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 20 % de NaOH? Halla ṁ2.
ṁ1 = 650 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
Un evaporador concentra una disolución de azúcar evaporando agua pura. Halla el caudal de producto P en kg/h.
F = 2000 kg/hxF = 8 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Balance de energíaMedia
aceite ligero 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Cṁc = 1 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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Ct: 25 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
Un depósito de 50 L contiene 250 g de CH₄ a 15 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.
m = 250 gM = 16,04 g/molV = 50 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Halla la densidad ρ de CH₄ a 200 kPa y 120 °C, tratándolo como un gas ideal.
M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometríaMedia
10 g de N2 y 16 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 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 4 g de Al reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 15,42 g de AlCl3. Calcula el rendimiento porcentual Y.
M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 15,42 g
Y = %
3Disoluciones
1.Balance de materia
Respuesta: ṁ2 = 1300 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Despeja ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(40 − 20)/(20 − 10) = 1300 kg/h
Respuesta
ṁ2 = 1300 kg/h
2.Balance de materia
Respuesta: P = 457,1 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 = 2000·8/35 = 457,1 kg/h
Respuesta
P = 457,1 kg/h
3.Balance de energía
Respuesta: tout = 115,5 °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 = 2,5·2,1·(140 − 60) = 420 kW
Calor que recibe el agua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 420/(1·4,18) = 115,5 °C
Respuesta
tout = 115,5 °C
4.Balance de energía
Respuesta: ṁc = 2,135 kg/s
Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.
Calor cedido
Qh = 1,5·2,1·(160 − 60) = 315 kW
Calor que llega al agua
Qc = (1 − 0,15)·315 = 267,8 kW
Caudal de agua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 267,8/(4,18·30) = 2,135 kg/s
Respuesta
ṁc = 2,135 kg/s
5.Ley de los gases ideales
Respuesta: P = 746,8 kPa
Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.
Moles
n = m/M = 250/16,04 = 15,59 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K
Presión
P = nRT/V = 15,59·8,314·288,1/0,05 = 746,8 kPa
Respuesta
P = 746,8 kPa
6.Ley de los gases ideales
Respuesta: ρ = 0,9814 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 = 120 + 273,15 = 393,1 K
Densidad
ρ = 200·16,04/(8,314·393,1) = 0,9814 kg/m³
Respuesta
ρ = 0,9814 kg/m³
7.Estequiometría
Respuesta: m = 12,16 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) = 10/28,02 = 0,3569 mol
n(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol
Reactivo limitante
0,3569/1 = 0,3569, 7,937/3 = 2,646 → N2
Masa de producto
n(NH3) = 0,3569·2 = 0,7138 mol
m = 0,7138·17,03 = 12,16 g
Respuesta
m = 12,16 g
8.Estequiometría
Respuesta: Y = 78,01 %
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(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol
m = 0,1483·2/2·133,33 = 19,77 g
Rendimiento porcentual
Y = 15,42/19,77·100 = 78,01%
Respuesta
Y = 78,01%
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