Tema 

4. Balances de Materia

 4.1. Generalidades
 4.2. Balance macroscópico
 4.3. Balance en sistemas sin reacción química
 4.4. Recirculación y purga
 4.5. Balance en sistemas con reacción química

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 4.1. Generalidades

• Proceso Químico: conjunto de operaciones básicas y reacciones químicas

ordenadas que tienen como fin transformar unos materiales o substancias
iniciales en productos finales diferentes

Los balances de materia son la base del diseño de un proceso, para determinar
• las cantidades de materias primas requeridas y productos obtenidos.
• los caudales y composiciones de las corrientes.
Proporcionan las ecuaciones básicas para el dimensionado del equipo.

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 4.1. Generalidades
Conceptos que se aprenderán
• Proceso continuo y discontinuo
• Regimen estacionario y no estacionario
• Recirculación y purga
• Exceso de reactivo
• Oxígeno estequiomético
• Aire teórico y procentaje de exceso de aire en un proceso de combustión
• Composición en base seca y base húmeda
Dado un proceso determinado, podréis
• Dibujar y etiquetar un diagrama de flujo
• Elegir la base de cálculo más conveniente
• Identificar las unidades o parte del proceso para los que se debe aplicar el
balance de materia
• Escribir las ecuaciones que llevan a la resolución del balance
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 4.1. Generalidades
Tipos de procesos
• Continuo: Continuamente entran corrientes de reactantes y salen corrientes de
productos. Se trabaja con caudales.
o Volumétrico (m3∙h‐1, m3∙s‐1)
o Másico (kg∙h‐1, kg∙s‐1)
o Molar (mol∙h‐1, mol∙s‐1)
• Discontinuo: Cargamos los reactantes, se cierra el sistema , hacemos unas
operaciones, y al cabo del tiempo, el contenido del reactor se recupera. Se
compara lo que había antes con lo que hay después.
• Semicontinuo: No continuo, ni discontinuo.

• Estacionario: sus propiedades no varían con el tiempo.

• No estacionario: sus propiedades varían con el tiempo.

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 4.1. Generalidades
Tipos de balances
• Balances “Macroscópicos”
o Dan información de las propiedades de las líneas de flujo que entran y salen de
las unidades del proceso, pero no de lo que ocurre en el interior de los equipos.
o El modelo al que se ajustan estos balances es el de “caja negra”.
o Se plantean en las unidades del proceso y reactores, en puntos donde confluyen
líneas de flujo, en partes del proceso que abarcan más de una unidad de proceso
o en todo el proceso.
• Balances “Microscópicos”
o Se plantean en un elemento de volumen (diferencial) de la unidad de proceso.
o Se utilizan cuando es necesario conocer lo que ocurre en el interior del equipo:
perfiles de velocidad, temperatura, concentraciones.
o Los valores de las propiedades de las fases, que se obtienen a partir de la
integración del elemento de volumen, tomando como condiciones de contorno el
valor de las propiedades en los límites geométricos del equipo, deberán ser las
mismas que en el planteamiento macroscópico.
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 4.2. Balance macroscópico
Ley de conservación de la materia: “la materia ni se crea ni se destruye, únicamente
se transforma”
Es general y tiene validez en todas las situaciones físicas posibles, con la excepción de
las reacciones nucleares
Si el régimen es no estacionario y/o existen reacciones químicas entre los
compuestos presentes,

Acumulación = Entrada ‐ Salida + Generación ‐ Eliminación 

A = E – S + G – D

• Proceso en estado estacionario: término acumulación es cero A=0

• Si hay reacción química, una especie determinada se puede formar o consumir
• Si no hay reacción química, +G, ‐D = 0

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 4.2. Balance macroscópico
Sistema: Aquella zona donde vamos a aplicar un balance de materia
Balances de materia a:
• Todo el proceso (Global) —
• Una parte del proceso (Reactor+ Separador) —
• Una unidad (Reactor, Separador) —
• Un tramo de una conducción (unión de las corrientes alimento y recirculación o
bifurcación de la corriente de salida gaseosa del separador) —

ALIMENTO 
LÍQUIDO

ALIMENTO  PRODUCTO 
GASEOSO LÍQUIDO
REACTOR SEPARADOR

GAS RECIRCULADO PURGA

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 4.2. Balance macroscópico
Balances de materia para:
• De todos los componentes (balance total)
• De un componente, por ejemplo H2O
• De una molécula, por ejemplo O2
• De un átomo, por ejemplo O
• De un componente o componentes de composición no especificada, siempre que 
permanezcan constantes en el sistema, por ejemplo gas inerte o disolvente
Hay que tener cuidado de que sean independientes y no haya alguna combinación
lineal de las demás
• Balance total = Σ (balance todos los componentes)
• Balance global= Σ (balance de unidades)

R
A
B A
A
F B B
REACTOR P
F R P
F ∙ x AF  R∙ x AR  P∙ x AP
F ∙ xBF  R∙ xBR  P∙ xBP 10
 4.2. Balance macroscópico
Bases de cálculo:
A la que referir todos los términos del balance.
No hay reglas fijas, hay que fijarse en los datos.
• Elegir como base de cálculo el caudal de la corriente de la que se tenga más
información
• Procesos en discontinuo utilizar una carga o lote
• Más fácil trabajar en moles que en unidades másicas si hay reacción.
• Para gases trabajar con volumen porque son equivalentes a moles hasta
presiones moderadas

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 4.3. Balance en sistemas sin reacción química

• Dibujar un diagrama de flujo y complementarlo con los valores conocidos de las

variables
• Escoger como base de cálculo una cantidad o una velocidad de flujo de uno de
los fluidos
• Determinar las incógnitas
• Contabilizar el problema: el número de incógnitas deberá ser igual al de
relaciones entre ellas (balances)
• Convertir las velocidades de flujo volumétrico conocidas en cantidades másicas o
molares
• Si los datos para un flujo se proporcionan en unidades de masa o molares
convertir todas las cantidades en una u otra base
• Traducir las informaciones del enunciado en ecuaciones
• Escribir las ecuaciones de los balances de materia
• Resolver las ecuaciones

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 4.3. Balance en sistemas sin reacción química

Ejemplo 1.‐ Una mezcla líquida de 1000 kg∙h‐1 conteniendo benceno y tolueno
(Xbenceno=0.5) es alimentada a una columna de destilación. Una corriente deja la
columna por cabeza con un caudal de benceno de 450 kg∙h‐1 y una corriente deja la
columna por el fondo con un caudal de tolueno de 475 kg∙h‐1 .
Determinar el flujo másico total de la corriente que sale por cabeza y por el fondo.

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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 4.3. Balance en sistemas sin reacción química

Ejemplo 2.‐ Un cristalizador se alimenta con 5600 kg∙h‐1 de una solución de una sal
cuya concentración es del 50%. Al enfriar la mezcla, precipita la sal, separándose una
disolución fría saturada con el 20% de sal y cristales húmedos con un 5% en peso de
agua. Determinar los flujos de disolución saturada y de cristales húmedos que salen
del cristalizador.

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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 4.3. Balance en sistemas sin reacción química

Ejemplo 3.‐ A una cámara de evaporación se alimentan tres corrientes: 20 cm3∙min‐1

de agua pura, aire puro y seco y oxígeno puro y seco. El caudal de oxígeno es la
quinta parte que el de aire. La corriente de salida es única y contiene un 1.5% en
moles de agua.
Dibujar el diagrama de flujo y calcular todos los caudales y las concentraciones.

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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 4.3. Balance en sistemas sin reacción química
Con más de una unidad: Se comienza por el balance global, luego a los subsistemas,
y si es necesario, al punto de mezcla
Ejemplo 4.‐ Calcular los caudales y composiciones de las corrientes A, B y C

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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4.3. Balance en sistemas sin reacción química

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 4.4. Recirculación y purga
Recirculación:
Generalmente, los procesos empleados no tienen un rendimiento del 100%. No
importa que la cantidad de reactivo sea muy pequeña o el cuánto tiempo
permanezca A en el reactor, hay cantidad es de A que se encuentran en el flujo de
producto.
Es muy común encontrar la recirculación. De esta manera se separa el producto de
los materiales sin reaccionar y este material sin reaccionar retorna al circuito para
que reaccione.
• Mejor aprovechamiento del reactivo
• Recuperación de catalizadores
• Dilución de un fluido de un proceso
• Control de una variable de un proceso
• Circulación de un fluido de trabajo

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Se suele dar la relación de recirculación R/A
 4.4. Recirculación y purga

Bypass (desviación): Corriente se divide y se desvía hacia otras unidades.

Se utiliza para controlar composición y temperatura de la corriente receptora. Se
alimenta hacia delante en lugar de hacia atrás

D
A F
A, F y D tiene la misma composición

Purga: Extracción de parte del flujo de recirculación.

Se pretende evitar la acumulación de un inerte o de otra substancia que haría
imposible alcanzar el estado estacionario.

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 4.4. Recirculación y purga

Ejemplo 5.‐ Según el diagrama de bloques, calcular la relación de derivación y todos

los caudales

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4.4. Recirculación y purga

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4.4. Recirculación y purga

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 4.5. Balance en sistemas con reacción química

0=E–S+G–D Cuando hablamos de especies moleculares

0=E–S Cuando hablamos de especies atómicas
Importante los coeficientes estequiométricos

Reactivo limitante: se encuentra, respecto a cualquier otro, en menor cantidad que

su proporción estequiométrica.
Reactivo en exceso: se alimenta en mayor proporción que la estequiométrica.

na lim entado  nestequiométrico

% exceso 
nestequiométrico

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 4.5. Balance en sistemas con reacción química

Conversión (X): nº de moles de reactante que reaccionan dividido por moles

alimentados.
nreaccionan
X
na lim entados
Selectividad (S): cuando tengo reacciones múltiples, medida de la eficacia de un
reactor en la conversión de los reactivos a productos.

nR , formados R
SR 
nA ,convertidos A
S
Rendimiento (Rto):

nR , formados
RtoR 
nA ,a lim entados

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 4.5. Balance en sistemas con reacción química

Ejemplo 6.‐ Calcular la composición de la corriente de salida

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4.5. Balance en sistemas con reacción química

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 4.5. Balance en sistemas con reacción química

Reacciones de combustión
Si dos reactivos forman parte de una reacción, y uno es considerablemente más caro
que el otro, la práctica habitual es alimentar el reactivo más barato en exceso. Así se
consigue incrementar la conversión del reactivo más caro.
Un caso extremo es el aire, que es gratis. Por eso las reacciones de combustión
siempre se realizan aportando más aire del necesario estequiométricamente.

Definiciones:
Oxígeno estequiométrico: Los moles o caudal molar de oxígeno que se necesita para
quemar totalmente todo el combustible que entra al reactor, asumiendo que todo el
C se oxida a CO2 y todo el H se oxida a H2O.
Aire estequiométrico: La cantidad de aire que contiene el oxígeno estequiométrico.
Aire en exceso: en realidad, oxígeno en exceso, la cantidad alimentada que excede
del aire estequiométrico.

O2 ,real  O2 ,teórico
% exceso 
O2 ,teórico 37
 4.5. Balance en sistemas con reacción química

Reacciones de combustión
Gas de salida, composición en
• base seca: tener en cuenta todos los compuestos, excepto el agua
• base húmeda: tener en cuenta todos los compuestos, incluyendo el agua

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 4.5. Balance en sistemas con reacción química

Ejemplo 7.‐ Para asegurar combustión completa, se suministra un 20% de aire en

exceso a un horno que quema gas natural. La composición del gas (en volumen) es
95% CH4 y 5% C2H6. Calcular:
(a) los moles de aire requerido para 100 moles de combustible
(b) composición del gas de salida en base seca y húmeda

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