balance de masas

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U3. TEMA 1
BALANCE DE MASA
	
1.1 PORCENTAJE DE PUREZA (P): Calcula la cantidad de reactivo puro presente en un reactivo de cierto grado de pureza 
1.2 DIAGRAMA DE BLOQUES: 
· Usa diagramas de bloques para representar las entradas y salidas en un proceso químico industrial.
1.3 BALANCE DE MASAS:
· Resuelve problemas de balance de masa usando sustancias sólidas, líquidos, en solución acuosa o en estado gaseoso. 
1. Balance de masa
Un balance de masa es una secuencia de cálculos que permite llevar la cuenta de todas las sustancias que intervienen en un proceso de producción. No es más que la aplicación de la ley de conservación de la masa que establece: “La masa no se crea ni se destruye”.
La realización de los balances de masa es importante para el cálculo del tamaño de los equipos que se emplearán en un proceso de producción, para la evaluación económica de procesos propuestos o existentes, en el control de procesos y en la optimización de los mismos. 
Por otro lado, las sustancias y reactivos químicos usados en la industria pueden contener una cierta cantidad de impurezas, tales como metales pesados, inertes y otros.  Cuando se realiza el balance de masa es necesario tener en cuenta el porcentaje de pureza de estos reactivos. 
1.1 Porcentaje de Pureza 
Los reactivos pueden contener impurezas, es decir, sustancias que no participan en la reacción química que estamos estudiando. Para diferenciar la parte de reactivo que sí reaccionará (parte pura) de la que no (parte impura), se define el % de pureza como:
	
H1. Calcula la cantidad de reactivo puro presente en un reactivo de cierto grado de pureza
Ejercicio resuelto 1: 
Si una muestra de 500g de piedra caliza tiene una pureza del 80% con respecto al carbonato de calcio (CaCO3) que contiene, ¿cuál será la masa pura de esta sal?
Solución: 
En forma directa, el cálculo de la masa pura de carbonato de calcio (CaCO3) será:
	¡Ahora tú sólo! 
La obsidiana, llamada a veces vidrio volcánico, presenta 70% de óxido de silicio (SiO2), si se tiene 2,3 toneladas de obsidiana ¿Cuántos kilogramos de óxido de silicio tenemos? 
1.2 Diagrama de bloques
El diagrama de bloques es una representación gráfica del balance de masa. Muestra las entradas y salidas de materia en el proceso de cambio.
Las sustancias pueden entrar, salir, producirse, acumularse o consumirse durante el proceso. Todas las sustancias que ingresan en un proceso recibe el nombre de alimentación o entrada, mientras que las que emergen del proceso se llaman producto o salida. 
Veamos algunos procesos que se dan en la industria (físicos y químicos): 
	PROCESOS FÍSICOS
	PROCESOS QUÍMICOS
	Evaporación
	Combustión
	Destilación
	Descomposición
	Cristalización
	Neutralización
	Secado
	Electrólisis
	Mezclado
	Fermentación
	Filtrado
	Polimerización
	Tamizado
	Hidrogenación
	
H2. Usa diagramas de bloques para representar las entradas y salidas en un proceso químico industrial
Ejercicio resuelto 2: 
Muestre el diagrama de bloques correspondiente al proceso de evaporación (proceso físico)
Solución
	Ejercicio resuelto 3: 
Muestre el diagrama de bloques correspondiente al proceso de combustión (proceso químico)
Solución
 
	Si el reactivo tiene impurezas, estas no participan en la reacción, pero deben considerarse en el diagrama de bloques y en el balance de masa correspondiente. Así mismo, la cantidad del reactivo en exceso que no reacciona debe ser considerado en las salidas.
Flecha vertical excesos o impurezas 
Las salidas flecha vertical o horizontal
TODO LO QUE ENTRA DEBE SER IGUAL A LO QUE SALE.
	¡Ahora tú sólo! 
El silicio representa más de la cuarta parte de la corteza terrestre y es el segundo elemento químico más abundante. El silicio comercial se obtiene a partir de sílice de alta pureza (98% de SiO2) en un horno de arco eléctrico, reduciendo el óxido de silicio con carbono en exceso. La reacción que se lleva a cabo es la siguiente: SiO2(s) + 2 C(s) → Si(s)+ 2CO(g)
Complete el diagrama de flujo, indicando todas las sustancias que ingresan y salen; 
……………
Horno de arco eléctrico
……………….
…………. 
 …………………
………………
……………
	
1.3 Balance de Masa
El balance se basa en la Ley de conservación de la masa: “En una reacción química la masa no se crea ni se destruye solo se transforma”. 
En general, se la reacción química: A + B C + D
Entonces su diagrama de entradas y salidas será:
Donde:
A y B: reactivos			C y D: productos			m: masa
 
Debe cumplirse que:
	mA + mB = mC + mD
Es decir:
	
	
H3. Resuelve problemas de balance de masa en procesos químicos (con sustancias sólidas, en solución acuosa o en estado gaseoso) aplicando rigurosamente las relaciones estequiométricas y la ley de conservación de la masa
Ejercicio resuelto 4: 
En cierta empresa metalúrgica se hace reaccionar 109,2 kg NiS con 150 kg de oxígeno, para producir el óxido de níquel y dióxido de azufre, según la siguiente reacción sin balancear:
 			NiS(s) + O2 (g) → NiO (s) + SO2 (g)
Determine las cantidades (kg) de todos los materiales que participan en el proceso. 
Solución
(Estrategia: Coloca la reacción química balanceada y escribe las relaciones cuantitativas. Observa si algún reactivo es impuro o contiene impurezas, si es así, calcula la masa pura. Asume que uno de los reactivos se consume totalmente, determina con cuidado el RL y RE (si es que los hay). Es importante hallar la cantidad de producto (si hay RL, los productos se obtienen con el RL). Usa el diagrama de bloques para representar el proceso)
1. Reacción química balanceada y las relaciones cuantitativas 
 2 NiS(s) + 3 O2 (g) → 2 NiO (s) + 2 SO2 (g)
 RE en masa (kg): RE en masa (kg) 182 kg 96 kg 150 kg 128 kg
2. Ambos reactivos son puros de acuerdo con el texto.
3. Verifiquemos si hay RL y RE
 El RE es el oxígeno, queda sin reaccionar 92,4 kg de O2 
 El RL es el NiS
4. Hallamos los productos con el RL
5. Entonces el diagrama de entradas y salidas será:
6. Finalmente comprobamos que los cálculos hechos cumplan con la conservación de la masa:
 masa que ingresa = masa que sale
109,2 kg + 150 kg = 92,4 kg +90 kg +76,8 kg
 259,2 kg = 259,2 kg Balance de masa completo.
	¡Ahora tú sólo! 
Todos los alimentos se transforman esencialmente en glucosa (C6H12O6) durante el metabolismo. Para la combustión completa de 18 g de glucosa en presencia de 32 g de oxígeno. Represente el diagrama de bloques y realice el balance de masas. 
	
H3. Resuelve problemas de balance de masa en procesos químicos (con sustancias sólidas, en solución acuosa o en estado gaseoso) aplicando rigurosamente las relaciones estequiométricas y la ley de conservación de la masa
Ejercicio resuelto 5: 
El mineral conocido como millerita contiene 60 % de NiS. En cierta empresa metalúrgica se hace reaccionar 200 kg del mineral millerita con 180 kg de oxígeno, para producir óxido de níquel (II) y dióxido de azufre, según la siguiente reacción sin balancear:
 			 NiS(s) + O2 (g) → NiO (s) + SO2 (g)
Determine las cantidades (kg) de todos los materiales que participan en el proceso.
Solución
Estrategia: Coloca reacción química balanceada y escribe las relaciones cuantitativas. Observa si hay algún reactivo que tiene impurezas, si es así, calcula la pureza. Asume que uno de los reactivos se consume totalmente, determina con cuidado el RL y RE (si es que los hay). Es importante hallar la cantidad de producto (si hay RL, los productos se obtienen con el RL). Usa el diagrama de bloques para representar el proceso.
1. Reacción química balanceada y las relaciones cuantitativas:
 2 NiS(s)+ 3 O2 (g) → 2 NiO (s) + 2 SO2 (g)
 RE en masa (kg): 
 RE en masa (kg): 182 kg 96 kg 150 kg 128 kg
2. Hallando la masa pura y masa de impurezas:
 masa pura= 0,60 x 200 = 120 kg de NiS masa de impurezas = 80 kg
3. Verifiquemos si hay RL y RE:
 El RE es el oxígeno, queda sin reaccionar 116,70 kg de O2 
 El RL es el NiS
4. Hallamos los productos con el RL
5. Entonces el diagrama de entradas y salidas será:
6. Finalmente comprobamos que los cálculos hechos cumplan con la conservación de la masa:
 masa que ingresa = masa que sale
200 kg + 180 kg = 116,70 kg +98,9 kg +84,4 kg+ 80 kg
380 kg = 380 kg Balance de masa completo
	¡Ahora tú sólo! 
La piedra caliza es un mineral que contiene 80% de carbonato de calcio, la cual al someterla a elevadas temperaturas se descompone en CO2 y CaO. Si se calentó 250 kg de piedra caliza realice el diagrama correspondiente indicando las entradas y salidas.
EJERCICIOS PARA SER TRABAJADO EN CLASE
H1. Calcula la cantidad de reactivo puro presente en un reactivo de cierto grado de pureza
1. Al poner en contacto una barra de “plata-720” (al 72 % de pureza) con una solución de ácido nítrico se produce la siguiente reacción: 
 3 Ag(s) + 4 HNO3 (ac) 3 AgNO3(ac) + NO(g) + 2 H2O (l)
Si la barra que se puso a reaccionar pesa 200 g de “plata-720” con un exceso de ácido nítrico, ¿cuántos gramos de nitrato de plata en gramos se obtendrá?
	
2. En un tanque de experimentación de 10 000 L, se calcinó 500 kg de caliza (con 75% de CaCO3) a 500°C. Determine la presión, en atmósferas, que tendrá que soportar el tanque al final de la calcinación. 
CaCO3(s) CO2(g) + CaO(s) 
	
3. La siderita es el mineral que contiene 92% de carbonato ferroso. ¿Qué cantidad en gramos de óxido ferroso sólido y gas dióxido de carbono se obtendrán por descomposición térmica de 250 g de siderita?
	 
H2: Usa diagramas de bloques para representar las entradas y salidas en un proceso químico industrial
4. Analiza el siguiente diagrama de bloques para la producción de hierro (Fe) SO2
O2 
 
	
Horno
 Fe2S3
 Fe
 O2
Plantea la ecuación química para la producción de hierro, indica el reactivo limitante, el reactivo en exceso e indique si los reactivos usados presentan impurezas.
	
5. Uno de los procesos metalúrgicos de obtención de aluminio es por reducción electrolítica de la alúmina (con 60% de Al2O3), mediante ánodo de carbono. La reacción que se lleva a cabo es la siguiente :
Al2O3(s) + C(s) → Al(s) + CO2(g)
Si 1000 kg de alúmina reacciona con 300 kg de carbono. Determine el balance de masa correspondiente.
	
H3. Resuelve problemas de balance de masa en procesos químicos (con sustancias sólidas, en solución acuosa o en estado gaseoso) aplicando rigurosamente las relaciones estequiométricas y la ley de conservación de la masa
6. El caldero pirotubular de una planta industrial funciona quemando completamente gas propano (C3H8) con aire. Los gases de combustión que se producen en la reacción calientan el agua del caldero generando vapor saturado. La reacción de combustión del gas propano es:
 C3H8(g) + 5O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(g)
Si se alimenta al quemador del caldero 40 kg de gas C3H8 con la cantidad necesaria de aire (considere 23 % en peso de O2, 77 % en peso de N2). Con esta información realice el diagrama de entradas y salidas y compruebe el balance de masa.
	
7. El GNV o Gas Natural Vehicular, que para el caso del Perú es el Gas Natural proveniente de Camisea o de cualquier yacimiento gasífero, es comprimido en las estaciones de servicio, luego almacenado en cilindros de vehículos especialmente diseñados y finalmente es usado como combustible.
El GNV está formado por metano, CH4, y otras sustancias que se les puede considerar como impurezas. Durante unas pruebas se quemaron 1,5 m3 de GNV (d = 0,65kg/m3), con oxígeno, O2. 
CH4(g) + O2(g) 
El diagrama de entradas y salidas de materiales de un proceso de combustión del gas natural de Camisea se muestra a continuación: 
A partir de la información dada se pide que:
a) Determine: la masa en gramos de GNV, la masa en gramos de gas metano CH4, el porcentaje de pureza del GNV, la cantidad de oxígeno que ingresa al combustor y la masa de cada una de las sustancias producidas. 
b) Realice el balance de masas para comprobar sus resultados. 
	
H3. Resuelve problemas de procesos químicos (con sustancias sólidas, en solución acuosa o en estado gaseoso) aplicando rigurosamente las relaciones estequiométricas y la ley de conservación de la masa
En un tanque de combustión de 8 m3 a 500 °C, la presión del CO2 después de la reacción fue de 0,285 atm. Determine la masa, en gramos, de gasolina (C8H18) que había como mínimo en el tanque antes de la reacción. Realice el diagrama de entradas y salidas y compruebe el balance de masa.
C8H18 (l) + O2(g) CO2(g) + H2O(l)
	
CASO 7
	Espacio para pegar el caso proporcionado en clase
	
 Ejercicios para reforzar
1. Se quema etano (C2H6) con aire en exceso en un reactor. Si en dicho proceso, reacciona solo el 85% de etano. Elabore el diagrama de bloques correspondiente a dicho proceso, identificando las corrientes de entrada y salida.
2. Se quema metano en un reactor para formar dióxido de carbono y agua:
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(v)
Para ello se utiliza una corriente de gas metano con una corriente de aire en exceso (23% de oxígeno y 77% de nitrógeno). Elabore el diagrama de bloques correspondiente a dicho proceso identificando las corrientes de entradas y salidas. 
3. La producción de hierro a partir de sus minerales se realiza a través de una reacción química. La ecuación de dicha reacción es la siguiente: 
Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(s) + 3CO2(g)
Si en el alto horno se colocan 400 toneladas de un mineral de óxido férrico (Fe2O3) al 80% pureza con 252 toneladas de CO, determine:
1. la cantidad de dinero obtenida por la producción de Fe, si el precio del Fe por Tonelada es de $59 y el rendimiento del proceso es del 90%.
1. el volumen del gas producido si tiene una temperatura de 250°C y 100atm de presión, 
1. Represente el proceso por medio de diagrama de bloques y compruebe el balance de masa. 
4. Una planta industrial produce CO2 mediante el tratamiento de piedra caliza, que contienen 70% de CaCO3, con ácido sulfúrico comercial al 94% en peso.
 CaCO3(s) + H2SO4(ac) → CaSO4(ac) + CO2(g) + H2O(l)
La planta trabaja con 142.85 t de piedra caliza 141 t de ácido comercial. Se pide:
a) Represente el proceso por medio de diagrama de bloques y compruebe el balance de masa
b) Indique el costo del tratamiento de agua residual generada por el proceso, si el costo por kg es de $5. 
c) Calcular el volumen de CO2 formado a condiciones normales. . 
	¿Quedaste con alguna duda? ¿Te gustaría profundizar más? A continuación te sugerimos bibliografía complementaria 
Bibliografía
· BROWN Theodore L.LeMay, H. Eugene y otros (2014) Química: la ciencia central. México D.F. : Pearson Educación.(540 BROW 2014)
· CHANG, Raymond (2011) Fundamentos de química. México, D.F. : McGraw-Hill Interamericana. (540 CHAN/F)
· WHITTEN Kenneth W.Davis, Raymond E., y otros (2015) Química. México, D.F. : McGraw-Hill. (540 WHIT/Q 2015
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