Breve introducción a la ingeniería química que incluye el tema de balance de materia y energía

1. INTRODUCCIÓN A LA
INGENIERÍA QUÍMICA
Autor: Génesis Pino

2. Introducción
Conservación de la masa
Ejemplos
Relación de masa y volumen
Ley de los gases ideales
Unidades molares
Reactivo en exceso
Otros conceptos básicos
Balance de materia
Con una corriente
Con varias corrientes
Balance de energía
Sistemas cerrados
Sistemas abiertos
Conclusión
C
O
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T
E
N
I
D
O
C
O
N
T
E
N
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D
O

3. INTRODUCCIÓN
Esta presentación tiene como objetivos principal el estudio de los conceptos básicos que rigen los
sistemas y procesos industriales.
También se darán conceptos básicos para resolver balances de materia en estado estacionario tanto
para procesos de una corriente como de varias corrientes. Se conocerán los conceptos de purga,
bypass y recirculación y como son aplicados en la actualidad.
Finalmente se tratará el tema de balance de energía para sistemas abiertos y cerrados y un paso a
paso de como resolver problemas de este tipo.

4. CONSERVACIÓN DE LA MASA
Es una de las leyes
fundamentales de las
ciencias naturales
Fue elaborada por
Mijail Lomonósov
“En toda reacción química la masa se conserva, es
decir, la masa total de los reactivos es igual a la
masa total de los productos”
Entrada + Generación – Salida – Consumo = Acumulación

5. EJEMPLOS
La reacción química entre el hidrógeno gaseoso (H2) y el cloro gaseoso (Cl2) da como
resultado ácido clorhídrico (HCl)
𝐻2 + 𝐶𝑙2 → 𝐻𝐶𝑙
Cuando una vela arde no se gana ni se pierde masa. La masa total de la cera y del oxígeno
molecular (O2) presente antes de la combustión es igual a la masa total de dióxido de
carbono (CO2), vapor de agua (H2O) y cera sin quemar que quedan cuando la vela se
apaga.
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑟𝑎 + 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑂2 → 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 + 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐻2 𝑂 + 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑒𝑟𝑎 sin 𝑞𝑢𝑒𝑟𝑚𝑎𝑟

6. RELACIONES DE MASA Y VOLUMEN EN
REACCIONES QUÍMICAS
La masa y el volumen en las reacciones químicas se pueden relacionar gracias a la
estequiometria que se define así:
Es el cálculo para una ecuación química balanceada que determinará las proporciones
entre reactivos y productos en una reacción química
Los cálculos estequiométricos requieren el
manejo adecuado de la masa molar de las
sustancias que participan en una reacción, el
ajuste de las ecuaciones químicas, así como la
ley de la conservación de la masa y la ley de las
proporciones definidas.

7. LEY DE LOS GASES IDEALES
La ecuación del gas ideal se basa en las leyes de Boyle, la de
Gay-Lussac, la de Charles y la ley de Avogadro. Esta ley se
expresa en la siguiente ecuación:
𝑃 ∗ 𝑉 = 𝑛 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇
Donde
P = Presión (Atm)
V = Volumen (L)
n = Nº de moles (mol)
R = Constante para gases ideales
T = temperatura (K)
𝑁𝑜𝑡𝑎: 𝑅 = 0,082
𝐿 ∗ 𝑎𝑡𝑚
𝐾 ∗ 𝑚𝑜𝑙

8. UNIDADES MOLARES
Básicamente un mol de cualquier sustancia es un peso igual al peso molecular expresado
en unidades de masa atómica. Esto implica que un mol de cualquier sustancia contiene
exactamente el mismo número de moléculas. Sus unidades son las siguientes:
Mol
Kmol
Libmol
Milimol
La masa molar es una propiedad física definida por
su masa sobre cantidad de sustancia como por
ejemplo: gramos/mol

9. EXCESO DE REACTIVOS
Da a conocer o
limita la cantidad
de producto
formado.
Es el reactivo que
no se consume
completamente
en la reacción
química
ReactivoLimitante
Reactivoenexceso

10. OTROS CONCEPTOS BÁSICOS
Grado de conversión
• relación entre la cantidad convertida de un reactivo y la cantidad alimentada del mismo.
Porcentajes de composición
• Es la cantidad de una determinada sustancia en una mezcla. Por ejemplo el aire está formado por 79%
de nitrógeno y 21% de oxígeno.
Densidad
• Es la cantidad de masa que hay en un determinado volumen de una sustancia.
Peso Específico
• Es la relación del peso de una sustancia y su volumen.

11. BALANCE DE MATERIA CON UNA
SOLA CORRIENTE
Solo tiene
una corriente
de entrada
Solo tiene una
corriente de salida
Son ejercicios
de balance
sencillos
Masa que entra Masa que sale
Unidad
de
proceso
Balance de materia:
Masa que entra = Masa que sale
Nota: Cuando un sistema se encuentra en estado
estacionario significa que sus características no
varían con el tiempo

12. BALANCE DE MATERIA CON VARIAS
CORRIENTES
Recirculación
• Es el proceso mediante el
cual el material que no
reaccionó vuelve a ingresar
a la corriente de entrada
Bypass
• Consiste en bifurcar una
corriente de alimentación
para que no pase por
determinado proceso
Purga
• Es la corriente de salida
donde se eliminan
sustancias no deseadas del
proceso

13. EJEMPLO DE RECIRCULACIÓN EN LA
INDUSTRIA
En la imagen se observa un contactor de
glicol, equipo utilizado para extraer el
93% del agua a una corriente de gas, esto
se logra poniendo en contacto el glicol
en contracorriente con el gas. El glicol
pasa por un proceso de regeneración
para eliminar el agua absorbida y volver
a usarse; por lo cual el glicol se recircula
constantemente al contactor.

14. EJEMPLO DE PURGA EN LA
INDUSTRIA
En la imagen se observa un separador
trifásico horizontal, las corrientes de
entradas provienen de diversas fuentes y
son gas en estado líquido con una
fracción de agua. En este ejemplo la
purga se observa en el fondo de
separador y es el agua que debe
extraerse para no afectar equipos que se
encuentran aguas abajo del proceso
también para mantener las propiedades
del gas procesado de acuerdo a las
especificaciones

15. EJEMPLO DE BYPASS EN LA
INDUSTRIA
En la imagen se observa un filtro utilizado
para eliminar partículas de sustancias no
deseadas en la corriente del gas, en
condiciones normales el gas pasa por el
filtro para eliminar las partículas pero en
caso que el filtro colapse y sea necesario
cambiar sus componentes internos, existe
un desvió (bypass) para no afectar el
proceso.

16. BALANCE DE ENERGÍA (SISTEMA
CERRADO)
Un sistema de proceso por lotes es cerrado. Es posible escribir el balance de energía integral para un sistema
cerrado entre dos instantes dados. Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación
y consumo del balance general se cancelan quedando:
Sistema cerrado:
Intercambia energía
pero no masa
Sistema abierto:
Intercambia masa y
energía
Entrada – Salida = Acumulación

17. BALANCE DE ENERGÍA (SISTEMA
ABIERTO)
Un balance de materia de un sistema abierto significa que hay masa que atraviesa las fronteras del sistema a
medida que este ocurre. Para introducir la masa al sistema es necesario realizar trabajo sobre el mismo y
cuando emerge masa del sistema se lleva a cabo trabajo sobre los alrededores. Ambos términos de trabajo
deben incluirse en el balance de energía
1. Determinar las
velocidades de
flujo de todos los
componentes
2. Determinar las
entalpías
específicas de
cada componente.
3.Escribir la forma
adecuada del
balance de
energía y
resolverlo para la
cantidad deseada

18. CONCLUSIÓN
Luego de realizada la presentación se concluye lo siguiente:
La masa no se crea ni se destruye, solo se transforma.
En química, la estequiometria sirve para relacionar la masa y el volumen.
La ecuación del gas ideal relaciona las leyes de Boyle, Gay-Lussac, Charles y la ley de Avogadro.
El reactivo en exceso es el que queda sin reaccionar completamente durante la reacción.
Los balances de materia se basan en la ley de conservación de la masa para la resolución de
problemas
Los balances de energía pueden realizarse a sistemas abiertos o cerrados.