Balance de Materia y Energia - Ing. Quimica Genesis Soriano c.i 24495224

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Realizado por: Génesis Soriano
C.I: 24.495.224
Escuela: Ingeniería Industrial
Balance de Materia y Energía en
Procesos en Estado Estacionario
y no Estacionario
Mayo,2020

2. Diapositiva
Introducción 3
Conservación de masas 4
Relaciones de masas y volumen en las reacciones químicas 5
Ley de los gases ideales 7
Unidades molares 9
Exceso de reactivos 10
Grado de conversión y porcentajes de composición 11
Densidad y peso específico 12
Balance de Materia en Estado Estacionario 13
Balance de Materia en Estado NO Estacionario 16
Balance de Energías 18
Balance de Energías: EN SISTEMAS CERRADOS 20
Balance de Energías: EN SISTEMAS ABIERTOS 21
Conclusión 23
Referencias Bibliográficas 24
Índice

3. Introducción
Los balances de materia y energía (BMyE) se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un
determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran.
Los Balances de Materias se basan en la ley de conservación de la materia, la cual, rigurosamente hablando, hay
que aplicarla al conjunto materia-energía, y no a la materia o energía por separado.
Los Balances de Energía son normalmente algo más complejos que los de materia, debido a que la energía
puede transformarse de unas formas a otras (mecánica, térmica, química, etc.), lo que obliga a considerar este
aspecto en las ecuaciones.

4. Conservación de la Masa
“La masa no se crea ni se destruye, sólo se
transforma”. En una reacción química la suma de la
masa de los reactivos es igual a la suma de la masa
de los productos
Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794)
Químico francés quien, con base en los
estudios que realizó, propuso la ley de la
conservación de la masa.
Lavoisier demostró que al efectuarse una reacción química la masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma,
es decir, las sustancias reaccionantes al interactuar entre sí forman nuevos productos con propiedades físicas y
químicas diferentes a las de los reactivos, esto debido a que los átomos de las sustancias se ordenan de forma
distinta.

5. Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas
Masa Volumen
Qué es
Cantidad de materia
contenida en un cuerpo.
Dimensiones que ocupa un
cuerpo.
Unidad de medida Kilogramo (Kg).
•Metro cúbico (m³).
•Litro (l).
La masa es una constante universal sin importar la gravedad, es decir, en lugar de usar el peso de un objeto
se utiliza la masa, ya que el peso está influido por la gravedad. La densidad de un cuerpo se define como la
razón de su masa a su volumen.
Las unidades de densidad son la razón de una unidad de masa a una unidad de volumen, es decir, gramos
por centímetro cúbico, kilogramos por metro cúbico, o por pie cúbico.

6. • La masa es directamente proporcional al volumen por la densidad. El volumen es
directamente proporcional a la densidad entre la masa.
• Son similares porque ambas tienen una constante, la diferencia es que una es una
multiplicación y la otra es una división.
• Las dos ecuaciones obtenidas con anterioridad son lineales ya que están en
proporción directa y tienen una constante de proporcionalidad que es la densidad r.
• Son similares ya que se multiplica una variable por una constante, sin embargo, en la
segunda ecuación se tiene una división, pero de cualquier forma da una línea recta
que parte del origen.
Relaciones de masa y volumen en las reacciones químicas

7. Ley de los gases ideales
Boyle se dio cuenta de que si la temperatura de un gas cambia
durante un experimento, la relación P = a/V ya no es correcta.
Sin embargo, si la temperatura de un gas se mantiene constante,
entonces la regla de Boyle sí funciona.
El químico francés Joseph-Louis Gay-
Lussac (1778-1850) encontró que
todos los gases que estudió (aire,
oxígeno, hidrógeno, dióxido de
carbono, etc.) cambian su volumen de
la misma manera. Si la presión se
mantenía constante, entonces el
cambio de volumen era proporcional
al cambio de temperatura. Esto puede
expresarse en símbolos:
ΔV ∝ ΔT, si P es constante (b)
La ley de Charles y Gay Lussac se
resume en: el volumen de
una determinada cantidad de gas
que se mantiene a presión
constante, es directamente
proporcional a su temperatura
absoluta, que se expresa como:

8. Ley de los gases ideales
Las leyes que hemos estudiado se cumplen cuando se trabaja a bajas presiones y temperaturas moderadas. Tenemos
que:
Cuando estas leyes se combinan en una sola ecuación, se obtiene la denominada ecuación general de los
gases ideales:
P V = n . R . T

9. Unidades Molares
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:
La Molaridad se expresa en las unidades (moles/litro).
Ejemplo de Molaridad:
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

10. 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.

11. 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
Porcentajes de Composición
Si se conoce la fórmula de un compuesto, su composición química se puede expresar como porcentaje de masa de
cada elemento en el compuesto.
“El porcentaje es una parte dividida entre todas las partes, multiplicado x 100
(o simplemente las partes por 100)”.

12. Densidad y Peso Específico
El peso especifico nos indica el peso de
un material por unidad de volumen,
mientras que la densidad nos indica la
masa por unidad de volumen.

13. Balance de Materia en Estado Estacionario
Un proceso se denomina de flujo estacionario cuando se mantienen constantes en el tiempo las
velocidades de flujos de masa que entran y salen del sistema, es decir:
Aunque no tienen por qué ser iguales.
Un proceso se denomina de estado estacionario cuando permanece invariable la masa del sistema
con el tiempo, es decir:
Las mismas definiciones son extensibles a los balances de energía.
Por tanto, un proceso de flujo y estado estacionarios será aquel en que:

14. Esa ecuación del balance de materia en un proceso de flujo y estado estacionarios se
transforma en otra similar, muy útil para el estudio del flujo de fluidos por tuberías:
donde
*: densidad del fluido
c : velocidad lineal del fluido en la tubería
A : área de la sección transversal de la tubería.
Recibe el nombre de Ecuación de continuidad.
Si el fluido es incompresible (líquidos) ==> , y la ecuación queda:
, (caudal constante).

15. Si estamos en régimen estacionario, quiere decir que la masa total del sistema, no varía con el tiempo, y si no
existe generación de materia (G = 0) entonces:

16. Balance de Materia en Estado NO Estacionario
El balance de materia tiene la forma:
SALIDA - ENTRADA + ACUMULACIÓN = GENERACIÓN
Balance de Materia en Estado NO Estacionario son aquellos en los que alguna de las variables cambia con el
tiempo (transitorios o dinámicos).
Todos los procesos no estacionarios responden a un
“mecanismo”
general que comprende alguno de los siguientes conceptos:
• Un estado inicial (o de partida)
• Algo que entra (flujo de entrada)
• Algo que sale (flujo de salida)
• Una posible diferencia entre la entrada y la salida
• Algo que cambia dentro.

17. En estado no estacionario hay término de acumulación. Alguna/s de las variables del
sistema varían con el tiempo. Metodología de resolución similar pero considerando
una o más ecuaciones diferenciales Se precisa conocer las condiciones iniciales o a
un tiempo determinado para establecer los límites de integración (o hallar el valor
de las constantes de integración si se plantea integral indefinida)

18. Balance de Energías
La energía total de un sistema corresponde a la sumatoria de tres tipos de energía:
1.- Energía Cinética: energía debida al movimiento traslacional del sistema considerado como un todo,
respecto a una referencia (normalmente la superficie terrestre) ó a la rotación del sistema alrededor de un
eje.
2.- Energía Potencial: energía debida a la posición del sistema en un campo potencial
(campo gravitatorio o campo electromagnético).
3.- Energía Interna: toda energía que posee un sistema que no sea cinética ni potencial, tal como la energía
debida al movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa del sistema o energía debida a la
vibración de las moléculas o la energía producto de las interacciones electromagnéticas de las moléculas e
interacciones entre los átomos y/o partículas subatómicas que constituyen las moléculas.

19. Estudiar balances de materia, definimos un proceso cerrado como aquel proceso en el que no hay
transferencia de materia con los alrededores mientras el mismo se lleva a cabo. Sin embargo, nada
dice de la transferencia de energía o sea, en este sistema, la energía puede ser intercambiada con los
alrededores (el sistema puede recibirla o entregarla) y seguir siendo cerrado. Las dos formas de
energía en tránsito son calor y trabajo.
Los términos “trabajo” y “calor” se refieren sólo a energía que está
siendo transferida: es posible hablar de calor o trabajo agregado a un
sistema o transferido por él pero no tiene sentido hablar de calor o
trabajo poseído o contenido dentro de un sistema.
Calculo de energía cinética y potencial
Ec = 1/2 *m * V^2
Ep = m.g.z

20. Balance de Energías: EN SISTEMAS CERRADOS
Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o consumo no tienen sentido, llegando a:
Acumulación = entrada - salida
Energía final del sistema - Energía inicial del sistema = Energía neta transferida al
sistema (entrada - salida)
Energía inicial del sistema = Ui + Eci + EPi
Energía final del sistema = Uf + Ecf + EPf
Energía transferida = Q + W

21. Balance de Energías: EN SISTEMAS ABIERTOS
Por definición de proceso abierto, en estos hay un flujo de materia que atraviesa los límites del mismo
mientras el proceso se lleva a cabo. Por lo tanto, para que la masa ingrese al sistema es necesario efectuar
un trabajo para empujar esta masa en el sistema y el sistema debe realizar un trabajo sobre los
alrededores para que la masa pueda salir del sistema.
Ambos trabajos (tanto para ingresar
la materia o que esta egrese) deben
ser incluidos en el balance de
energía, y la diferencia entre ambos
es el trabajo de flujo. En realidad en
estos sistemas, más que hablar de
trabajo decimos velocidad de
transferencia de energía como
trabajo o trabajo/tiempo)

22. Esta ecuación establece que en un sistema abierto en estado estacionario, la velocidad neta
a la cual la energía es transferida a un sistema como calor y/o el trabajo en el eje (Q’ + W’s )
es igual a la diferencia entre la velocidad a la cual las cantidades (entalpía + energía cinética
+ energía potencial) son transportadas fuera y dentro del sistema (ΔH’ + ΔE’c + ΔE’p)

23. Conclusión
Cualquier proceso químico puede ser caracterizado con determinado grado de eficiencia a
partir de la realización de balances de masa y de energía, siendo posible analizar
instalaciones en la etapa de diseño y en las etapas de producción tanto a nivel de planta
piloto como a escala industrial.
Los balances de masa y energía constituyen una herramienta fundamental para el
desarrollo de procesos, mediante el planteamiento de las leyes de conservación y la
aplicación de reglas estequiométricas y termodinámicas.