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 25 % de azúcar? Halla ṁ2.
ṁ1 = 200 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balance de materiaDifícil
Un evaporador concentra una disolución de azúcar evaporando agua pura. Halla el agua evaporada W en kg/h.
F = 4800 kg/hxF = 12 %xP = 50 %
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: 120 → 90 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balance de energíaDifícil
mezcla de glicol 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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)pérdida = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ley de los gases idealesMedia
Un depósito de 50 L contiene 270 g de He a 50 °C. Trátalo como un gas ideal y halla la presión P.
m = 270 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ley de los gases idealesDifícil
Una cantidad fija de CO₂ pasa de 250 kPa, 20 L, 25 °C a 600 kPa y 160 °C. Halla el nuevo volumen V2.
P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 600 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
7.EstequiometríaMedia
24 g de Al y 24 g de Cl2 reaccionan según 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. ¿Qué masa m de AlCl3 se puede formar?
M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.EstequiometríaDifícil
En la reacción CaCO3 → CaO + CO2, 20 g de CaCO3 reaccionan por completo (los demás reactivos en exceso) y se recogen 7,74 g de CO2. Calcula el rendimiento porcentual Y.
M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 7,74 g
Y = %
3Disoluciones
1.Balance de materia
Respuesta: ṁ2 = 400 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
azúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Despeja ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(45 − 25)/(25 − 15) = 400 kg/h
Respuesta
ṁ2 = 400 kg/h
2.Balance de materia
Respuesta: W = 3648 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 = 4800·12/50 = 1152 kg/h
Balance total
W = F − P = 4800 − 1152 = 3648 kg/h
Respuesta
W = 3648 kg/h
3.Balance de energía
Respuesta: tout = 118,3 °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·(120 − 90) = 216 kW
Calor que recibe el agua
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 216/(0,5·4,18) = 118,3 °C
Respuesta
tout = 118,3 °C
4.Balance de energía
Respuesta: ṁc = 2,325 kg/s
Balance de energía con pérdidas: calor cedido = calor absorbido + calor perdido.
Calor cedido
Qh = 2,5·3,6·(140 − 80) = 540 kW
Calor que llega al agua
Qc = (1 − 0,1)·540 = 486 kW
Caudal de agua
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 486/(4,18·50) = 2,325 kg/s
Respuesta
ṁc = 2,325 kg/s
5.Ley de los gases ideales
Respuesta: P = 3624 kPa
Ley de los gases ideales: PV = nRT, con n = m/M.
Moles
n = m/M = 270/4,003 = 67,45 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Presión
P = nRT/V = 67,45·8,314·323,1/0,05 = 3624 kPa
Respuesta
P = 3624 kPa
6.Ley de los gases ideales
Respuesta: V2 = 12,11 L
Ley combinada de los gases: para una cantidad fija de gas ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperaturas absolutas
T1 = 298,1 K, T2 = 433,1 K
Ley combinada de los gases
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/600)·(433,1/298,1) = 12,11 L
Respuesta
V2 = 12,11 L
7.Estequiometría
Respuesta: m = 30,09 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(Al) = 24/26,98 = 0,8895 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol
Reactivo limitante
0,8895/2 = 0,4448, 0,3385/3 = 0,1128 → Cl2
Masa de producto
n(AlCl3) = 0,1128·2 = 0,2257 mol
m = 0,2257·133,33 = 30,09 g
Respuesta
m = 30,09 g
8.Estequiometría
Respuesta: Y = 88,01 %
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(CaCO3) = 20/100,09 = 0,1998 mol
m = 0,1998·1/1·44,01 = 8,794 g
Rendimiento porcentual
Y = 7,74/8,794·100 = 88,01%
Respuesta
Y = 88,01%
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