balance de materia y energia

1. 18/02/2024 MI José Rafael Flores García 1
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
BENEMÉRITA UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DE
PUEBLA
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
1.2. ECUACIÓN GENERAL DE
BALANCE
MIQ. JOSÉ RAFAEL FLORES GARCÍA
Primavera 2024
COLEGIO DE INGENIERÍA QUÍMICA

2. PRESENTACIÓN
• Existen diferentes productos como son los alimenticios,
farmacéuticos, agrícolas, etc.
• La elaboración de estos productos a escala industrial es un asunto
muy importante para la sociedad moderna.
• Por eso mismo los alimentos, químicos y fármacos, se encuentran en
el área de aplicación de los Ingenieros en Biotecnología
especialmente en lo que se refiere al diseño y soluciones de procesos.
• Para lograr esto con calidad y efectividad es indispensable tener un
control y evaluación en las etapas de producción para garantizar que
el producto obtenido sea el adecuado en composición y calidad para
el consumidor final.

3. SISTEMA
• Un sistema se considera abierto cuando se transfiere materia por la
frontera del sistema; es decir, que entra materia del entorno al sistema o
sale materia del sistema hacia el entorno, o ambas cosas.
• Un sistema es cerrado cuando no tiene lugar una transferencia semejante
de materia, durante el intervalo de tiempo en el que se estudia el sistema.
• Un balance de materia es simplemente la aplicación de la Ley de
conservación de la masa:
“La materia no se crea ni se destruye”
En un proceso químico, en particular, no es más que el conteo (stock) o
inventario de cuánto entra, sale y se usa de cada componente químico que
interviene en cada proceso.

4. • 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,...).

5. • 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.
• Son una de las herramientas básicas de análisis de los sistemas, así como
también lo son:
a) el balance de energía,
b) las relaciones físico-químicas entre algunas variables y las
c) especificaciones o restricciones en el funcionamiento del proceso.
• Se entiende por variable de un proceso a una magnitud física que
caracteriza una operación de un proceso.
• Considerar las variables directamente relacionadas con la materia y otras
no lo son. Propiedades extensivas e intensivas.
• Por ejemplo, las temperaturas, presiones, volúmenes y velocidades de flujo
son variables de un proceso.

6. • Los (DB) Diagramas de Bloques permiten representar mediante
rectángulos las operaciones unitarias o procesos (e.g. reactores,
condensadores, columnas de destilación, separadores) y mediante
flechas las corrientes (i.e. flujos que circulan por tuberías) de los
componentes que intervienen en el sistema y que circulan entre las
unidades de operación.
• Estos sirven de base para hacer el Diagrama de Flujo de Proceso.
• Los (DFP) Diagramas de Flujo de Proceso son muy útiles al momento
de analizar todo un sistema con los equipos ubicados conforme al
diagrama de Bloques .

7. • Un ejemplo de Diagrama de bloques se muestra en la figura 3.1, el
sistema estudiado está compuesto por tres unidades o procesos: el
mezclador, un reactor y un condensador.
• Las corrientes de entrada, salida e intermedias están representadas
por flechas que indican el sentido del flujo.
• También se ha especificado, sobre cada flecha, cada uno de los
componentes de cada flujo utilizando letras.

8. • Por ejemplo, la alimentación del sistema contiene solamente sustancias X e Y,
mientras que la corriente que sale del reactor hacia el condensador contiene
ciertas cantidades de los compuestos X, Y y Z.
Fig 3.1.

9. • En esta figura se observa también una línea punteada (en color azul),
la cual representa la frontera del sistema.
• Hay tres recuadros en línea discontinua (de color rojo), que
representa cada uno la frontera propia de la unidad de proceso.
• Cada unidad puede ser estudiada por separado, o se puede estudiar
el sistema en conjunto.
• También podría estudiarse la combinación de unidades mezclador-
reactor o reactor-condensador, si fuera necesario (línea discontinua
de color verde).

10. Clasificación de los procesos
• Basándose en la dependencia o no respecto del tiempo, un proceso
pueden clasificarse como:
a) PROCESO EN ESTADO ESTACIONARIO (CONTINUO). Aquel cuyo estado (i.e. las
variables que intervienen en el mismo) no cambia en el tiempo o sus variaciones son
despreciables durante un intervalo de tiempo suficientemente amplio. Cuando las
corrientes de entrada y descarga fluyen de manera continua durante todo el proceso.
b) PROCESO EN RÉGIMEN TRANSITORIO (estado no estacionario). Aquel cuyo estado
varía en el tiempo, haciendo que los valores de las variables involucradas presenten
cambios significativos en su dinámica.
PROCESO EN
ESTADO
ESTACIONARIO
PROCESO EN
RÉGIMEN
TRANSITORIO
PROCESO POR
LOTES
PROCESO
SEMICONTINUO

11. • Basándose en la manera en que es diseñado para llevar a cabo sus operaciones, un
proceso puede ser clasificado como:
c) PROCESO POR LOTES (INTERMITENTE). Por ejemplo, se cargan en un recipiente
las corrientes de alimentación al comienzo del proceso solamente y, después de
transcurrido cierto tiempo, se retira el contenido del recipiente en parte o en su
totalidad.
d) PROCESO SEMICONTINUO, cuando tiene características de los dos anteriores.

12. • Por su naturaleza, los procesos por lotes y semicontinuos operan en
estado no estacionario (hay instantes de tiempo donde se producen
cambios “bruscos” en la dinámica de las variables), mientras que los
procesos continuos pueden ser estacionarios o inclusive transitorios.
• Estos últimos se comportan como procesos transitorios cuando son
arrancados (se inicia su operación a partir de ciertas condiciones
iniciales o de partida) o cuando se modifica alguna variable
interventora (de manera intencional o no) en el mismo, pero por lo
general, ellos operan muy cerca de su condición estacionaria.

13. • Al delimitar el objeto de estudio, es posible formular las estrategias de análisis y
resolución del problema planteado. Toda parte o componente que no
pertenece al sistema en estudio (que está fuera de la frontera del sistema) se
considera parte de los alrededores o del entorno.
• En el contexto descrito, los balances de materia se emplean para determinar
rendimientos de los procesos, con esta herramienta se cuantifica la porción de
producto obtenido por cantidad de materia prima suministrada en el proceso,
esto permite reducir al máximo los desperdicio de materias primas y optimizar
recursos en plantas industriales.

14. • Por otra parte, los balances de energía son necesarios cuando se
diseña una planta industrial debido a que proporcionan información
acerca de la potencia requerida de bombas para transporte de
fluidos, el tiempo para realizar el secado de productos, la cantidad de
calor que adsorbe o libera un equipo en una fábrica.
• Estos son sólo algunos ejemplos que ilustran la importancia de
identificar y realizar balances de energía en el diseño de plantas
productivas.

15. • En esta tema conocerás las herramientas básicas y los conceptos
para el análisis del balance de materia y energía en la Ingeniería, los
cuales te serán útiles en la elaboración de procedimientos y técnicas
que conduzcan a soluciones de ingeniería, también revisarás,
propuestas de diseño y aplicaciones de los balances de materia y
energía para el diseño de procesos y aplicación de equipos en
dichos procesos.
• Los procesos en ingeniería química son una serie de etapas
secuenciales para la obtención de un producto en escala industrial,
a las etapas que componen y determinan a un proceso en ingeniería
química se les denominan operaciones unitarias, las cuales
dependiendo del fenómeno que ocurre en cada una se dividen en
operaciones unitarias con proceso físico o químico.

16. • En general en la industria requiere identificar el proceso para la
elaboración de un producto biotecnológico, esto se refiere a
establecer la secuencia de etapas lógicas para la obtención del
producto y/o servicio.
• Los puntos de control de un proceso industrial se identifican a través
del uso de diagramas de flujo.
• Una vez definidas e identificadas las etapas (operaciones unitarias) y
el proceso, el siguiente paso es determinar las variables que
determinan y por supuesto, controlan el proceso como son
temperatura, presión, flujo másico, flujo volumétrico, etcétera.

17. • Para tener una visión global del proceso se emplean diagramas de
flujo que son esquemas que ilustran las etapas para la obtención de
un producto o servicio.
• Posteriormente revisarás la Ley de conservación de materia y se
presentan las ecuaciones generales para procesos físicos y procesos
con transformación química.
• Finalmente se mencionan las aplicaciones de los balances en el
modelado y simulación de procesos.

18. PROCESOS
• Los procesos industriales son un conjunto de operaciones ordenadas
para la transformación de alguna sustancia para la generación de
algún producto, donde se realizará un cambio de condiciones
propiedades y funcionalidades, dentro de dicho proceso existen
diferentes operaciones involucradas.
• En los procesos se realizan inherentes reacciones químicas, es decir
podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar
que consta de una serie de operaciones físico - químicas.

19. UBICACIÓN DE LOS DIFERENTES BALANCES
• Existen dos tipos de balances de materia, sin embargo ambos tienen
su fundamento en la Teoría de la conservación de la materia
propuesta por Antonio Lavoisier que establece que la materia no se
crea ni se destruye sólo se transforma, para nuestra área de estudio
la podemos enunciar como, la materia que entra a un sistema es la
misma que sale del sistema.
• La ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE DE MATERIA establece que la
materia que entra al sistema es igual materia que sale del sistema (+)
la materia que se genera en el sistema( - ) la materia que se consume
en ver el esquema de la figura 1.

20. ACTIVIDAD PARA EL ALUMNO
• En el capítulo 4 Fundamentos de los balances de materia de Felder, et
al (2004) en donde encontrarás ejercicios enfocados a este tema.

21. • Ejemplo. Cada año llegan 50,000 personas a la ciudad, se van 75,000,
nacen 22,000 y mueren 19000. Determine cuantas personas se
pierden.
Un balance de la población de la ciudad es:
ENTRADA PERSONAS - SALIDA PERSONAS + GENERACIÓN PERSONAS
– CONSUMO PERSONAS = ACUMULACIÓN
• Se representa a las personas con la letra P.
• Es decir, cada año la ciudad pierde 22,000 personas.

22. • En los procesos físicos en donde NO OCURRE REACCIÓN y
además está en estado estacionario, los términos de
generación de materia y consumo se hacen cero, por lo
tanto la ecuación de balance para procesos físicos se
simplifica quedando de la siguiente forma:
ENTRADA DE MATERIA = SALIDA DE MATERIA
• En este tipo de procesos es importante identificar el
número de entradas y salidas del sistema. Vamos a
ejemplificar lo mencionado, observa el esquema de la
figura 2, en el cual se representa los diagramas de bloques
de dos sistemas (1 y 2) además que son operaciones
unitarias sin reacción.
• Para el sistema 1, es un proceso de mezclado, en donde la
ecuación de balance de materia queda:
ENTRADAS = SALIDAS

23. • Observa que en este sistema tenemos tres entradas y una salida,
entonces el balance de materia para este sistema en particular queda
de la siguiente forma:
ENTRADA 1+ ENTRADA 2 + ENTRADA 3 = SALIDA 4
• Empleando la simbología queda:
M1+M2+M3=M4
• Para el sistema 2, es un proceso físico de evaporación hay una
entrada y dos salidas entonces el balance del proceso de evaporación
queda:
Entrada A = Salida B + Salida C
• Si empleamos como símbolo de masa a M la ecuación se representa:
MA=MB + MC

24. • La cual se puede describir la materia que entra en la línea de proceso
A al evaporador es igual a la materia que sale del evaporador en la
línea de proceso B más la materia que sale del evaporador en la línea
de proceso C.
• Para los balances de materia en procesos físicos se recomienda
realizar primero el diagrama de bloques del proceso con el fin de
identificar las entradas y salidas del proceso.
• Para las operaciones unitarias en donde hay reacción, se emplea la
ecuación general de balances en procesos químicos; en estos casos la
materia que entra al sistema se transforma, existe generación de
productos y consumo de la materia prima.

25. BALANCE DINÁMICO SIN REACCIÓN QUÍMICA
• La ecuación de balance para procesos químicos y en estado estacionario, se emplean los
cuatro términos: entrada de materia es igual a la salida de materia más generación de
materia y consumo de materia.
• Esta ecuación de balances de materia se emplea en la fermentación láctica, fermentación
alcohólica, combustión, oxidación, etcétera.
ENTRADA = SALIDA + GENERACIÓN –CONSUMO
• En los procesos químicos es importante conocer la reacción que se lleva a cabo para
identificar los materiales que se generan (producto) y los que se consumen (materia
prima).
• El balance de materia para la materia prima la ecuación se simplifica de la siguiente
forma. Obsérvese que el término de generación se hace cero y la ecuación se reduce:
ENTRADA =SALIDA + CONSUMO
• El balance de materia para el producto, los términos de entrada y consumo se hacen cero
y la ecuación queda así:
SALIDA = GENERACIÓN

26. FUENTES BIBLIOGRAFICA
• FELDER, R ROUSSEUA. (2003). Principios elementales de los procesos
químicos. México: Limiusa Wiley.
• REKLAITIS, G. (1986). Balance de materia y energía. México.
Interamericana.
• https://dmd.unadmexico.mx/contenidos/DCSBA/BLOQUE1/BI/04/BB
ME/unidad_01/descargables/BBME_U1_Contenido.pdf

27. CONCLUSIONES