El documento presenta tres preguntas sobre procesos industriales relacionados con la fabricación de ácido nítrico y azúcar. La primera pregunta involucra cálculos de balances de materia y energía para determinar la cantidad de agua, ácido sulfúrico y ácido nítrico diluido involucrados en el proceso de destilación para concentrar el HNO3. La segunda pregunta calcula la variación de energía interna en un flujo de agua que impulsa una turbina. La tercera pregunta determina la fracción de un flujo residual que

1. NOTA
Examen Parcial
Balance de materia y energía – FIARN
Fecha: 22/05/2019
Dr. Hugo Chirinos
Apellidos y nombre:_______________________________________________________
Pregunta 01
La etapa final de fabricación del HNO3 es una destilación
en la que la concentración del ácido pasa de 60% a 99%.
El objetivo del H2SO4 es de disminuir la presión parcial
del H2O. Si no se añade H2SO4, es imposible sobrepasar
por evaporación la concentración del 60%.
Tomando como base 100kg de HNO3 concentrado,
calcular:
a) El peso de agua que sale del evaporador
b) El peso de H2SO4 que recircula
c) El peso de HNO3 diluido que entra en F.
Solución:
Base 100kg de HNO3 concentrado (99%)
Balance de HNO3 en forma general; suponiendo que Xkg de H2O salen del evaporador
0.6F = 0.99P siendo P = 100kg
kgF 165
6.0
)100)(99.0(

Bajo esa suposición se efectúa un balance general de H2O,
0.4(165) = 0.01(100)+H2O del vapor (X) que ingresa en HNO3
0.4(165) = 0.01(100) + X por lo tanto X = 65kg
Respuesta (a): agua que sale del evaporador es de 65kg
Ahora, ya que por cada 100kg de ácido concentrado (HNO3) producido es liberado 65kg de H2O,
éste peso de H2O es absorbido por el ácido sulfúrico bajándolo de concentración de 93% a 60%,
luego:
Balance de H2SO4: 0.93E = 0.6G (1)
Balance de H2O en el destilador: 0.07E + 65 = 0.4G (2)
De (1)
93.0
)6.0( G
E  , reemplazando en (2)
Se determina E = 118.2kg, G = 183.2kg
Respuesta (b) el peso de H2SO4 que circula es 118.2x0.93 = 119.92kg
Respuesta (c) el ácido diluido que entra al sistema es 165kg
Pregunta 02
Un flujo de agua suministra a la hélice de una
turbina una potencia de 1.2 kW. En 2 minutos de
funcionamiento se ha estimado un flujo de calor
hacia el medio ambiente de 15kJ. Calcular la
variación de energía interna en el flujo.
Solución:

2. Asumiendo un VC indeformable y fijo, flujo permanente, uniforme e incompresible con fricción,
o sea (ue ≠ us).
Ecuación básica de conservación de la energía:
Para un flujo permanente y uniforme:
Además: ugz
v
e 
2
2
ss
s
sssee
e
eee
eje
Av
P
ugzvAv
P
ugzv
dt
dW
dt
dQ
















 22
2
1
2
1
  










 








 es
eseses
eje PP
uuzzgvvQ
dt
dW
dt
dQ
)(
2
1
2
1 22
De la ecuación de continuidad:
ssee AvAv  sm
x
vs /30
1.0
2.015

Por lo tanto el caudal es smxAvQ ss /31.030 3

Por convención: calor que sale del sistema es negativo, trabajo que realiza el sistema es positivo.
Por lo tanto, reemplazando se tiene:
   























psi
psi
s
m
s
m
x
m
kg
uum
s
m
s
m
s
Nm
s
Nm m
N
es
1
6896
200331000)2(81.915305.01200
120
15000 2
3
322
2
22
Entonces   kgJuu es /64.1697
Pregunta 03
Una planta que opera en condiciones de estado
estacionario somete a tratamiento un líquido residual
que contiene 0.5% en peso de impurezas tóxicas,
reduciendo el nivel de la misma a 0.05% en peso. Las
ordenanzas municipales establecen que se puede
verter al rio un máximo de 0.1% en peso de la
mencionada impureza. ¿Qué fracción de la corriente
del líquido residual puede desviarse en Bypass para
que todavía se cumpla la exigencia de la ordenanza
municipal?
Solución:
Base 100kg de líquido vertido al rio.
Llamaremos: T = tóxicos y I = inertes

3. En R tenemos : T = 100kgx0.001= 0.1kg y de I = 100kg-0.1kg= 99.9kg
Realizando balance en el punto de mezclado se tiene:
B + G = R = 100kg
Balance de tóxicos en el punto de mezclado
kgGB 1.0
100
05.0
100
5.0
 , como B = 100-G entonces 0.5(100-G) +0.05G = 10kg,
por lo tanto G = 88.89kg
Realizando el balance general en todo el sistema se tiene:
F = P + R donde P es tóxico separado
F = P + 100kg
Realizando un balance general de tóxicos se tiene:
PRF 
100
1.0
100
5.0
, 0.005F = 0.1+P, reemplazando F se tiene
P = 0.40201kg y F = 100.40201kg
Por lo tanto, fracción = 111.0
40201.100
11.11

kg
kg
F
B
F
bypass
Pregunta 04
En la figura se muestra un diagrama de flujo simplificado de la fabricación de azúcar. La caña de
azúcar se alimenta a un molino donde se extrae jarabe por trituración; el bagazo resultante
contiene un 80% de pulpa. El jarabe (E) que contiene fragmentos finamente divididos de pulpa
se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente (H) que
contiene 15% de azúcar y un 85% de agua en peso. El evaporador produce un jarabe pesado y el
cristalizador produce 800kg/h de cristales de azúcar.
Determinar:
a. El agua eliminada en el evaporador.
b. Las fracciones de masa de los componentes del flujo de deshecho (G)
c. El caudal de alimentación de caña de azúcar.
d. El porcentaje del azúcar que entra con la caña que se pierde con el bagazo.
e. Si la operación es eficiente justificando el resultado.
5ptos.

4. Solución
D E F G H J K L M
AGUA 2,44% 73% 25% 1,21% 85% 100% 60% 100% 0
AZUACAR 17,56% 13% 16% 3,79% 15% 0 40% 0 100%
PULPA 80% 14% 59% 95% 0 0 0 0 0
Usando una base de cálculo de 1 hora
 Balance para el molino
Balance global
Balance de agua
 Balance para la malla
Balance global …………….(**)
Balance pulpa
Balance azúcar
 Balance para evaporador
Balance global
Balance azúcar
 Balance para cristalizador
Balance Global
Balance azúcar
Balance agua
Reemplazar en (4):
Donde
Reemplazar en (3)

5. En (**)
Reemplazar en (1)
17969,09kg
En (*)
Respuesta
a. El agua eliminada en el evaporador.
b. Las fracciones de masa de los componentes del flujo de deshecho (G)
G:
c. El caudal de alimentación de caña de azúcar. /h
d. El porcentaje del azúcar que entra con la caña que se pierde con el bagazo.
Se pierde 1,56% cuando entra con el bagazo.