Ejemplos resueltos de balances de materia y energía
Cada ejemplo trae el enunciado, el procedimiento completo (diagrama, grados de libertad, ecuaciones, solución y verificación), las claves para entenderlo y los errores más comunes. Todos se pueden abrir en la calculadora para cambiar los datos.
Sin reacción
Balance de materia en un mezclador: etanol y agua
Ejemplo resuelto paso a paso de un mezclador de etanol y agua: balances por componente, fracción másica de la mezcla y verificación del cierre.
Sin reacciónMezclador con unidades distintas: kmol/h y lbmol/min
Ejemplo resuelto de un mezclador de metano y etano con flujos en kmol/h y lbmol/min: conversión de unidades paso a paso y composición de la mezcla.
Sin reacciónDivisor de corriente: cómo se plantea y por qué la composición no cambia
Ejemplo resuelto de un divisor que reparte 200 kmol/h de aire: fracción de división, misma composición en las salidas y conteo de grados de libertad.
Sin reacciónBalance de materia en una columna de destilación (benceno-tolueno)
Ejemplo resuelto de una columna de destilación benceno-tolueno: flujos de destilado y fondos con dos balances, recuperación de benceno y verificación.
Sin reacciónBalance de materia en un secador de sólidos
Ejemplo resuelto de un secador: sólidos con 60 % de agua secados a 10 %. Uso del componente de enlace, agua evaporada y error típico de restar porcentajes.
Sin reacciónEvaporador de salmuera en unidades inglesas (lbm/h)
Ejemplo resuelto de un evaporador que concentra salmuera de 10 % a 25 % de NaCl con flujos en lbm/h. Concentrado, vapor y conversión a kg/h.
Sin reacciónAbsorción de amoniaco en agua
Ejemplo resuelto de una columna de absorción que recupera el 98 % del amoniaco de una corriente de aire con agua: agua necesaria y composición de las salidas.
Varios equipos
Tren de dos columnas de destilación con recuperaciones
Ejemplo resuelto de dos columnas en serie para hexano, benceno y tolueno usando fracciones de recuperación. Orden de solución por grados de libertad.
Varios equiposDerivación (bypass): concentrar jugo y mezclar para ajustar la composición
Ejemplo resuelto de una derivación: parte del jugo rodea el evaporador para obtener un producto con 42 % de sólidos. Fracción derivada y agua evaporada.
Con reacción
Reactor de amoniaco: conversión y grado de avance
Ejemplo resuelto de un reactor de síntesis de amoniaco con 25 % de conversión de N₂: grado de avance, balance por especie y por qué cambian los moles.
Con reacciónProceso Deacon: cloro a partir de HCl con aire en exceso
Ejemplo resuelto del proceso Deacon (4 HCl + O₂ → 2 Cl₂ + 2 H₂O) con 25 % de aire en exceso y 75 % de conversión: composición de los gases de salida.
Con reacciónÓxido de etileno: reactor y separador con 80 % de rendimiento
Ejemplo resuelto de dos equipos con dos reacciones: oxidación de etileno con 25 % de conversión y 80 % de rendimiento, seguida de un separador.
Combustión
Combustión de metano con 20 % de aire en exceso
Ejemplo resuelto de combustión completa de metano con 20 % de aire en exceso: oxígeno teórico, flujo de aire, gases de combustión en base húmeda y seca.
CombustiónCombustión incompleta de propano: dos reacciones y CO en los gases
Ejemplo resuelto de combustión de propano con 30 % de aire en exceso y formación de CO: dos reacciones, razón CO₂/CO y composición de los gases.
CombustiónCombustión de gas natural (metano y etano) con análisis en base seca
Ejemplo resuelto de combustión completa de un gas natural con 90 % de metano y 10 % de etano, con 15 % de aire en exceso. Gases en base húmeda y seca.
Reciclo y purga
Proceso con reciclo: conversión en un paso de 20 %
Ejemplo resuelto de isomerización de n-butano con reciclo: conversión global contra conversión en un paso, flujo de reciclo y orden de solución.
Reciclo y purgaSíntesis de metanol con reciclo y purga
Ejemplo resuelto de síntesis de metanol con reciclo, purga de 5 % e inerte (CH₄): conversión en un paso, conversión global y flujo de reciclo.
Reciclo y purgaEvaporador y cristalizador de KNO₃ con reciclo de aguas madres
Ejemplo resuelto de un evaporador y un cristalizador de nitrato de potasio con reciclo de aguas madres: cristales producidos, agua evaporada y reciclo.
Energía
Calor sensible: calentar agua de 20 a 80 °C
Ejemplo resuelto de balance de energía para calentar 100 kg/h de agua líquida de 20 a 80 °C con Cp variable del NIST. Calor requerido y comparación.
EnergíaCalor latente: vaporizar agua de 25 °C a vapor a 100 °C
Ejemplo resuelto de balance de energía con cambio de fase: 1 kmol/h de agua líquida a 25 °C a vapor a 100 °C. Trayectoria hipotética y calor latente.
EnergíaMezcla adiabática: temperatura final de dos corrientes de agua
Ejemplo resuelto de mezcla adiabática de 100 kg/h de agua a 20 °C y 50 kg/h a 80 °C: la temperatura de salida como incógnita del balance de energía.
EnergíaIntercambiador de calor: agua de enfriamiento para nitrógeno
Ejemplo resuelto de un intercambiador aislado: N₂ de 300 a 100 °C enfriado con agua de 20 a 50 °C. Calor transferido y flujo de agua necesario.
EnergíaCalentar aire de 25 a 400 °C con Cp variable
Ejemplo resuelto de balance de energía para calentar 50 kmol/h de aire de 25 a 400 °C, integrando el Cp de O₂ y N₂ con la ecuación de Shomate del NIST.
EnergíaCalentador de etanol con vapor de agua que se condensa
Ejemplo resuelto de un intercambiador que calienta 2,000 kg/h de etanol de 20 a 70 °C con vapor saturado a 100 °C que se condensa: flujo de vapor necesario.
EnergíaCalor liberado al quemar metano: balance de energía con reacción
Ejemplo resuelto de balance de energía con reacción por el método de calores de formación: calor que libera un horno que quema 100 kmol/h de metano.
EnergíaTemperatura adiabática de flama del metano con 20 % de aire en exceso
Ejemplo resuelto de temperatura adiabática de flama: metano con 20 % de aire en exceso, combustión completa, con Cp variable del NIST y calores de formación.
Equilibrio y humedad
Separador flash de benceno y tolueno a 95 °C y 1 atm
Ejemplo resuelto de vaporización flash de una mezcla equimolar de benceno y tolueno a 95 °C y 1 atm, con ley de Raoult y ecuación de Antoine.
Equilibrio y humedadFlash con temperatura desconocida: vaporizar la mitad de la alimentación
Ejemplo resuelto de un flash donde la incógnita es la temperatura: a qué temperatura se vaporiza la mitad de una mezcla de benceno y tolueno a 1 atm.
Equilibrio y humedadSecador con aire húmedo: cuánto aire se necesita
Ejemplo resuelto de un secador con aire que entra a 30 °C con 20 % de humedad relativa y sale a 40 °C con 70 %: agua evaporada y flujo de aire seco.