Balances de materia y energía: problemas de práctica y preguntas de examen

El núcleo del primer curso de ingeniería química: balances de materia en mezcladores, separadores y reactores, balances de energía, comportamiento de los gases y estequiometría.

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Pack de repaso (PDF)Hojas de fórmulas, pasos de los métodos y problemas de práctica con soluciones completas, listos para imprimir.

Temas de esta asignatura

  1. Balance de materiamezcla de dos corrientes · mezcla hasta un objetivo · evaporadorcálculos
  2. Balance de energíacalentar una corriente · intercambiador de calor · intercambiador con pérdidascálculos
  3. Ley de los gases idealesP a partir de n, V, T · a partir de la masa · cambio de estado o densidadcálculos
  4. Estequiometríade masa a masa · reactivo limitante · rendimiento porcentualcálculos

Consejos para el examen de Balances de materia y energía

  • Dibuja el diagrama de flujo y etiqueta cada corriente antes de escribir un balance.
  • Cuenta las incógnitas y las ecuaciones independientes antes de empezar a resolver.
  • Elige una base de cálculo, como 100 kg/h, cuando no se da ningún caudal.

Ejemplos resueltos

Balance de materiaFácil
MezcladorCorriente 1300 kg/h · 30% salCorriente 2250 kg/h · 40% salCorriente 3x₃ = ? %

Se mezclan dos disoluciones de sal en estado estacionario. Halla la fracción másica de sal en la salida x3.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 30 %ṁ2 = 250 kg/hx2 = 40 %

Calcula x3 (%)

Mostrar pistas
  1. En estado estacionario, lo que entra sale: escribe un balance total y uno del componente disuelto.
  2. Total: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃. Componente: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃.
  3. ṁ3 = 550 kg/h.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida, para la masa total y por separado para cada componente (sin reacción).

Balance total

ṁ3 = ṁ1 + ṁ2 = 300 + 250 = 550 kg/h

Balance de Sal

ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
x3 = (300·30 + 250·40)/550 = 34,55 %

Respuesta

x3 = 34,55 %
Balance de energíaMedia
lado calientelado fríomezcla de glicol · 150 °C120 °Cagua · 15 °Ct = ? °C

mezcla de glicol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C

Calcula tout (°C)

Mostrar pistas
  1. El calor que pierde la corriente caliente es igual al que gana la fría.
  2. Halla primero Q en el lado caliente, ya que conoces sus dos temperaturas.
  3. Q = 108 kW.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor cedido por la corriente caliente

Q = 1·3,6·(150 − 120) = 108 kW

Calor que recibe el agua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 108/(1·4,18) = 40,84 °C

Respuesta

tout = 40,84 °C

Cómo funciona la práctica

  • «Practicar esta asignatura» mezcla problemas de todos sus temas, como en un examen real.
  • Cada problema tiene valores nuevos, así aprendes el método y no una respuesta.
  • ¿Te has atascado? Abre primero una pista pequeña y la explicación completa solo cuando la necesites.
  • Los simulacros de examen son cronometrados y no tienen pistas; al final recibes tu nota y una revisión completa.

Calculadoras para esta asignatura

Calculadora de la ley de los gases idealesCalculadora del rendimiento porcentualCalculadora de estequiometría (de gramos a gramos y reactivo limitante)Calculadora de masa molarCalculadora de la ley combinada de los gases (Boyle, Charles y Gay-Lussac)Calculadora de fórmula empírica (y fórmula molecular)

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