Este documento presenta conceptos básicos sobre balance de materia y energía en procesos químicos estacionarios y no estacionarios. Define términos como conservación de la masa, ley de los gases ideales, unidades molares, exceso de reactivos, grado de conversión y porcentajes de composición. Explica el balance de materia en procesos estacionarios con una o varias corrientes, así como procesos con recirculación, purga y bypass. También cubre balance de energía en sistemas abiertos y cerrados.

1. Balance de Materia y Energía
en Proceso en Estado
Estacionario y no Estacionario
Melina Minexis Nava Vivas
C.I 27.680.246
#45 Ing.Industrial

2. Índice
1. Introducción
2. 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.
3. Balance de Materia en Estado Estacionario
Estado Estacionario con procesos que operan con una sola corriente
Procesos que operan con varias corrientes
Recirculación Purga y By Pass, con Reacciones Química.
4. Balance de Energía
Sistemas abiertos
Cerrados
Procesos con una sola corriente y procesos que operan con varias corrientes.

3. Introducción
El conocimiento de la química es básico para el
ingeniero, ya que gran parte de los procesos
industriales están directamente relacionados con
las interacciones de la materia.
El profesional en Ingeniería debe conocer los
principios que rigen los comportamientos de los
compuestos, tales como estructura, propiedades
físicas y químicas, grupos funcionales y sus
reacciones, para así entender y predecir las
diferentes formas de transformación de la materia.
Dicho conocimiento y su relación con los procesos
productivos, la utilización que puede dárseles, los
efectos que producen y los métodos de control
que se pueda tener sobre estos materiales,
permitirá la formación de un profesional con
capacidad de reflexión y creatividad para contribuir
al uso adecuado y racional de los recursos de los
que disponga, teniendo como centro de atención el
bienestar del hombre y el equilibrio de la
naturaleza.

4. Definición de términos Básicos
Conservación de la masa
La ley de conservación de la masa, ley de conservación de
la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier es una ley
fundamental de las ciencias naturales.
Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en
1748 y descubierta unos años después por Antoine Lavoisier
en 1785. 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 obtenidos».
Esta ley es 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.

5. La masa no se crea ni se
destruye, se transforma.
- Antoine Laurent Lavoisier

6. Masa
Es una propiedad de los sistemas materiales que miden
la cantidad de materia que poseen. Su unidad en el
sistema internacional es el Kg. También es frecuente
utilizar el gramo y el miligramo. Para medir la masa se
emplea la balanza. La balanza es un instrumento que
permite comparar la masa de un sistema material con la
unidad de masa.
Volumen
Es una propiedad de los sistemas
materiales que nos informa de la cantidad
de espacio que ocupan. Su unidad en el
sistema internacional es el m3. También
es frecuente utilizar el litro y el mililitro.
La masa y el volumen
son propiedades
generales de la
materia.
Relación entre masa y
volumen
Reacciones
químicas
volumen
masa

7. Los gases ideales es una simplificación de los gases reales
que se realiza para estudiarlos de manera más sencilla. En
sí es un gas hipotético que considera:
• Formado por partículas puntuales sin efectos
electromagnéticos.
• Las colisiones entre las moléculas y entre las moléculas y
las paredes es de tipo elástica, es decir, se conserva el
momento y la energía cinética.
• La energía cinética es directamente proporcional a la
temperatura.
• Los gases se aproximan a un gas ideal cuando son un
gas mono atómico, está a presión y temperatura
ambiente.
Ley de los gases ideales

8. Molaridad (M) =
n (nº de moles de soluto)
·
Volumen de disolución
La Molaridad (M) o Concentración Molar es el número de moles de soluto que están disueltos en un determinado volumen.
La Molaridad de una disolución viene determinada por la siguiente
fórmula:
Se expresa en las unidades (moles/litro).
Ejemplos de Molaridad:
•Ejemplo 1: calcular la molaridad de una disolución que contiene 2,07·10-2 moles de soluto en
50 ml de disolvente:
•molaridad = M = n / V = 2,07·10-2 moles / 0,05 litros = 0,414 molar

9. Exceso de reactivos
El reactivo que se consume por
completo es el llamado reactivo
limitante, porque es el que determina la
cantidad de producto que se puede
producir en la reacción. Cuando el
reactivo limitante se consume, la
reacción se detiene.
El reactivo que no reacciona
completamente, sino que “sobra”, es el
denominado reactivo en exceso.
Si tenemos una cierta cantidad de dos
elementos o compuestos diferentes,
para producir una reacción química,
podemos saber con anticipación cuál
será el reactivo limitante y cuál el
reactivo en exceso, realizando algunos
cálculos basados en la ecuación
química ajustada.
Cuando colocamos dos elementos o compuestos
para que reaccionen químicamente entre sí, lo
usual es colocar una cantidad exacta de uno de los
reactivos, y colocar una cantidad en exceso del
segundo reactivo, para asegurarnos que el primero
podrá reaccionar completamente, y de esta manera,
poder realizar cálculos basados en la ecuación
química ajustada estequiométricamente.

10. 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

11. 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.
Porcentajes de Composición.

12. Densidad y Peso Especifico
• Peso específico es el vínculo existente entre el peso de una
cierta sustancia y el volumen correspondiente. Puede expresarse
en newtons sobre metro cúbico (en el Sistema Internacional) o
en kilopondios sobre metro cúbico (en el Sistema Técnico)
Es importante destacar que
el kilopondio (también
conocido como kilogramo-
fuerza) es la fuerza que ejerce
la gravedad del
planeta Tierra sobre una masa
de un kilogramo.
Esto quiere decir que el valor
del peso específico expresado
en kilopondios sobre metro
cúbico resulta equivalente al
valor de la densidad (que se
expresa en kilogramos sobre
metro cúbico).
• La densidad, por otra parte 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.

13. Tipos de Procesos
Los procesos químicos son operaciones que derivan en la modificación de una
sustancia, ya sea a partir de un cambio de estado, de composición o de otras
condiciones. Estos procesos implican el desarrollo de reacciones químicas.
Un proceso químico puede acarrear también reacciones físicas. Si se compara la
materia inicial con la resultante al finalizar el proceso, se notarán diversos tipos de
cambios. Los procesos químicos pueden desarrollarse de manera natural o a partir de
una manipulación del hombre.
Un producto es diferente de otro cuando tenga distinta composición, esté en un estado
distinto o hayan cambiado sus condiciones, propiedades y funcionalidades.
Son propios de la industria del petróleo y de los plásticos, producción de acero,
aluminio, etc. en términos generales, siempre es posible estudiar sus etapas en función
de las operaciones o transformaciones que ocurren (tales como reacciones químicas,
transferencias de calor, filtrado, absorción, etc.).

14. Balance de Materia en Estado Estacionario
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. En estos sistemas en
estado estacionario el término acumulación desaparece, simplificándose la ecuación a la
siguiente:
Entradas + producción= salida
A su vez, en aquellos sistemas donde no se produzca reacción química, se simplifica
todavía más:
Entradas= salidas

15. En reacciones químicas el material que no ha reaccionado se separa y se
recircula al reactor.
Recirculación Purga y By Pass, con Reacciones Química.

16. Las columnas de destilación con rectificación, recirculan
parte del destilado

17. Derivación "by pass“
Corriente que pasa por alto una o más etapas del proceso, llegando
directamente a otra etapa posterior

18. Balance de energía
Los balances de energía serán imprescindibles en
equipos en los que el intercambio de energía sea
determinante, lo que fundamentalmente sucederá
en cambiadores de calor, evaporadores, columnas
de destilación. 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

19. Sistemas abiertos
Un sistema abierto es un sistema que tiene
interacciones externas. Dichas interacciones
pueden tomar la forma de información, energía o
materia de transferencia al interior o al exterior de
dicho sistema, lo que depende de la disciplina en la
cual se defina el concepto.
Un sistema abierto contrasta con el concepto
de sistema cerrado, el cual no intercambia
ni materia ni información con su medio ambiente.
Un sistema abierto es también conocido como un
sistema de volumen constante o un sistema
flotante.
El concepto de un sistema abierto fue formalizado
dentro de un marco que permite la interrelación de
la teoría organísmica, la termodinámica y la teoría
de la evolución biológica En la actualidad, el
concepto tiene su aplicación en las ciencias
naturales y sociales.

20. Sistema abierto
Un sistema cerrado es un sistema físico que no interactúa con
otros agentes físicos situados fuera de él y por lo tanto no está
conectado casualmente ni relacionado con nada externo a él.
Una propiedad importante de los sistemas cerrados es que las
ecuaciones de evolución temporal, llamadas ecuaciones del
movimiento de dicho sistema sólo dependen de variables y
factores contenidas en el sistema. Para un sistema de ese tipo
por ejemplo la elección del origen de tiempos es arbitraria y
por tanto las ecuaciones de evolución temporal son
invariantes respecto a las traslaciones temporales. Eso último
implica que la energía total de dicho sistema se conserva; de
hecho, un sistema cerrado al estar aislado no puede
intercambiar energía con nada externo a él.
El universo entero considerado como un todo es
probablemente el único sistema realmente cerrado, sin
embargo, en la práctica muchos sistemas que no están
completamente aislados pueden estudiarse como sistemas
cerrados con un grado de aproximación muy bueno o casi
perfecto.

21. Conclusión
Conociendo lo que es masa y volumen en reacciones químicas, los reactivos, la ley
de los gases, el balance de energía y balance de materia podemos llevar a cabo la
realización de ejercicios o investigaciones que se profundicen mas en el tema.
Debido a que acá damos a conocer los conceptos básicos tenemos suficiente
material base para llevar a cabo una investigación futura con conocimiento y fluidez
en el tema.

22. Gracias!