Balances de materia.

BALANCES DE MATERIA
BALANCES EN ESTADO
ESTACIONARIO
Autor: Cherlys Infante Jiménez

DEFINICIONES
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Los balances de materia se basan en la ley
de la conservación de la materia, que
indica que la masa de un sistema cerrado
permanece constante, sin importar los
procesos que ocurran dentro del sistema.

DEFINICIONES
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Es una contabilidad exacta de la materia
que entra, sale, se acumula, aparece y
desaparece de un sistema.
Es un conteo del flujo y cambio de masa
en el inventario de materiales de un
sistema.

TIPOS DE BALANCE
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balance de masa global o total: Se realiza en todo el
sistema considerando las masas totales de cada una de
las corrientes de materiales.
balance parcial: Se realiza en los subsistemas
considerando un determinado componente en cada una
de las corrientes.
balance molar: Si en el sistema no se originan cambios
químicos.
balance atómico: Si en el sistema hay cambios químicos
balance volumétrico: Si no se originan cambios de
estado

IMPORTANCIA DEL BALANCE
DE MATERIA

DIAGRAMAS DE FLUJO

DIAGRAMAS DE FLUJO

RECIRCULACIÓN

DERIVACIÓN

REACCIÓN QUÍMICA

Ejemplo de Balance de materia

Balance con reacción Química

ECUACIÓN GENERAL
ENTRADA - SALIDA + GENERACIÓN -
CONSUMO = ACUMULACIÓN
SI NO HAY ACUMULACIÓN:
ENTRADA - SALIDA + GENERACIÓN -
CONSUMO = 0

ECUACIÓN GENERAL
SI NO HAY REACCIÓN QUÍMICA NI
ACUMULACIÓN:
ENTRADA = SALIDA

Método
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Interpretar adecuadamente el enunciado del
problema.
Dibujar un diagrama de flujo
Colocar en el diagrama los datos conocidos
Colocar en las cajas del diagrama las reacciones
ajustadas y rendimientos de operación
Seleccionar una base sencilla para los cálculos.

Componentes del problema
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Variables de las corrientes
Ecuaciones de balance
Información especificada directamente
Relaciones adicionales

Grados de libertad del problema
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Son un indicador del balance entre el
número de variables y el número de
ecuaciones.
GL = # de variables de corriente
independiente - # de ecuaciones de
balance independiente - # de variables de
corriente especificadas - # de relaciones
adicionales

Grados de libertad del problema
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Si GL > 0 el problema está
subespecificado
Si GL < 0 el problema está
sobreespecificado
Si GL = 0 el problema está especificado,
es decir, que el número de variables
desconocidas corresponde exactamente al
número de ecuaciones disponibles.

Ejemplo
■ 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.
1.- El metano es un gas a temperatura ambiente,
si se quema con aire suficiente se convierte en
CO 2
y H 2
O. En la salida que serán los humos
aparecerá por lo tanto CO 2
, H 2
O, N 2
y O 2
por
haber aire excedente. No aparecerá el metano
CH 4
porque la reacción con aire suficiente se
considera completa. El exceso se supone
siempre sobre la cantidad estequiométrica.

Se dibuja el diagrama colocando
datos y reacciones

Desarrollo
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La base más cómoda de cálculo está en el enunciado y
es 1 Kmol de CH4.
7.- 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.
Aire de entrada : 2·1,2/0,21 Kmol.
Resulta cómodo 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.

Desarrollo
■ Balance de Carbono :
■ A la entrada : CH4 : 1 Kmol = CO2 a la salida.
Por lo tanto CO2 = 1 Kmol.
■ Balance de Nitrógeno :
■ A la entrada 2· 1,2·0,79/0,21 Kmol = N2 a la
salida.
■ 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.

Desarrollo
■ La composición molar queda :
■ CO2 : 1·100/(0,4 + 1 + 9,02) = 9,59 %
■ N2 : 9,02·100/(0,4 + 1 + 9,02) = 86,57 %
■ O2 : 0,4·100/(0,4 + 1 + 9,02) = 3,84 %
■ Comprobación :
■ Masa a la entrada : 1 Kmol CH4 · 16 + 2,4 Kmol O2 · 32
+ 2,4 · 0,79/0,21 Kmol N2· 28 = 345,6 Kg.
■ Masa a la salida : 1 Kmol CO2 · 44 + 2,4 · 0,79/0,21
Kmol N2· 28 + 0,4 Kmol O2 · 32 +
■ 2 Kmol H2O · 18 = 345,6 Kg

Bibliografía
Izquierdo, J., Costa, J., Martínez, E., Rodríguez, J., Izquierdo,
M., (2011). Introducción a la ingeniería química / Problemas
resueltos de balances de materia y energía. Ed.Reverté, S.A
Mc Cabe, W., Smith, J., Harriot, P. (2007). Operaciones
Básicas de Ingeniería Química. Ed. Mc Graw Hill, 6a edición.