Este documento presenta conceptos clave relacionados con balances de materia en procesos químicos. Explica la conservación de la materia, unidades para expresar composiciones, estequiometría, selección de fronteras de control, número de componentes independientes, restricciones sobre flujos y composiciones, y más. Incluye varios ejercicios numéricos para ilustrar los conceptos.

1. Balances de Materia
Elementos

2. 2.1. Conservación de la materia
Para sistemas que no involucren reacciones nucleares, la
ecuación general de conservación de la materia puede ser
escrita como:
Salida de materia= Entrada de materia + Generación – Consumo – Acumulación
Para procesos en estado estacionario, es decir si no existe
reacción química:
Entrada de materia = Salida de materia

3. Ejercicio 2.1. 2000 kg de una solución de hidróxido de sodio al
5% en agua, será preparada por dilución de una solución al 20%.
Calcular las cantidades requeridas. Los porcentajes se dan en
peso (w/w).
F1=
wH20= 1w/w
F2=
wNaoH= 0.20w/w
F3= 2000 Kg
wNaoH= 0.05 w/w

4. 2.2. Unidades usadas para expresar composiciones
x= fracción molar
w = fracción másica: corriente líquidas
Cuando se expresa una composición como un porcentaje, es
importante establecer claramente la base: peso, molar o
volumen.
Las abreviaciones que usaremos: w/w: peso – peso
v/v: volumen – volumen:
corrientes gaseosa
Ejercicio 2.2. Ácido clorídrico de grado técnico tiene una
concentración de 20% w/w , exprese la concentración como % molar

5. 2.3. Estequiometría
Estequiometría (stoikeion – elemento ) es la aplicación práctica
de la ley de proporciones múltiples. La ecuación
estequiométrica de una reacción química, establece sin
ambigüedad el número de moléculas de reactantes y productos
que intervienen en una reacción.
Ejercicio 2.3. Balancear la ecuación global para la manufactura de
cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxígeno.
A(C2H4) + B(Cl2) + C(O2) → D(C2H3Cl) + E(H2O)

6. 2.4. Selección de fronteras de control
• Las fronteras de control de un sistema define la parte del
proceso, sobre la cual se va ha realizar el balance de materia
(proceso completo y subdivisiones del proceso).
• Existen unas reglas rápidas y generales acerca de como
realizar una selección adecuada de fronteras de control para
todos los tipos de balances de materia:
– En sistemas complejos, delimitar fronteras al proceso completo y si es
posible calculas los flujos de entrada y salida.
– Seleccionar fronteras para subdividir cada uno de los procesos en
etapas simples y hacer los balances de materia para cada etapa por
separado.

7. Ejercicio 2.4. El diagrama muestra los principales pasos en un proceso para la
producción de un polímero. Dados los siguientes datos, calcule los flujos
de corriente para una tasa de producción de 10000 kg/h.
Reactor: Rendimiento sobre el polímero 100 %
Corriente para polimerización 20 % monómero / H2O
Conversión 90 %
Catalizador 1 kg / 1000 kg monómero
Agente short - stopping 0.5 kg / 1000 kg monómero no
reaccionante.
Filtro: Agua de lavado aproximadamente 1 kg / kg polímero
Columna de recuperación: 98 % recuperación de monómero
Secadero: Alimentación 5% agua, especificación de producto 0.5% H2O.
Pérdidas de polímero en secador y filtro: aprox. 1%
Calcular la cantidad de monómero alimentado al proceso.

8. V-1
Válvula de mezcla
E-1
Reactor
P-1
Monómero
P-5
P-2
P-4
Catalizador
P-3
Agua
E-2
Mezclador
P-6
P-7
Short Step
E-3
Filtro
P-8
P-9
P-10
E-5
Recuperador de monómero
P-12
Efluente
Monómero reciclo
E-4
Secadero
P-11
Polímero
Pérdidas

9. 2.5. Selección de la base de cálculo
1. Tiempo. Seleccionar la base de tiempo utilizada para
presentar los resultados. Por ejemplo kg / h, Ton / h
2. Para procesos batch, utilizar una unidad batch.
3. Seleccionar como base másica la corriente de flujo para la
cual existe mayor información.
4. Es más fácil trabajar en moles que en peso cuando no
existen reacciones químicas involucradas.
5. Para gases, si las composiciones están dadas en base
volumétrica, usar como base una unidad de volumen.
Recordar que las fracciones en volumen son equivalentes a
fracciones molares siempre y cuando las presiones sean
moderadas.

10. 2.6. Número de componentes independientes
Sistemas físicos, sin reacción química
El número de componentes independientes es igual al número
de especies químicas.
Sistemas químicos, con reacción.
El número de componentes independientes puede ser calculado
por la expresión:
Nº componentes independientes = Nº de especies químicas – Nº
de ecuaciones químicas

11. Ejercicio 2.5. Calcular el número de componentes
independientes del siguiente proceso
E-1
P-1P-2
P-3
SO3+H2O→H2SO4
Oleum
H2SO4/H2O/SO3
HNO3/H2O
H2O
HNO3
H2SO4

12. 2.7 Restricciones sobre el flujo y las composiciones
Los flujos de los componentes en una corriente son
completamente definidos especificando cualquiera de los
siguientes:
1. El flujo (o cantidad) de cada componente.
2. El flujo total (o cantidad) y la composición.
3. El flujo de un componente (o cantidad) y la composición.
Recordar que la suma de las fracciones en peso o molares
de los componentes de una corriente debe ser igual a 1.

13. • Ejercicio 2.6. Una corriente de alimentación a un reactor
contiene: 16% de etileno, 9% de oxígeno, 31% de nitrógeno, y
ácido clorhídrico. Si el flujo de etileno es 5000 Kg/h, calcular los
flujos individuales y el flujo total. Todos los porcentajes están
en peso.
E-5
P-20
Fetileno=5000 kg/h
wetileno=0.16
wO2=0.09
wN2=0.31
wHCl
P-21

14. 2.8 Componentes de enlace
• Si un componente pasa a través de una unidad de proceso sin
ningún cambio, este puede ser usado para enlazar las
composiciones de entrada y de salida.
Ejercicio 2.7. Se añade dióxido de carbono a una velocidad de 5 kg/
h en una corriente de aire y el aire es muestreado a una
distancia corriente abajo lo suficientemente grande para
asegurar una mezcla completa. Si el análisis muestra 0.45% v/v
CO2 , calcular la velocidad de flujo de aire. Contenido de CO2 en
el aire = 0.03%.

15. Ejercicio 2.8. En un ensayo sobre un horno que quema gas natural
(96% de metano, 4% nitrógeno), se obtuvo el siguiente análisis:
9.1% de dióxido de carbono, 0.2% de monóxido de carbono, 4.6%
de oxígeno, 86.1% de nitrógeno, todos los porcentajes en volumen.
Calcular el porcentaje de aire en exceso.
Reacción:
CH4+2O2 → CO2+2H2O

16. 2.9 Reactivo en exceso
Ejercicio 2.9: Para asegurar una combustión completa, 30% de
aire en exceso es suministrado a un quemador para la
combustión de gas natural. La composición del gas (por
volumen) es 95% de metano, 5% de etano. Calcular los moles
de aire requerido por mol de combustible.
CH4+2O2 → CO2+2H2O
C2H6+(3/2)O2 → 2CO2+3H2O
100
tricaestequiomécantidad
tricaestequiomécantidad-dasuministracantidad
exceso% 

17. 2.10 Conversión y rendimiento
CONVERSIÓN. Es una medida de la fracción de reactivo que reacciona.

18. Ejericio 2.10: En la manufactura de cloruro de vinilo (VC) por
pirolisis de dicloroetano (DCE), la conversión de un reactor
está limitada al 55% para reducir la formación de carbón, el
cual puede deteriorar los tubos del reactor. Calcular la
cantidad de dicloroetano necesaria para producir 6000 kg / h
VC.
C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl

19. RENDIMIENTO. Es una medida de la eficiencia de un reactor o una planta.
procesoalsalimentadoreactivodemoles
tricoestequioméfactorproducidoproductodemoles
oRendimient
:plantaunaPara
convertidoreactivodemoles
tricoestequioméfactorproducidoproductodemoles
oRendimient
:reactorunPara





20. Ejercicio 2.11: En la producción de etanol por la hidrólisis de etileno, se
produce dietileter como subproducto. Una composición típica de la
corriente de alimentación es: 55% etileno, 5% inertes, 40% agua, y una
corriente de producto: 52.26% etileno, 5.49% alcohol, 0.16% eter, 36.81%
de agua, 5.28% de inertes. Calcular el rendimiento de etanol y eter
basado en etileno.
E-1
C2H4+H2O→C2H5OH
2C2H5OH→(C2H5)2O+H2O
C2H4 55%
Inertes 5%
H2O 40%
C2H4 52.26%
C2H5OH 5.49%
(C2H5)2O 0.16%
H2O 36.81%
Inertes 5.28%

21. Ejericicio 2.12: En la cloración de etileno para producir
dicloroetano (DCE), la conversión de etileno es reportada
como 99%. Si 90 moles de DCE son producidos por 100 moles
de etileno alimentado, calcular el rendimiento global y el
rendimiento del reactor basado en etileno. El etileno que no
ha reaccionado no es recuperado.
C2H4+Cl2→C2H4Cl2

22. 2.11 Procesos con reciclo, purga y derivación
Ejercicio 2.13: Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una
mezcla de 50% de benceno y 50% de tolueno. El producto D
recuperado del condensador en la parte superior de la columna
contiene 95% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el
condensador desde la parte superior de la columna es de 8000
kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la
columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio.
Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la
columna (V), del producto extraído (D), y del reflujo (R) son
idénticas porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la
razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído D.

23. E-7
Producto Líquido
D
Condensador
P-27
P-29
P-30
E-9
Producto Base
W
0.04 Benceno
P-43
P-44
R
Alimentación
10000 kg/h
0.5 Benceno
0.5 Tolueno
0.95 Benceno
0.05 Tolueno
Vapor
V = 8000 kg/h