52150356 Solucionario Balance de Materia y Energia

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE TEMUCO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL

MANUAL DE RESOLUCIÓN DE EJERCICIOS
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

XIMENA PETIT-BREUILH SEPULVEDA
ALEJANDRA SANCHEZ
-

2008

-

Solucionario Balance de Materia y Energía
Facultad de Ingeniería
Universidad Católica de Temuco

SECCIÓN I – BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA

1.1. a. El flujo de alimentación aun secador se especifica como 1.000 lb/h.
Calcule el flujo en kg/min
1.1. b. En un proceso de amoníaco se producen 105 lbmol/día. Calcule la
producción equivalente en gmol/h.
SOLUCIÓN:
Los cálculos se efectúan utilizando directamente los factores de conversión, factores
que siempre son iguales a la unidad.
a. Flujo en kg/min.

1.000

1 kg
1h
lb
lb 453,6 g
kg
= 1.000 ×
×
×
= 7,56
h
h
1 lb
1.000 g60 min
min

b. Producción equivalente en gmol/h.

10 5

lbmol
lbmol 453,6 gmol 1 día
gmol
= 10 5
×
×
= 1,89 × 10 7
1 lbmol
24 h
día
día
h

1.2. Una planta produce una mezcla de 90 % en mol de etanol (C2H5OH) y el
resto de agua.
a. Calcule la fracción en masa de etanol.
b. Si la producción de la planta es 1.000 lbmol/h, calcule la producción equivalente en
kg/min.
c. Para la producción de (b),calcule los flujos molares de los componentes de la
corriente en kgmol/h.
SOLUCIÓN
a. Fracción masa o fracción másica de etanol
Masa Molecular (MM) del etanol = 46 g/mol
MM del agua = 18 g/mol
Base de cálculo: 1 gmol de mezcla.

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Universidad Católica de Temuco

Para hallar el valor pedido se calcula la masa de etanol en un gramo-mol demezcla y
la masa de un gmol de mezcla o, lo que es lo mismo, la masa molecular media (MM
media). La relación entre ellas da la respuesta.

⎛
gmol de e tan ol
g de e tan ol
gmol de agua
g de agua ⎞
⎟
MM Media = ⎜⎜ 0,9
× 46
+ 0,1
× 18
gmol de mezcla
gmol de e tan ol
mol de mezcla
gmol de agua ⎟⎠
⎝

⎛ 41,4 g de e tan ol
1,8 g de agua ⎞
⎟
MM media = ⎜⎜
+
gmol de mezcla ⎟⎠
⎝ gmol de mezcla
⎛ 41,4 g dee tan ol + 1,8 g de agua
MM media = ⎜⎜
gmol de mezcla
⎝
MM media = 43,2

⎞
⎟⎟
⎠

g de mezcla
gmol de mezcla

Aunque se tomó una base de cálculo de 1 gmol, recuérdese que la respuesta se
cumple en otras unidades, siempre y cuando haya consistencia dimensional, pudiendo
decirse que

MM media = 43,2

= 43,2

kg de mezcla
lb de mezcla
Tonelada de mezcla
= 43,2
= 43,2
kgmol de mezcla
lbmol de mezclaToneladamol de mezcla
miligramo de mezcla
arroba de mezcla
= 43,2
miligramo − mol de mezcla
arrobamol de mezcla

Continuando con el problema:

⎛
gmol de e tan ol
g de e tan ol ⎞
⎟
× 46
M de e tan ol = ⎜⎜ 0,9
gmol de mezcla
gmol de e tan ol ⎟⎠
⎝

= 41,4

g de e tan ol
gmol de mezcla

Fracción masica de e tan ol = WC2 H 5OH

g de e tan ol ⎞
⎛
⎜ 41,4
⎟
gmol de mezcla ⎟
⎜
=
⎜
g de mezcla ⎟
⎜ 43,2
⎟gmol de mezcla ⎠
⎝

WC2 H 5OH = 0,95833

g de e tan ol
g de mezcla

Es importante resaltar, como lo muestra el análisis dimensional, que la fracción
másica, de igual manera que la fracción molar o la fracción en volumen, tiene
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unidades, las cuales, normalmente, no se colocan, porque puede utilizarseen cualquier
tipo de unidad:

WC2 H 5OH = 0,95833

kg de e tan ol
lb de e tan ol
Tonelada de e tan ol
= 0,95833
= 0,95833
kg de mezcla
lb de mezcla
Tonelada de mezcla

b. La producción equivalente en kg/min
Utilizando los factores de conversión y la masa molecular media se encuentra,
directamente, que:

100

1h
lbmol
lbmol 43,2 lb 453,6 kg
kg
= 1.000
×
×
×
= 326,592
h
h
1 lbmol 1.000 lb 60 min
minc. Flujos molares para la corriente en kgmol/h
A partir del flujo, las fracciones molares y el factor de conversión puede plantearse
que:

N C2 H 5OH = 0,9

lbmol e tan ol
lbmol mezcla 453,6 kgmol mezcla
kgmol
× 1.000
×
= 408,24
lbmol mezcla
h
h
1.000 lbmol mezcla

N H 5O = 0,1

lbmol e tan ol
lbmol mezcla 453,6 kgmol mezcla
kgmol
× 1.000
×
= 45,36
1.000 lbmol mezcla
lbmol mezcla
h
h

tal como...