El ppr de balance de masa incluye explicaciones didácticas de como realizar balances de masa en procesos industriales de una forma que sea para los estudiantes fácil de comprender

1. BALANCE DE MASA
Dra Verónica A Morales C

2. Ley de conservación de la masa:
La materia no se crea ni se destruye solo se transforma.
PROCESO
m
 m

Entrada Salida
El diseño de un nuevo proceso o el análisis de uno ya existente no están
completos hasta que se estable que las entradas y salidas satisfacen la
ecuación de balance.
Entradas – Salidas = Acumulación

3. Proceso intermitente (batch): La alimentación se introduce al sistema al
principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después.
Proceso continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el
proceso.
Proceso semiintermitente (Semi batch): Cualquier proceso que no es
intermitente ni es continuo.
Proceso en régimen permanente o estacionario: Todas las variables del
proceso (temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no
cambian con el tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los
valores promedio constantes.
Proceso transitorio: Cualquiera de las variables del proceso cambia con el
tiempo.
Los procesos intermitentes y semiintermitentes son operaciones en régimen
estacionarios y los procesos continuos pueden ser transitorios o
estacionarios.
Clasificación de los procesos

4. Proceso en estado estacionario:
NO EXISTE ACUMULACIÓN
Entradas – Salidas = 0
Balance diferencial: Cada término de la ecuación de Balance
es una velocidad, procesos continuos.
Balance integral: Cada término de la ecuación de Balance es
una porción de la cantidad que se balancea, procesos
discontinuos.

5. Los procesos típicos en los que no hay una
reacción química son, entre otros, secado,
evaporación, dilución de soluciones,
destilación, extracción, y pueden
manejarse por medio de balances de
materia con incógnitas y resolviendo
posteriormente las ecuaciones para
despejar dichas incógnitas.

6. El balance de materia se puede referir a
• La masa total
• El total de moles
• La masa de un compuesto químico
• La masa de una especie atómica
• Los moles de un compuesto químico
• Los moles de una especie atómica
• El volumen (posiblemente)

7. Pasos para resolver un problema de balance de masa:
1.- Trace un diagrama simple del proceso
2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay
3.- Seleccione una base para el cálculo
4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan
4.1- Nºde variables = Nº de ecuaciones => Existe
solución
5.- Proceda al balance de masa

8. 4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan
PROCESO
A
x1, x2, x3….xn
B
x1, x2, x3….xn
C
x1, x2, x3….xn
A = Flujos
a, b, c….n = Componentes
E 1: Σ x1 Entradas = Σ x1 Salida x1 A = x1 B + x1 C
E 1: Σ F. Entradas = Σ F. Salidas A = B + C
E 2: Σ x2 Entradas = Σ x2 Salida x2 A = x2 B + x2 C
E n-1: Σ xnEntradas = Σ xn Salida xn A = xn B + xn C
1
n
n+1 ecuaciones
+

9. Filtro
A Ton /h Pulpa
20% Sólido
B Ton/h Agua
1 Ton/h Pulpa Concentrada
70% Sólido
Ejemplo: Determine las variables y ecuaciones que relacionan el
siguiente proceso

10. Filtro
A Ton /h Pulpa
20% Sólido, 80% Agua
B Ton/h Agua
1 Ton/h Pulpa Concentrada
70% Sólido, 30% Agua
Flujos Pulpa: A = B +1
Flujos Sólidos: A*0,2=1*0,7
Flujos Agua: A*0,8 = B*1 +1*0,3
Sólo bastan 2 ecuaciones
para resolver el problema
A=3,5 Ton/h Pulpa
B=2,5 Ton/h Agua
Ejemplo: Determine las variables y ecuaciones que relacionan el
siguiente proceso

11. Balance procesos continuos en estado estacionario:
En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién extraído y
filtrado que contiene 7,08% de sólidos en masa, se alimenta a un evaporador. En
el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta al 58% en masa.
Para una entrada de 1000 Kg/h. Calcule la cantidad de las corrientes de jugo
concentrado y agua de salida.
Ejemplo sin reacción química

12. 1.- Trace un diagrama simple del proceso
EVAPORADOR
1000 Kg/h Jugo
7,08 % Sólido
m1 Kg/h H2Ov
m2 Kg/h Jugo
58 % Sólido

13. 2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay
EVAPORADOR
100 Kg/h Jugo
7,08 % Sólido
m1 Kg/h H2Ov
m2 Kg/h Jugo
58 % Sólido

14. EVAPORADOR
1000 Kg/h Jugo
7,08 % Sólido
m1 Kg/h H2Ov
m2 Kg/h Jugo
58 % Sólido
3.- Seleccione una base para el cálculo Base: 1000 Kg/h Jugo

15. EVAPORADOR
1000 Kg/h Jugo
7,08 % Sólido
m1 Kg/h H2Ov
4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan
Base: 1000 Kg/h Jugo
Variables: m1 y m2
m2 Kg/h Jugo
58 % Sólido
Ecuaciones:
1) 1000 = m1 +m2
2) 1000(0,0708)=m2(0,58)

16. EVAPORADOR
1000 Kg/h Jugo
7,08 % Sólido
m1 Kg/h H2Ov
4.- Nºde variables = Nº de ecuaciones => Existe solución
Base: 1000 Kg/h Jugo
Variables: m1 y m2
m2 Kg/h Jugo
58 % Sólido
Ecuaciones:
1) 1000 = m1 +m2
2) 1000(0,0708)=m2(0,58)

17. EVAPORADOR
1000 Kg/h Jugo
7,08 % Sólido
877,93 Kg/h H2Ov
5.- Proceda al balance de masa Base: 1000 Kg/h Jugo
Variables: m1 y m2
122,07 Kg/h
Jugo
Ecuaciones:
1) 1000 = m1 +m2
2) 1000(0,0708)=m2(0,58)
m1 Kg/h H2Ov
m2 Kg/h Jugo
58 % Sólido

18. Balance procesos continuos en estado estacionario:
Ejemplo con reacción química
Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire.
Determinar la composición de los humos en % base seca.
Consideraciones iniciales
El metano es un gas a temperatura ambiente, si se quema con aire (N2+O2)
suficiente se convierte en CO2 y H2O. En la salida que serán los humos
aparecerá por lo tanto CO2 , H2O, N2 y O2 por haber aire excedente. No
aparecerá el metano CH4 porque la reacción con aire suficiente se considera
completa. El exceso se supone siempre sobre la cantidad estequiométrica.
1. Escribir la ecuación balanceada

19. 2. Se dibuja el diagrama colocando datos y reacciones :
Cuando entra aire a un sistema siempre se considera la proporción 79% N2 y
21%O2
Se desprecia el aporte de los otros gases

20. 4. Se realiza el balance
Balance de O
La base más cómoda de cálculo está en el enunciado y es 1 Kmol de CH4.
3. Se elige la base de calculo
Existe una condición particular que liga el oxígeno estequiométrico con el aire
total que entra (exceso del 20%) :
Oxígeno estequiométrico : 2 Kmol ya que la reacción requiere 2 moles de
oxígeno por mol de metano.
Calcular el oxígeno que sale por diferencia entre el que entra y el que ha
reaccionado :
O2 a la salida Kmol = 2·1,2 - 2 = 0,4 Kmol.

21. Balance de Carbono :
A la entrada : 1 Kmol CH4 CO2 a la salida. Por lo tanto CO2 = 1 Kmol.
Balance de Nitrógeno :
N2 no participa de la combustión por lo tanto los Kmol de entrada son iguales a
los de salida.
A la entrada: 2· 1,2·0,79/0,21 Kmol = 9,02 Kmol = N2 a la salida.

22. Balance de Hidrógeno :
A la entrada (1Kmol CH4) · 4 = H2O ·2 en salida
H2O = 2 Kmol en la salida, aunque al pedir la composición en base seca no es
necesaria.
5. Se calcula la composición molar ( fraccion molar x 100)
CO2 : 1 Kmol·100/(0,4 + 1 + 9,02) Kmol = 9,59 %
N2 : 9,02 Kmol·100/(0,4 + 1 + 9,02) Kmol = 86,57 %
O2 : 0,4 Kmol·100/(0,4 + 1 + 9,02)Kmol = 3,84 %

23. Balance procesos intermitentes (batch)
Se tiene dos mezclas de metano-agua en matraces distintos. La
primera contiene 40.0% por masa de metanol, y la segunda 70,0%
por masa de metanol. ¿Qué cantidad de cada una de las mezclas
se debe emplear para obtener 350 g con un 52,8% en masa de
metanol?

24. MEZCLADOR
1.- Trace un diagrama simple del proceso
INICIO FINAL
m1 g
40 % masa
m2 g
70 % masa
MEZCLADOR
m = 350 g
c = 52,8%

25. MEZCLADOR
INICIO FINAL
MEZCLADOR
2.- Escriba las ecuaciones químicas involucradas si las hay
m1 g
40 % masa
m2 g
70 % masa
m = 350 g
c = 52,8%

26. MEZCLADOR
INICIO FINAL
MEZCLADOR
3.- Seleccione una base para el cálculo
m = 350 g
c = 52,8%
Base de cálculo: 350 g
m1 g
40 % masa
m2 g
70 % masa

27. MEZCLADOR
INICIO FINAL
MEZCLADOR
4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan
350 g = m1 + m2
mMezcla = 350*0,528 = 184,8g
184,8 g =m1*0,4+m2*0,7
m1 g
40 % masa
m2 g
70 % masa
m = 350 g
c = 52,8%

28. MEZCLADOR
INICIO FINAL
MEZCLADOR
350 = m1 + m2
mM = 350*0,528 = 184,8 g
184,8 g =m1*0,4+m2*0,7
m = 350 g
c = 52,8%
5.- Proceda al balance de masa
150 g
40 % masa
200 g
70 % masa

29. Balance procesos continuos en estado estacionario
con recirculación:
En un proceso que produce KNO3, el evaporador a 422 K se alimenta
con 1000 Kg/h de una solución que contiene 20% de KNO3 sólido en
masa, de éste se obtiene KNO3 al 50% de sólido en masa. Con esta
solución se alimenta un cristalizador a 311 K, donde se obtiene
cristales de KNO3 al 96 % de sólido en masa. La solución de descarte
del cristalizador contiene 37,5% de KNO3 en masa y se recircula al
evaporador. Calcule la cantidad de corriente de recirculación R en Kg/h
y la corriente de salida de cristales P en Kg/h.

30. 1.- Trace un diagrama simple del proceso
422 K 311 K
S Kg/h
50% KNO3
R Kg/h
37,5% KNO3
P Kg/h
96% KNO3
1000 Kg/h
20% KNO3
AGUA

31. 422 K 311 K
S Kg/h
50% KNO3
R Kg/h
37,5% KNO3
P Kg/h
96% KNO3
1000 Kg/h
20% KNO3
W AGUA
3.- Seleccione una base para el cálculo
Balance procesos continuos en estado estacionario con R:
Base de cálculo: 1000 Kg/h

32. 422 K 311 K
S Kg/h
50% KNO3
R Kg/h
37,5% KNO3
P Kg/h
96% KNO3
1000 Kg/h
20% KNO3
W AGUA
4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionan
Incógnitas: W, P, S y R. 1000+R=W+S
S=R+P
R(0,375)+1000(0,2)=S(0,5)
S(0,5)=R(0,375)+P(0,96)

33. 422 K 311 K
S Kg/h
50% KNO3
R Kg/h
37,5% KNO3
P Kg/h
96% KNO3
1000 Kg/h
20% KNO3
W AGUA
Balance procesos continuos en estado estacionario con R:
W=791,7 Kg/h
S= 975,0 Kg/h
R= 766,7 Kg/h
P=208,3 Kg/h
1000=W+S-R
0=-S+R+P
200=0,5S-0,375R
0=-0,5S+0,375R+0,96P
5.- Proceda al balance de masa