y en los cambios subsecuentes en las
condiciones de operación del proceso.

5. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
Un gran número de procesos industriales se efectúan en
sistemas abiertos. El diagrama anterior especifica éste
tipo de sistemas
Otro criterio que se usa frecuentemente para calificar a los procesos, es atendiendo a la constancia de una
propiedad durante el proceso. Ejemplo de éstos son los siguientes:
PROPIEDAD NOMBRE DEL PROCESO
Presión Isobárico
Volumen Isométrico o isocórico
Temperatura Isotérmico
Calor Transferido = 0 Adiábatico
3. Diagramas de flujo
Los diagramas de flujo son dibujos ampliamente usados en ingeniería química, ya que ayudan a entender
cómo se lleva a cabo el flujo de materiales o energía en un proceso o en un equipo. La nomenclatura depende
de la naturaleza del documento que se esté desarrollando y de la empresa ejecutora, pero en general a nivel
industrial se emplean la nomenclatura de la Sociedad de Instrumentistas de América (nomenclatura ISA).
El sistema a estudiar puede ser el delimitado por:
ADEH Todo el proceso
ABJI El ventilador
IJGH La bomba
BCFG El horno
CDEF El secador

6. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
Para elaborar los diagramas de flujo se usan símbolos, cuadros, etc., los cuales guardan cierto parecido con
los equipos empleados y líneas rectas con puntos de flechas para indicar líneas de transferencia y la dirección
de la misma.
Los diagramas de flujo deben etiquetarse de la siguiente manera:
1. Escribir los valores y las unidades de todas las variables conocidas de los flujos sobre el diagrama o
en una tabla resumen.
2. Indicar las incógnitas de los flujos y sus unidades.
3.1 Tipos de diagramas de flujo
Algunos de los diferentes tipos son: diagrama de bloque o cajas, diagrama de flujo de procesos (DFP, con
equipos), diagrama de tuberías e instrumentación.
 Diagrama de bloque o cajas
En él se representa el proceso en sus diferentes partes, por medio de cajas o rectángulos que tienen entradas
y salidas, sobre el rectángulo se suele poner la indicación de lo que ésta representa y sobre las líneas que
representan corrientes de entrada o salida se indica la naturaleza de estas corrientes (sustancia, flujo,
temperatura, presión, concentración, etc.).
 Diagrama de Flujo de Procesos (DFP)
Se utiliza para concentrar una mayor proporción de la información; es más completo que el diagrama de
bloques y normalmente involucra los balances de materia y energía, propiedades de los fluidos en las
diferentes corrientes debidamente numeradas, condiciones de operación y propiedades termodinámicas.
Estos muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por medio de líneas de unión. Para los equipos,
se emplean dibujos que representan los equipos del proceso. El diagrama de flujo de proceso también se
puede considerar como un instrumento clave para definir, refinar y documentar un proceso químico.

7. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
Ejemplos de lo anterior son:
Diagrama de bloques Diagrama de flujo de procesos
 Diagrama de Tuberías e Instrumentación
Son útiles para determinar los requerimientos para el control y
la instrumentación de una planta.
4. Tipos de arreglos de las corriente de los procesos
En los sistemas se pueden presentar diferentes arreglos de las corrientes involucradas en el proceso, los más
importantes son presentados a continuación:

8. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
Flujo a contracorriente Flujos paralelos o cocorriente Flujos cruzados
5. Ley de la conservación de la materia y el balance de materia
Un balance de materia es simplemente la aplicación de la Ley de conservación de la masa: “La materia no se
crea ni se destruye”. Se podría traducir la ley de conservación de la masa, como sigue: El total de la masa
que entra a un proceso o unidad es igual al total de la masa que sale de esa unidad. Obsérvese que se hace
referencia a la masa y no a la cantidad de materia (medida en moles) ni a cualquier otra relación física de los
componentes (volumen, área,…). En un proceso químico, en particular, el balance de materia no es más que
el conteo o inventario de cuánto entra, sale y se usa de cada componente químico que inteviene en un
proceso.
6. Ecuación general de balance de materia
La ecuación general de balance de materia expresa:
Entrada – Salida + Generación – Consumo = Acumulación
Esta se puede expresar en unidades de masa o unidades de moles.
El presente material está diseñado para desarrollar balances de materia en sistemas que se encuentran o
hayan alcanzado su ESTADO ESTACIONARIO, por lo que el término de la ecuación general se hace
acumulación
, quedando:
igual a cero
Entrada – Salida + Generación – Consumo = 0
Los balances de materia se aplican a cualquier sistema al que
se le hayan definido sus fronteras, no importa si su naturaleza
es física, química o abstracta. Son una de las herramientas
básicas de análisis de los sistemas.

9. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
En sistemas sin reacción química, la ecuación general queda resumida de la siguiente forma:
Entrada = Salida
7. Balance global y balance por componente
Para cada unidad de proceso o sistema se puede escribir un balance total (o global) y varios balances por
componente. En un balance total se considera la masa total de cada corriente implicada en el proceso. En un
balance por componentes se considera solamente la masa del componente analizado en cada una de las
corrientes involucradas en el proceso. Consideremos la siguiente figura:
Para el condensador se puede plantear un balance total (masa total que entra por la corriente proveniente del
reactor y masas totales de las corrientes que salen del condensador); y tres balances por componente, pues
hay tres componentes involucrados: X, Y y Z. En total, en esa sola unidad (condensador) se pueden escribir
cuatro (4) ecuaciones de balance de materia. El mismo procedimiento se puede aplicar a cada una de las
otras unidades así como también al sistema global (definido por la frontera en línea punteada, en color azul).
Debemos recordar también que la cantidad de materia de un componente (X) en una corriente de proceso
(cuando está en mezcla) viene dada por:
Masa:
Masa de X = Fracción másica de X * Masa total de la corriente
Moles:
Moles de X = Fracción molar de X * Moles totales de la corriente
8. Base de cálculo y factor de escala
La base de cálculo, es la referencia escogida para el cálculo de los balances en un proceso y la selección
adecuada de dicha base permitirá la resolución del problema con mayor facilidad. Para escoger la base de
cálculo se deben considerar los siguientes aspectos:
1. Información disponible para iniciar.
2. ¿Qué se desea obtener?
3. ¿Cuál es la base más conveniente?

10. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
La base de cálculo es útil en problemas donde no se han dado cantidades iniciales y la respuesta esperada
es una razón o porcentaje. Es útil también en sistemas de flujo continuo donde el balance de materia se hace
asumiendo como base de cálculo un tiempo determinado (1 hora, 1 día….). El balance de materiales en
sistemas continuos se hace asumiendo como base de cálculo un tiempo determinado.
Si el enunciado del problema dá dos o más velocidades de flujo de las corrientes o cantidades, éstas
constituirán la base de cálculo. Si se da una, se puede tomar como base, pero también puede ser conveniente
tomar otra base y después ajustar la escala al diagrama de flujo al valor especificado mediante una relación
denominada factor de escala:
calculada
base
la
en
flujo
del
valor
pedida
base
la
en
flujo
del
valor
calculada
Base
pedida
Base
FE
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_


9. Elemento de correlación
Es un componente que puede ser usado para relacionar la cantidad de corriente de un proceso con otra
corriente. Este usualmente no cambia durante el proceso. Como ejemplo de estos tenemos:
 Sólidos en procesos de deshidratación
 Sólidos en los procesos de secado
 Nitrógeno en los procesos de combustión.
10.Corrientes especiales
 Recirculación o reciclo:
Es una corriente de proceso que regresa material desde un punto aguas debajo de una unidad de
proceso, a la entrada de dicha unidad o aguas arriba de la misma. Es una característica muy común
en los procesos químicos. Su aplicación más frecuente es enviar la materia prima sin usar que sale
de la unidad de proceso de regreso a la misma. Los balances generales del sistema casi siempre
son puntos iniciales convenientes para analizar procesos con recirculación.
Un elemento de correlación es un componente que se
encuentra solamente en una corriente de entrada y en una
corriente de salida y no participa en reacciones químicas

11. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
La unidad que tiene una corriente de reciclo puede ser considerada como un
proceso que tiene 3 unidades de análisis. Un punto de mezcla (mezclador), un
punto de separación (o divisor de flujo), y la unidad propia del proceso.
El divisor de la corriente es un dispositivo que divide el flujo en 2 o más corrientes menores. Como lo único
que se separa es el flujo, la composición de cada una de las corrientes es idéntica a la corriente principal.
Algunas aplicaciones de la recirculación son: recuperación de catalizadores, recuperación de reactivo no
consumido, dilución de una corriente de proceso, control de una variable de proceso.
 Derivación o by pass:
Es aquella parte de la corriente fresca de entrada a un sistema que se añade o se deriva
directamente a la corriente de producto de salida del sistema para proporcionarle una serie de
componentes o de cualidades que se han perdido en el tratamiento o proceso. Esto significa que la
corriente de derivación y la fresca tienen la misma composición, pero sus caudales difieren
sustancialmente de forma que la corriente de derivación suele ser una pequeña parte de la corriente
fresca.
 Purga:
Es una corriente que se utiliza para evitar la acumulación de sustancias inertes e indeseables en un
proceso.
11. Pasos para resolver un balance de materia
La resolución de los problemas de balance de masa requiere del desarrollo y la solución de ecuaciones para
las incógnitas de los flujos, siendo esto último, generalmente, un asunto de algebra simple, pero la descripción
del proceso y la colección de datos del mismo puede presentar dificultades considerables. Un método simple
para realizar los cálculos de balance de materia puede ser el siguiente:

12. Balance de materia en estado estacionario sin reacción química
1. Organizar la información: La mejor forma de hacerlo es dibujar un diagrama de flujo de proceso,
usando cajas u otros símbolos para representar las unidades del proceso (reactores, destiladores,
extractores, etc) y líneas con flechas para representar las entradas y las salidas. El diagrama debe
etiquetarse escribiendo los valores de las variables conocidas y los símbolos de las incógnitas para
cada flujo de entrada y salida. Se escriben los valores y las unidades de todas las variables conocidas
de los flujos en las posiciones de éstos sobre el diagrama. Se asignan símbolos algebraicos a las
incógnitas de los flujos y se pueden escribir sus unidades asociadas (Kg/h, mol, etc).
2. Escoger una base de cálculo: si una cantidad de un flujo es un dato del enunciado, suele ser
conveniente utilizar esta cantidad como base de cálculo. Si no se conocen las velocidades de los flujos
o las velocidades de flujo, hay que suponer una; en este caso, se escoge un flujo con una composición
conocida y si esta última es fracción másica, la base ser una masa, pero si es fracción molar, la base
será un número de moles.
3. Convertir los datos volumétricos en másicos o molares: los volúmenes conocidos de los flujos se
convierten en cantidades másicas o molares usando las densidades tabuladas o las leyes de los
gases.
4. Convertir los datos de un mismo flujo a las mismas unidades: Si el problema mezcla unidades de
masa y molares en una corriente, convertir todas las unidades a un mismo sistema.
5. Formulas las ecuaciones de balance de materia: establecer las ecuaciones de balance global y por
componentes, considerando las composiciones y corrientes desconocidas, así como las relaciones
citadas en el enunciado del problema.
6. Resolver las ecuaciones formuladas: Con ello se resuelven las incógnitas que es necesario
determinar. Cuando se calcula el valor de una de las incógnitas, se puede escribir en el diagrama de
flujo lo cual proporciona un seguimiento continuo del estado de la resolución del problema.
7. Escalar el proceso balanceado: Esto se hace cuando en el enunciado del problema se proporciona
una cantidad o una velocidad de flujo determinada y se tomó como base de cálculo otro valor.
Es necesario aclarar que ésta no es la única metodología posible
para resolver problemas de balance de materia; es posible
desarrollar métodos propios cuando se tenga mayor experiencia