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BalanceSolver

Derivación (bypass): concentrar jugo y mezclar para ajustar la composición

Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026

Una derivación (bypass) desvía parte de la alimentación alrededor de un equipo y la vuelve a juntar con su salida. Se usa para ajustar una composición o una temperatura sin sobreprocesar todo el flujo; en jugos, además, conserva el sabor y el aroma de la parte que no se calienta. Se resuelve empezando por el balance global, que no «ve» la derivación.

Enunciado

Se procesan 1,000 kg/h de jugo con 12 % de sólidos en masa. Una parte rodea el evaporador (derivación) y el resto se concentra hasta 58 % de sólidos. Las dos corrientes se juntan y el producto final tiene 42 % de sólidos. Calcula cuánto jugo se deriva y cuánta agua se evapora.

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Solución paso a paso

1. Diagrama de flujo

FVPBEC Ddivisor EVevaporador Mmezclador

2. Datos, unidades y notación

Notación:

  • ṁi,F = flujo másico del componente i en la corriente F (kg/h).
  • ṁF = Σi ṁi,F (kg/h).
  • αk = fracción de la alimentación del divisor que va a la salida k (todas las salidas tienen la misma composición).

3. Análisis de grados de libertad

SubsistemaVariablesBalancesDatos y relacionesGL
Divisor D8521
Evaporador EV5212
Mezclador M6222
Proceso global5230
Sistema completo1313 ecuaciones0

GL = variables − balances independientes − datos y relaciones. Las variables son los flujos de cada componente en cada corriente, más grados de avance, fracciones de división, Q, W y temperaturas desconocidas. Con GL = 0 el problema está completamente especificado. Se empieza por el subsistema con GL = 0.

4. Ecuaciones planteadas

  1. Dato · F ṁF = 1,000 kg/h
  2. Dato · F ṁSOL,F = 0.12 ṁF
  3. Dato · C ṁSOL,C = 0.58 ṁC
  4. Dato · P ṁSOL,P = 0.42 ṁP
  5. Relación · D αB + αE = 1αk = fracción de F que va a la salida k
  6. Balance · D ṁSOL,B = αB · ṁSOL,F
  7. Balance · D ṁH2O,B = αB · ṁH2O,F
  8. Balance · D ṁSOL,E = αE · ṁSOL,F
  9. Balance · D ṁH2O,E = αE · ṁH2O,F
  10. Balance · EV ṁSOL,C = ṁSOL,E
  11. Balance · EV ṁH2O,V + ṁH2O,C = ṁH2O,E
  12. Balance · M ṁSOL,P = ṁSOL,B + ṁSOL,C
  13. Balance · M ṁH2O,P = ṁH2O,B + ṁH2O,C

Balances globales (alrededor de todo el proceso). No son ecuaciones nuevas: son la suma de los balances de los equipos, pero permiten empezar por la frontera exterior, como en los libros.

  • G1 ṁSOL,P = ṁSOL,F
  • G2 ṁH2O,V + ṁH2O,P = ṁH2O,F

5. Solución paso a paso

  1. Corriente F: 2 ecuaciones simultáneas: ecuaciones (1), (2), resueltas a la vez (Newton-Raphson, 2 iteraciones). ⇒ ṁSOL,F = 120 kg/h
    ⇒ ṁH2O,F = 880 kg/h
  2. De la ecuación (G1): ṁSOL,P = (120) ⇒ ṁSOL,P = 120 kg/h
  3. De la ecuación (4): (120) = 0.42 ṁP ⇒ ṁH2O,P = 165.71 kg/h
  4. De la ecuación (G2): ṁH2O,V + (165.71) = (880) ⇒ ṁH2O,V = 714.29 kg/h
  5. Divisor D + Mezclador M: 8 ecuaciones simultáneas: ecuaciones (3), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), resueltas a la vez (Newton-Raphson, 2 iteraciones). ⇒ ṁSOL,C = 108.07 kg/h
    ⇒ ṁH2O,C = 78.261 kg/h
    ⇒ αB = 0.099379
    ⇒ αE = 0.90062
    ⇒ ṁSOL,B = 11.925 kg/h
    ⇒ ṁH2O,B = 87.453 kg/h
    ⇒ ṁSOL,E = 108.07 kg/h
    ⇒ ṁH2O,E = 792.55 kg/h
  6. La ecuación (12) ya se cumple con los valores anteriores (comprobación).
  7. La ecuación (13) ya se cumple con los valores anteriores (comprobación).

6. Resultados

F

Componentekg/hFracción másica
SOL1200.12
H2O8800.88
Total1,0001

B

Componentekg/hFracción másica
SOL11.9250.12
H2O87.4530.88
Total99.3791

E

Componentekg/hFracción másica
SOL108.070.12
H2O792.550.88
Total900.621

V

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
H2O39.6491714.291
Total39.6491714.291

C

Componentekg/hFracción másica
SOL108.070.58
H2O78.2610.42
Total186.341

P

Componentekg/hFracción másica
SOL1200.42
H2O165.710.58
Total285.711
Otras incógnitasValor
αB0.099379
αE0.90062

7. Verificación (entra + genera = sale)

EquipoBalanceEntraGeneraSaleError
Divisor DBalance de SOL1200120 ✓ 0 %
Divisor DBalance de H2O8800880 ✓ 0 %
Divisor DMasa total1,00001,000 ✓ 0 %
Evaporador EVBalance de SOL108.070108.07 ✓ 0 %
Evaporador EVBalance de H2O792.550792.55 ✓ 0 %
Evaporador EVMasa total900.620900.62 ✓ 0 %
Mezclador MBalance de SOL1200120 ✓ 0 %
Mezclador MBalance de H2O165.710165.71 ✓ 2.4 × 10-8 %
Mezclador MMasa total285.710285.71 ✓ 1.4 × 10-8 %

Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.

Claves del problema

Errores comunes

Preguntas frecuentes

¿Para qué sirve una derivación?

Para controlar la composición o la temperatura del producto. Es más fácil ajustar cuánto se deriva que cambiar la operación del equipo.

¿Qué pasa si no se deriva nada?

El producto saldría con 58 % de sólidos. Con la derivación se diluye hasta el 42 % que se busca.

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