Balance de Materia

Capítulo 3
Balances de materia
En los dos capítulos previos se han dado los aspectos fundamentales para realizar cálculos
en ingeniería (sistemas de unidades, magnitudes físicas elementales, manejo de las
ecuaciones dimensionales, entre otros) así como los fundamentos de la química general para
un ingeniero. En este capítulo, se reunen todos los conocimientos previos para estudiar ahoraprocesos químicos industriales y sus variables, dentro del contexto de la ingeniería. Se
comenzará por los aspectos básicos de los balances de materia, considerando tanto los casos
de procesos estacionarios no reactivos como reactivos.
El contenido de este capítulo se apoya principalmente en las referencias
bibliográficas más reconocidas del área: Felder y Rousseau (2004) y Himmelblau (1997).3.1 Fundamentos del balance de materia
En primer lugar, recordemos algunas definiciones necesarias para introducir las operaciones
o procesos unitarios.
Un sistema se puede entender como un conjunto de componentes que actúan de
manera conjunta a fin de cumplir con cierto(s) objetivo(s). No necesariamente se limita a
objetivos meramente físicos, sino que puede aplicarse a fenómenosdinámicos abstractos
pertenecientes a otras áreas del conocimiento (economía, biología, antropología,...).
Un proceso se puede definir, según el diccionario, como una operación o conjunto
de operaciones que se suceden unos a otros de modo relativamente fijo, y que producen un
resultado final. Se puede hablar de procesos biológicos, económicos, físicos, químicos, entre
otros.
Cuando se estudia unsistema, o una porción de un sistema, es imprescindible
establecer la frontera del sistema. Dependiendo del proceso (o procesos) a ser analizados,
habrá que delimitar hasta donde una unidad o parte pertenece o no al sistema objeto de

Apuntes de Procesos Químicos para Ingeniería de Sistemas

Claudia S. Gómez Quintero

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estudio. Al delimitar el objeto de estudio, es posible formularlas estrategias de análisis y
resolución del problema planteado. Toda parte o componente que no pertenece al sistema en
estudio (que está fuera de la frontera del sistema) se considera parte de los alrededores o del
entorno.

Un sistema se considera abierto cuando se transfiere materia por la frontera del
sistema; es decir, que entra materia del entorno al sistema o sale materia del sistemahacia el
entorno, o ambas cosas. Un sistema es cerrado cuando no tiene lugar una transferencia
semejante de materia, durante el intervalo de tiempo en el que se estudia el sistema.
Un balance de materia es simplemente la aplicación de la Ley de conservación de la
masa: “La materia no se crea ni se destruye”. En un proceso químico, en particular, no es
más que el conteo o inventario de cuántoentra, sale y se usa de cada componente químico
que inteviene en cada proceso. Se podría traducir la ley de conservación de la masa, para
este caso, como sigue: El total de la masa que entra a un proceso o unidad es igual al total

de la masa que sale de esa unidad. Obsérvese que se hace referencia a la masa y no a la
cantidad de materia (medida en moles) ni a cualquier otra relación físicade los componentes
(volumen, área,...).
Los balances de materia se aplican a cualquier sistema al que se le hayan definido
sus fronteras, no importa si su naturaleza es física, química o abstracta. Son una de las
herramientas básicas de análisis de los sistemas, así como también lo son: el balance de
energía, las relaciones físico-químicas entre algunas variables y las especificaciones orestricciones en el funcionamiento del proceso.
Se entiende por variable de un proceso a una magnitud física que caracteriza una
operación de un proceso. Por ejemplo, las temperaturas, presiones, volúmenes y velocidades
de flujo son variables de un proceso.
Los diagramas de flujo son muy útiles al momento de analizar un sistema. Estos
diagramas permiten representar mediante rectángulos las...