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 30 % de sal? Halla ṁ2.
ṁ1 = 950 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
Un evaporador concentra una disolución de sal evaporando agua pura. Halla el caudal de producto P en kg/h.
F = 1700 kg/hxF = 16 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
etanol caliente enfría agua en un intercambiador a contracorriente sin pérdidas de calor. Halla la temperatura de salida del agua tout.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
aceite ligero caliente calienta agua en un intercambiador que pierde hacia el entorno el 15 % del calor cedido por la corriente caliente. Halla el caudal de agua ṁc necesario.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 90 °Ct: 10 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
¿Qué volumen V ocupan 490 g de N₂ a 750 kPa y 20 °C? Trátalo como un gas ideal.
m = 490 gM = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ley de los gases idealesDifícil
Una cantidad fija de CO₂ pasa de 350 kPa, 10 L, 35 °C a 200 kPa y 120 °C. Halla el nuevo volumen V2.
P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 200 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
30 g de C3H8 y 48 g de O2 reaccionan según C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ¿Qué masa m de H2O se puede formar?
M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
En la reacción 2H2 + O2 → 2H2O, 6 g de H2 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 29,5 g de H2O. Calcula el rendimiento porcentual Y.
M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 29,5 g
Y = %
3Disoluciones
1.Balance de materia
Respuesta: ṁ2 = 633,3 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) = 950·(20 − 30)/(30 − 45) = 633,3 kg/h
Respuesta
ṁ2 = 633,3 kg/h
2.Balance de materia
Respuesta: P = 544 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 = 1700·16/50 = 544 kg/h
Respuesta
P = 544 kg/h
3.Balance de energía
Respuesta: tout = 51,48 °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 = 2,5·2,44·(170 − 120) = 305 kW
Calor que recibe el agua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 305/(2·4,18) = 51,48 °C
Respuesta
tout = 51,48 °C
4.Balance de energía
Respuesta: ṁc = 0,427 kg/s
Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.
Calor cedido
Qh = 0,5·2,1·(160 − 90) = 73,5 kW
Calor que llega al agua
Qc = (1 − 0,15)·73,5 = 62,48 kW
Caudal de agua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 62,48/(4,18·35) = 0,427 kg/s
Respuesta
ṁc = 0,427 kg/s
5.Ley de los gases ideales
Respuesta: V = 56,85 L
Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.
Moles
n = 490/28,01 = 17,49 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Volumen
V = nRT/P = 17,49·8,314·293,1/750 = 56,85 L
Respuesta
V = 56,85 L
6.Ley de los gases ideales
Respuesta: V2 = 22,33 L
Ley combinada de los gases: para una cantidad fija de gas ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperaturas absolutas
T1 = 308,1 K, T2 = 393,1 K
Ley combinada de los gases
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/200)·(393,1/308,1) = 22,33 L
Respuesta
V2 = 22,33 L
7.Estequiometría
Respuesta: m = 21,62 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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol
Reactivo limitante
0,6803/1 = 0,6803, 1,5/5 = 0,3 → O2
Masa de producto
n(H2O) = 0,3·4 = 1,2 mol
m = 1,2·18,02 = 21,62 g
Respuesta
m = 21,62 g
8.Estequiometría
Respuesta: Y = 55,01 %
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(H2) = 6/2,016 = 2,976 mol
m = 2,976·2/2·18,02 = 53,63 g
Rendimiento porcentual
Y = 29,5/53,63·100 = 55,01%
Respuesta
Y = 55,01%
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