Balance de materia
- Estado estacionario
- entrada = salida
- Balance total
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Balance por componente
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Evaporador
- F·xF = P·xP, W = F − P
Balances de materia y energía: pack de repaso
Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.
1Fórmulas y métodos
Balance de energía
- Calor sensible
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Calor latente
- Q = ṁ·hfg
- Mezcla
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Agua
- cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)
Ley de los gases ideales
- Ley de los gases ideales
- pV = nRT
- Constante de los gases
- R = 8,314 J/(mol·K)
- Ley combinada de los gases
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- Moles
- n = m/M
- Temperatura
- T[K] = T[°C] + 273,15
Estequiometría
- Moles
- n = m/M
- Concentración
- c = n/V
- Relación molar
- usa los coeficientes de la ecuación ajustada
- Reactivo limitante
- el que se agota primero
- Rendimiento porcentual
- real / teórico × 100%
Método
- Escribe y ajusta la ecuación química.
- Pasa la masa dada a moles: n = m/M.
- Usa los coeficientes como relación molar para hallar los moles de la sustancia que buscas.
- Vuelve a pasar a masa con m = n·M. Con dos reactivos, halla primero el reactivo limitante.
2Problemas de práctica
1.Balance de materiaMedia
¿Cuánto de la corriente 2 hay que añadir cada hora a la corriente 1 para que la mezcla contenga un 10 % de sal? Halla ṁ2.
ṁ1 = 250 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el agua evaporada W en kg/h.
F = 4800 kg/hxF = 15 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Balance de energíaMedia
mezcla de glicol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 10 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
¿Qué volumen V ocupan 490 g de CH₄ a 350 kPa y 100 °C? Trátalo como un gas ideal.
m = 490 gM = 16,04 g/molP = 350 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Halla la densidad ρ de CO₂ a 100 kPa y 170 °C, tratándolo como un gas ideal.
M = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
4 g de N2 y 80 g de H2 reaccionan según N2 + 3H2 → 2NH3. ¿Qué masa m de NH3 se puede formar?
M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
En la reacción 2Na + Cl2 → 2NaCl, 8 g de Na reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 16,68 g de NaCl. Calcula el rendimiento porcentual Y.
M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 16,68 g
Y = %
3Disoluciones
1.Balance de materia
Respuesta: ṁ2 = 35,71 kg/h
Balance de materia en estado estacionario: entrada = salida para el total y para cada componente. Los problemas de mezcla combinan ambos.
Balances
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Despeja ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(5 − 10)/(10 − 45) = 35,71 kg/h
Respuesta
ṁ2 = 35,71 kg/h
2.Balance de materia
Respuesta: W = 3692 kg/h
Componente de enlace: un componente que pasa sin cambios por una sola corriente (aquí el soluto) relaciona los caudales directamente. Después el balance total da el resto.
Balance de soluto
F·xF = P·xP → P = 4800·15/65 = 1108 kg/h
Balance total
W = F − P = 4800 − 1108 = 3692 kg/h
Respuesta
W = 3692 kg/h
3.Balance de energía
Respuesta: tout = 50,84 °C
Balance de energía del intercambiador: sin pérdidas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Calor cedido por la corriente caliente
Q = 2·3,6·(170 − 140) = 216 kW
Calor que recibe el agua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 216/(2·4,18) = 50,84 °C
Respuesta
tout = 50,84 °C
4.Balance de energía
Respuesta: ṁc = 0,5167 kg/s
Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.
Calor cedido
Qh = 2·2,1·(160 − 120) = 168 kW
Calor que llega al agua
Qc = (1 − 0,1)·168 = 151,2 kW
Caudal de agua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 151,2/(4,18·70) = 0,5167 kg/s
Respuesta
ṁc = 0,5167 kg/s
5.Ley de los gases ideales
Respuesta: V = 270,8 L
Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.
Moles
n = 490/16,04 = 30,55 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K
Volumen
V = nRT/P = 30,55·8,314·373,1/350 = 270,8 L
Respuesta
V = 270,8 L
6.Ley de los gases ideales
Respuesta: ρ = 1,195 kg/m³
Densidad de un gas ideal: ρ = PM/(RT).
Reordena la ley de los gases
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 170 + 273,15 = 443,1 K
Densidad
ρ = 100·44,01/(8,314·443,1) = 1,195 kg/m³
Respuesta
ρ = 1,195 kg/m³
7.Estequiometría
Respuesta: m = 4,862 g
Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.
Moles de cada reactivo
n(N2) = 4/28,02 = 0,1428 mol
n(H2) = 80/2,016 = 39,68 mol
Reactivo limitante
0,1428/1 = 0,1428, 39,68/3 = 13,23 → N2
Masa de producto
n(NH3) = 0,1428·2 = 0,2855 mol
m = 0,2855·17,03 = 4,862 g
Respuesta
m = 4,862 g
8.Estequiometría
Respuesta: Y = 82,02 %
Estequiometría: una ecuación ajustada cuenta partículas, no gramos. Pasa la masa a moles con n = m/M, usa los coeficientes de la ecuación como relación molar y vuelve a masa con m = n·M. Con dos reactivos, el reactivo limitante es el que se agota primero y fija cuánto producto se forma.
Rendimiento teórico
n(Na) = 8/22,99 = 0,348 mol
m = 0,348·2/2·58,44 = 20,34 g
Rendimiento porcentual
Y = 16,68/20,34·100 = 82,02%
Respuesta
Y = 82,02%
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