Este documento presenta el tema 4 de introducción a la ingeniería química. Explica los balances de materia, incluyendo la ecuación general de conservación de materia y el método general para resolver problemas de balances. También incluye ejemplos de balances de materia en procesos simples sin o con reacciones químicas.

1. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
TEMA 4. INTRODUCCITEMA 4. INTRODUCCIÓÓN A LOS BALANCES DE MATERIAN A LOS BALANCES DE MATERIA
1. Introducci1. Introduccióónn
2. Ecuaci2. Ecuacióón general de conservacin general de conservacióón de materian de materia
3. M3. Méétodo general para la resolucitodo general para la resolucióón de problemas de balances de materian de problemas de balances de materia
4. Ejercicios de balances de materia en procesos simples4. Ejercicios de balances de materia en procesos simples
4.1. Balance de materia en una operaci4.1. Balance de materia en una operacióón sin reaccin sin reaccióón qun quíímicamica
4.2. Balance de materia en una operaci4.2. Balance de materia en una operacióón con reaccin con reaccióón qun quíímicamica
4.3. Balance de materia en un proceso con derivaci4.3. Balance de materia en un proceso con derivacióónn
4.4. Balance de materia en un proceso con recirculaci4.4. Balance de materia en un proceso con recirculacióón y purgan y purga
4.5. Balance de materia en r4.5. Balance de materia en réégimen no estacionariogimen no estacionario
BibliografBibliografííaa
INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
G. Calleja, F. García, A. de Lucas, D. Prats y J.M. Rodríguez
Ed. Síntesis, Madrid, 1999.
Tema 6
CURSO DE INGENIERÍA QUÍMICA
J. Costa López y otros.
Editorial Reverté, S.A, 1991
Tema 3

2. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
SISTEMA
ENTRA
SALE
TRANSFORMACIÓN
Macrobalances
• Elemento finito del proceso químico
• Genera una ecuación algebráica
[E] - [S] ± [T] = [A]
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
±
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
extensivapropiedad
deNACUMULACIÓ
develocidad
extensivapropiedadde
CIÓNTRANSFORMA
develocidad
extensivapropiedad
deSALIDA
develocidad
extensivapropiedad
deENTRADA
develocidad
Proceso continuo y
estado estacionario
1. INTRODUCCI1. INTRODUCCIÓÓNN

3. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
2. ECUACI2. ECUACIÓÓN GENERAL DE CONSERVACIN GENERAL DE CONSERVACIÓÓN DE MATERIAN DE MATERIA
Balances macroscópico de materia
Balance global
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
±
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
tiempodeunidadlaen
DESAPARECEoGENERA
sequemateriadecantidad
tiempodeunidadla
enSALEque
materiadecantidad
tiempodeunidadla
enENTRAque
materiadecantidad
tiempodeunidadla
enACUMULADA
materiadecantidad
Balance parcial del componente i
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
±
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
tiempodeunidadlaen
DESAPARECEoGENERA
sequeicomponentedecantidad
tiempodeunidadla
enSALEque
icomponentedecantidad
tiempodeunidadla
enENTRAque
icomponentedecantidad
tiempodeunidadla
enACUMULADA
icomponentedecantidad
un componente
una molécula
un ión
un átomo
componente i
Todos los balances parciales ∴ Balance global y n-1 balances parciales

4. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Los balances se pueden aplicar sobre:
- Planta química (1)
- Proceso de planta química (2)
- Operación unitaria (3)
- Parte de la operación unitaria
- Tramo de conducción (4)
SISTEMA
BASE DE CÁLCULO
complejidad en la resolución del problema
experiencia en la resolución de balances de materia
Complejidad de un problema de balance de materia:
- la naturaleza del mismo
- la elección de los balances a resolver
- el recinto elegido para su aplicación
- la base de cálculo
- las unidades (!Ojo! reacciones químicas)

5. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
3. M3. MÉÉTODO GENERAL PARA LA RESOLUCITODO GENERAL PARA LA RESOLUCIÓÓN DEN DE
PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIAPROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA

6. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACI4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACIÓÓN SINN SIN
REACCIREACCIÓÓN QUN QUÍÍMICAMICA
Ejercicio 1: En una operación de ósmosis inversa que funciona en continuo y en
régimen estacionario, se desea desalinizar una corriente de agua de mar. Para
ello se tratan 4000 kg/h de una disolución salina con un concentración de sal del
4% en peso. La salida está formada por una corriente de 1200 kg/h de agua
desalinizada con 0,3 % de sales y otra corriente de salmuera que constituye el
rechazo. Calcular:
a) Caudal de salmuera de rechazo.
b) Composición de la salmuera de rechazo.
SOLUCIÓN:
a) 2800 kg/h salmuera de rechazo
b) 5,58 % de sal

7. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 2: En el tratamiento primario de un agua residual ésta se hace pasar
por un sedimentador para eliminar los sólidos en suspensión. El proceso trabaja
en continuo y en régimen estacionario. A partir de los datos del diagrama de
flujo determinar las velocidades másicas de los flujos de salida.
SOLUCIÓN:
4402,5 kg/h de agua clarificada
597,5 k/h de lodo
SEDIMENTADOR5000 kg/h de agua
1 % sólidos
kg/h de agua
0,05 % sólidos
kg/h de agua
8 % sólidos
A
B
C

8. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 3: La sal contenida en un petróleo crudo debe eliminarse antes de ser
utilizado en una refinería. Para ello se introduce en un mezclador el crudo junto
con una corriente de agua en proporción másica 4:1 (crudo/agua) y
posteriormente se trasvasan a un separador de fases. El crudo alimentado
contiene un 5 % en sal y el agua salada retirada del separador un 15 %
(porcentajes másicos). Hallar:
a) Concentración de sal en el crudo lavado.
b) Eficacia del proceso respecto a la sal eliminada del crudo.
SOLUCIÓN:
a) 0,617 % sal en crudo de lavado
b) 88,2 %

9. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 4: La separación de benceno, tolueno y xileno se lleva a cabo en dos
columnas de destilación en serie. La primera columna se alimenta con 100
kmol/h de una corriente con composición molar 40 % de benceno. De ésta se
obtienen 40 kmol/h de un destilado de composición molar 95 % benceno, 4,55
tolueno y 0,45 xileno. El producto de fondo de la primera columna se alimenta a
la segunda donde se produce un destilado compuesto por 86,4 % tolueno, 8,6 %
xileno y 5% benceno. El producto de fondo de la segunda columna es xileno
puro. Hallar:
a) Flujos molares de las corrientes de fondo (C y E) y destilado de la
segunda columna (D).
b) Composición molar de las corrientes de alimentación (A) y fondo de la
primera columna (C).
SOLUCIÓN:
a) C = 60 kmol/h
D = 40 kmol/h
E = 20 kmol/h
b) En A:
Xtolueno = 36,38 %
Xxileno = 23,62 %
c) En C:
Xbenceno = 3,33 %
Xtolueno = 57,6 %
Xxileno = 39,07 %

10. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 5: Una corriente de aire contaminada con acetona debe ser tratada
antes de su emisión a la atmósfera. Para ello diseña un proceso donde, además
de conseguir el objetivo medioambiental, se recupera la acetona. El proceso
trabaja en continuo y en estado estacionario. Teniendo en cuanta el proceso
adjunto y los datos en él presentado, terminar de completar el diagrama de flujo
con los caudales másicos y composiciones de cada una de las corriente.
Datos: Pesos moleculares (kg/mol): agua=18; aire= 29; acetona=58.
ABSORBEDOR
5200 kg/h de aire + acetona
98,4 % (molar) aire
1,6 % (molar) acetona
Destilado
99 % (peso) acetona
1 % (peso) agua
Residuo de fondo
5 % (peso) acetona
95 % (peso) agua
F
D
R
COLUMNADE
RECTIFICACIÓN
1200 kg/h de agua Gas limpio
L G
A

11. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
SOLUCIÓN:
ABSORBEDOR 102 kg/h
1262 kg/h
F
D
R
COLUMNADE
RECTIFICACIÓN
5036 kg/h
L G
A
1364 kg/h
12,05 % (peso) acetona
87,95 % (peso) agua

12. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 6: A una columna de destilación se alimentan 2000 kg/h de una mezcla binaria
benceno/tolueno con una composición másica de 45 % de benceno. En las condiciones de
operación:
* El destilado (D) tiene una composición másica del 95 % de benceno y 5 % de tolueno.
* La corriente de cola (C) contiene un 8% del benceno que entra a la columna.
* La corriente (D) es 2/3 partes de la corriente de vapor (V)
Calcular:
a) Flujos másicos de D y C.
b) Composición másica de C
c) Relación de reflujo L/D
95 % benceno
5 % tolueno
D
C
COLUMNADE
DESTILACIÓN
2000 kg/h
45 % benceno
55 % tolueno
V
L
FSOLUCIÓN:
a) C = 1128,4 kg/h
D = 871,6 kg/h
b) Xbenceno = 6,4 %
Xtolueno = 93,6 %
c) L/D = 0,5

13. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 7: Una mezcla de gases procedentes de la síntesis de Haber-Bosch se introduce en
un absorbedor con H2O en contracorriente para recuperar el NH3 en forma de disolución
acuosa al 30 % en peso. Teniendo en cuenta el siguiente diagrama de flujo y los
correspondientes datos de partida, calcular:
a) Flujos másicos de las corrientes F, G y P.
b) Rendimiento de la columna de absorción
1000 kg/h
DisoluciónCOLUMNADE
ABSORCIÓN
60% (vol) NH3
H2/N2 = 3/1 (vol)
Gases GA H2O
Gases de síntesis F
SOLUCIÓN:
a) F = 5734 kg/h
G = 144,8 kg/h
P = 1428,6 kg/h
b) Rendimiento = 99,66 % 30% (peso) NH3
70% (peso) H2O
P
0,5% (vol) NH3
H2/N2 = 3/1 (vol)
Datos: Pesos moleculares (kg/mol): amoniaco=17; N2= 28; H2=2.

14. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 8a: 5oo kg/h de un mineral de cobre de composición 12% CuSO4, 3% H2O y 85%
inerte, se somete a extracción con 3000 kg/h de H2O, en contacto simple, al objeto de extraer
el CuSO4. El extracto está formado por CuSO4 y H2O. El refinado o mineral de desecho
contienen todo el inerte introducido con el mineral tratado, más la disolución formada por
CuSO4 y H2O en proporción 0,8 kg disolución/kg inerte. Hallar:
a) Flujos másicos de extracto E y refinado R.
b) Composiciones másicas de extracto y refinado.
c) Rendimiento de extracción del CuSO4.
SOLUCIÓN:
a) E = 2735 kg/h
R = 765 kg/h
b) En E:
XCuSO4 = 1,95 %
XH2O = 98,05 %
En R:
XCuSO4 = 0,87 %
XH2O = 43,6 %
Xinerte = 55,55 %
c) Rendimiento = 88,9 %

15. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 8b: Al objeto de mejorar el rendimiento de extracción del CuSO4 contenido en el
mineral, se modifica el proceso anterior con la incorporación de un segundo extractor.
Considerar idéntica proporción disolución/inerte en ambos refinados. Hallar:
a) Flujos másicos de las corrientes no conocidas.
b) Composiciones másicas de R1 y E1.
c) Rendimiento de extracción del CuSO4.
SOLUCIÓN:
a) R1 = 765 kg/h
E1 = 3000 kg/h
E2 = 2735 kg/h
b) En E1:
XCuSO4 = 2,17 %
XH2O = 97,83 %
En R1:
XCuSO4 = 0,098 %
XH2O = 44,35 %
Xinerte = 55,55 %
EXTRACTOR 2
12 % CuSO4
3 % H2O
85% inerte 3000 kg/h agua
0,8 kg disolución/kg inerte
F A
R1
EXTRACTOR 1500 kg/h de mineral
E2
E1
R2
Disolución CuSO4 y H2O
Disolución CuSO4 y H2O
0,8 kg disolución/kg inerte
c) Rendimiento = 98,91 %

16. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACI4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACIÓÓN CONN CON
REACCIREACCIÓÓN QUN QUÍÍMICAMICA
Procesos continuos y discontinuos en estado estacionario ⇒ [E] - [S] ± [T] = 0
ESTEQUIOMETRÍA
Teoría de las proporciones
en las que se combinan las
especies químicas
ECUACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA
Enunciado del número relativo de
moléculas o moles de reactivos y
productos que participan de forma
balanceada en la reacción
COCIENTE ESTEQUIOMÉTRICO DE
DOS ESPECIES QUÍMICAS
Cociente entre sus coeficientes
estequiométricos en la ecuación de la
reacción balanceada
SO2 + O2 → SO3
2SO2 + O2 → 2SO3
En proporción estequiométrica

17. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
TIPO DE BALANCE SIN REACCIÓN CON REACCIÓN
Global
- Másico E = S E = S
- Molar E = S E = S
E ≠ S
De componentes
- Másico E = S E ≠ S
- Molar (mol-gr/mol-kg) E = S E ≠ S
De especies atómicas
- Másico E = S E = S
- átomo-gr/átomo-kg E = S E = S
Posibilidades de balance con reacción química

18. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
¿Puede un reactivo desaparecer antes que otro?
REACCIONES SIMPLES
Reactivo limitante → el que está en menor proporción respecto a la
estequiometría.
Reactivo en exceso → reactivos no limitantes
100
tanlim
coslim
% x
teireactivoalrespectonecesariosmoles
triestequiomémolesentadosamoles
excesode
−
=
REACTOR SEPARADOR
reactivos Productos y
reactivos
Productos
Recirculación de reactivos
Conversión < 100%
100
tanlim
tanlim
x
teireactivodeinicialcantidad
productoapasaqueteireactivodecantidad
conversión =

19. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Reactivos pueden combinarse de diversas formas
Reactivos pueden reaccionar con productos
REACCIONES MÚLTIPLES
100
tanlim
dimRe x
ntecompletameareaccionarteireactivoelsiy
adyacentesreaccioneshubierannosiformaríansequemoles
deseadoproductodeformadosmoles
ienton =
deseadosnoproductosdeformadosmoles
deseadoproductodeformadosmoles
adSelectivid =
↓ producto deseado
Pérdidas económicas
↑rendimiento y ↑ selectividad
100
100
1 R
R
S
−
=
[0-100]
>1
Para conversión = 100%
y proporciones estequiométricas 1) ⇒

20. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Clasificación de las reacciones múltiples
atendiendo a la estequiometría de la reacción
En serie: A + B → D ∴ D + C → E
En paralelo: A + B → D
A + C → E
Consecutivas: A + B → D
D + B → E

21. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 9: Una vía de producción de acetonitrilo consiste en hacer reaccionar
etileno con amoniaco y oxígeno, según la reacción C2H4 + NH3 + O2 → CH3CN +
2H2O. La corriente de alimentación al reactor tiene una composición molar de
10% C2H4, 12% NH3 y 78% aire. En las condiciones de operación, la conversión
del reactivo limitante es del 30%. Hallar, el flujo y composición molar de los
gases de combustión, así como el % exceso de los productos reactivos
SOLUCIÓN:
100 kmol/h
XC2H4 = 7,0%
XO2 =13,38%
XN2 = 61,62%
XNH3 = 9%
XH2O = 6%
XCH3CN = 3%
(% exceso)C2H4 = 20%
(% exceso)O2 =63.38%

22. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 10: Un reactor se alimenta con una corriente de composición molar
85% etano y 15% de gases inertes, para producir etileno según la reacción
C2H6 → C2H4 + H2 (1)
Además de la reacción principal, tiene lugar una reacción secundaria donde parte
del etano se combina con el hidrógeno formado en la primera reacción, según
C2H6 + H2 → 2CH4 (2)
La conversión total del etano es del 50,1% y el rendimiento respecto al producto
deseado (etileno) del 47,1 %. Calcular:
a) Composición molar de la corriente de salida del reactor.
b) Selectividad del etileno respecto al producto no deseado (metano).
SOLUCIÓN:
a) XC2H6 =30,3%
XC2H4 = 28,6%
XH2 = 26,7%
XCH4 = 3,7%
Xinertes = 10,7%
b) 7,75 kmol/h C2H4 / kmol/h CH4

23. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
REACCIONES DE COMBUSTIÓN
Materia orgánica + O2 ⇒ CO, CO2, H2O, SO2, NOx + calor
(combustible)
78,03 % N2
20,03 % O2
0,94 % Ar
0,03 % CO2
0,01 % H2, He, Ne, Kr, Xe
AIRE
79 % N2
21 % O2
PM = 29 g/mol
Aire en exceso
O2 reactivo en exceso
N2 aparece como inerte
- Se aumenta la conversión del combustible
- Combustión completa (C → CO2)
- Disminuir la eficiencia energética del proceso

24. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Oxígeno teórico → moles de O2 necesarios para conseguir la combustión
completa del combustible (C → CO2 y H → H2O)
Aire teórico → cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico
Aire teórico (moles) = O2 teórico · 100/21
moles de aire alimentado – moles de aire teórico
moles de aire teórico
x 100% de aire en exceso →
Composición sobre una base húmeda → fracciones molares de un gas que
contiene agua
Composición sobre una base seca → fracciones molares de un gas sin agua
Velocidad de flujo Análisis de Orsat

25. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejemplo para pasar de base húmeda a base seca:
Un gas de emisión contiene 60% de N2, 15 % de CO2 y 10% de O2 y el resto
agua. Calcular la composición molar del gas sobre una base seca.
Ejemplo para pasar de base seca a base húmeda:
Mediante un análisis Orsat al gas de emisión se obtuvo la siguiente composición:
65% de N2, 14 % de CO2, 11 % CO y 10% de O2. Las mediciones de humedad
muestran que la fracción molar de agua en el gas de emisión es de 0,07. Calcular
la composición molar del gas sobre una base húmeda.
70,6 % N2
17,6 % CO2
11,8 % O2
60,4 % N2
13,0 % CO2
10,2 % CO
9,3 % O2
7,1 % H2O

26. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 11: El aporte calorífico requerido en un determinado proceso se lleva a
cabo utilizando butano como combustible. Para ello se introduce en la cámara de
combustión 100 kmol/h de butano y 5000 kmol/h de aire seco.
La reacción es C4H10 + 13/2O2 → 4CO2 + 5H2O, con un 100 % de conversión del
reactivo limitante. Hallar:
a) Flujo y composición molar de los gases de combustión.
b) % exceso de aire empleado.
SOLUCIÓN:
a) 5250 kmol/h de gases de combustión
XO2 =7,62%
XN2 = 75,24%
XCO2 = 7,62%
XH2O = 9,52%
b) 61,55 %

27. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 12: En una planta depuradora, la etapa de digestión anaerobia de los
lodos produce metano. Éste es utilizado como combustible en un horno para
producir energía. El horno se alimenta con 100 kmol/h de metano y 1200 kmol/h
de aire seco. La reacción es CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, con una conversión del
95% del reactivo limitante. Hallar:
a) Flujo y composición molar de los gases de combustión.
b) % exceso de aire empleado.
SOLUCIÓN:
a) 1300 kmol/h de gases de combustión
XO2 =4,77%
XN2 = 72,92%
XCO2 = 7,31%
XH2O = 14,61%
b) 26 %

28. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 13: En la cámara de combustión de un horno se introduce metano con
un 25 % de aire seco en exceso. Las reacciones que tienen lugar son:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (1)
CH4 + O2 → HCOH + H2O (2)
La conversión total del metano es del 95% (reacción 1 + 2), correspondiendo el
95% del metano reaccionado a la reacción 1 y el 5% a la reacción 2. Hallar, el
porcentaje de contaminante formaldehido (HCOH) en la corriente de gases de
combustión.
SOLUCIÓN:
0,3868%

29. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 14: En la cámara de combustión de un horno se introduce etano con un
50 % de aire seco en exceso. Las reacciones que tienen lugar son:
C2H6 + 7/2O2 → 2CO2 + 3H2O (1)
C2H6 + 5/2O2 → 2CO + 3H2O (2)
La conversión total del etano es del 90% (reacción 1 + 2), correspondiendo el
75% del etano reaccionado a la reacción 1 y el 25% a la reacción 2. Hallar:
a) Composición molar de la corriente de salida en base húmeda.
b) Composición molar de la corriente de salida en base seca (análisis Orsat).
SOLUCIÓN:
a) base húmeda
XC2H6 = 0,37%
XO2 =8,71%
XN2 = 74%
XCO2 = 5,06%
XH2O = 10,12%
XCO = 1,68%
b) base seca
XC2H6 = 0,42%
XO2 =9,7%
XN2 = 82,4%
XCO2 = 5,6%
XCO = 1,9%

30. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 15: En la cámara de combustión de un horno se introduce una corriente
de composición molar 95% metano y 5% de gases inertes. El combustible es
oxidado con exceso de aire según la reacción CH4 + O2 → CO2 + H2O. La
conversión del reactivo limitante es del 96%. La composición molar del gas de
combustión es 0,30% CH4, 5,06% O2, 0,39% inertes, 72,81% N2, 7,15% CO2 y
14,29% H2O. Calcular, el % de exceso de aire utilizado en la combustión.
SOLUCIÓN:
30,5 %

31. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 16: Una vía de producción tradicional de cobre metálico consiste en hacer
reaccionar el mineral calcopirita (FeCuS2) con sílice (SiO2) y aire, a altas temperaturas
según la reacción:
FeCuS2 (s) + SiO2 (s) + 5/2O2 → 2SO2 + FeSiO3 (s) + Cu
Las condiciones del proceso son:
- Riqueza másica del mineral 75% (resto inertes)
- Sílice en exceso del 20% respecto al reactivo limitante.
- Aire en ecxeso del 50%.
- Conversión de la reacción del 90%
Calcular:
a) Producción de Cu por tonelada de mineral.
b) Composición de los gases de salida del proceso.
c) Flujo y composición másica de escoria generada por tonelada de mineral.
Datos pesos moleculares (g/mol): FeCuS2 (183,3), SiO2 (60), FeSiO3 (131,8), Cu (63,5)
SOLUCIÓN:
a) 233,74 kg/H
b) XSO2 = 10,34%
XO2 = 8,62%
XN2 = 81,04%
c) 883,93 kg/h
XFeCuS2 = 8,48%
Xinertes = 28,28%
XSiO2 = 8,35%
XFeSiO3 = 54,89%

32. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 17: - A temperatura de 300 ºC y presión de 50 atm, el cloruro de
nitrosilo (ClNO) reacciona con oxígeno para formar NO2, según las reacciones:
ClNO → NO + Cl2 (1)
NO + O2 →NO2 (2)
La alimentación se realiza en proporción másica 1 kg ClNO/ 1,11 kg aire. El gas
de salida del proceso tiene la siguiente composición volumétrica: 4,29% ClNO,
3,5% O2, 56,3% de N2 y 35,91 del resto (NO+NO2+Cl2)
Calcular:
a) Conversión de cada reacción.
b) Exceso de aire empleado.
c) composición molar del producto
Datos pesos moleculares: aire (28,9 g/mol), ClNO (65,5 g/mol)
SOLUCIÓN:
a) X(1) = 84,86%
X(2) = 95,4%
b) 5,68%
c) XClNO = 4,29%
XO2 = 3,5%
XN2 = 56,3%
XNO = 1,1%
XNO2 = 22,94%
XCl2 = 12,02%

33. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 18: - Para la producción de vapor de agua en una caldera se utiliza un
combustible de composición: 82,1% C, 11,9% H, 1,0% S, 3,0% H2O, 2,0%
cenizas, con aire en exceso del 50%.
En las condiciones de operación, el 60% del C se oxida a CO2 y el resto a CO, el
90% del S a SO2 y el resto a SO3, el 100% del H a H2O. Hallar la composición en
base seca del gas de chimenea.
SOLUCIÓN:
XO2 = 9,15%
XN2 = 80,85%
XCO2 = 5,97%
XCO = 3,98%
XSO2 = 0,04%
XSO3 = 0,004%

34. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 19: En el diagrama de flujo que se adjunta se representa la producción de
H2SO4 a partir de la pirita (FeS2) por el método de contacto (proceso en desuso por
los problemas medioambientales que genera). Las reacciones que tienen lugar son:
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 (reacción en el horno)
2SO2 + O2 → 2SO3 (reacción en la columna de contacto y en el reactor catalítico)
Las condiciones de operación son:
- Un 15% de pirita no reacciona. Esta se pierde por problemas de caída por la
parrilla del horno, apareciendo en la corriente de escoria.
- Aire en exceso del 40%.
- Conversión del SO2 (que sale del horno) en la columna de contacto del 40%.
- Conversión del SO2 (de salida de la etapa de contacto) en el reactor catalítico del
96%.
Calcular, para 100 kg/h de pirita alimentada al proceso:
a) Flujo másico de aire introducido
b) Flujo y composición másica de los gases a la salida de columna de contacto (E)
c) Flujo y composición másica de los gases a la salida del reactor catalítico (P)
d) Rendimiento del proceso de conversión FeS2 → SO3
Pesos moleculares (g/mol): Fe (55,84), S (32,06), O (16)

35. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
SOLUCIÓN:
a) Aire introducido = 512,1 kg/h
b) 540,49 kg/h
XN2 = 72,7 %
XO2 = 8,8 %
XSO2 = 10,1 %
XSO3 = 8,4 %
HORNO
Aire
exceso 40% COLUMNA DE
CONTACTO
100 kg/h de pirita
SO2 → SO3
SO2, O2,
N2
REACTOR
CATALÍTICO
40%
SO2 → SO3
96%
SO2, SO3
O2, N2
SO2
SO3
O2
N2
E P
c) 540,59 kg/h
XN2 = 72,7 %
XO2 = 6,4 %
XSO2 = 0,4 %
XSO3 = 20,5 %
d) 83,2 %
Escoria
FeS2, Fe2O3

36. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 20: El CO2 puede obtenerse por reacción de la piedra caliza con sulfúrico
diluido. En el proceso se utiliza piedra caliza formada por CaCO3, MgCO3 e inertes y
una disolución de H2SO4 al 12% (masa). Las reacciones son:
CaCO3 + H2SO4 → CO2 + H2O + CaSO4
MgCO3 + H2SO4 → CO2 + H2O + MgSO4
La separación del CO2 se facilita por calentamiento de la masa reaccionante,
quedando un residuo de composición másico: 8,56% CaSO4, 5,23%MgSO4, 1,05%
H2SO4, 0,12% CO2, 84,51% H2O y 0,53% inertes.
Calcular, para 100 kg/h de residuo (R):
a) Corriente F y composición másica de la piedra caliza.
b) Flujo de disolución de ácido sulfúrico L y % de exceso respecto del reaccionado.
c) Flujo de vapor V y composición molar.
Datos pesos moleculares: CaCO3 (100 g/mol), MgCO3 (84,3 g/mol), H2SO4 (98
g/mol), CaSO4 (136 g/mol), MgSO4 (120,3 g/mol).
b) L = 95,65 kg/h de H2SO4 al 12%
exceso H2SO4 = 10,38%
c) 6,14 kg/h
XCO2 = 53,13%
XH2O = 45,87%
SOLUCIÓN:
a) 10,49 kg/h
XCaCO3 = 60 %
XMgCO3 = 34,9 %
Xinerte = 5,1 %

37. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
4.3. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON4.3. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON
DERIVACIDERIVACIÓÓN O RECIRCULACIN O RECIRCULACIÓÓNN
Productos de salida de una operación se devuelven a un punto previo del proceso
Derivación o bypass→ operación inversa a la recirculación
D
REACTOR SEPARADOR
FN P
R
X < 100%
FR SR S
Recirculación ⇒ FR = FN + R
Derivación ⇒ FR = FN - D
- Recuperación de catalizadores
- Dilución de un flujo de un proceso
- Control de una variable de proceso
- Circulación de un fluido de trabajo
Flujos másicos distintos pero
igual composición
¿Por qué interesa recircular?
En la mayoría de ocasiones → Realizar un primer balance global a la planta

38. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 21: En el diagrama de flujo de un proceso que opera en estado
estacionario para la recuperación de cromato de potasio cristalino (K2CrO4) a partir
de una disolución acuosa de esta sal, se combinan 4500 kg/h de una disolución que
contiene un tercio de K2CrO4, y un flujo de recirculación que contiene 36,36% de
K2CrO4, para entrar en un evaporador. La corriente concentrada que sale del
evaporador contiene 49,4% de K2CrO4 y alimenta a una operación de cristalización-
filtración (donde dicha corriente se enfría produciéndose la precipitación de cristales
de cromato de potasio a partir de la disolución). El filtrado consiste en cristales de
K2CrO4 y una disolución que contiene 36,36% (peso) de cromato de potasio, los
cristales representan el 95% de la masa total del filtrado. La disolución que pasa a
través del filtro, que contiene también el 36,36% de K2CrO4 es el flujo de
recirculación. Calcular:
a) el peso de agua extraída en el evaporador.
b) la velocidad de producción de K2CrO4 cristalino.
c) los kg de flujo de recirculación/kg de alimentación fresca.
d) la velocidad de alimentación con la que deben diseñarse el evaporador y el
cristalizador.

39. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
SOLUCIÓN:
a) A= 2950,14 kg/h
b) 1471,7 kg/h K2CrO4
c) 1,25 kg/h
recirculación/kg/h
alimentación fresca
d) FR = 10133,3 kg/h
SR = 7182,5 kg/h
EVAPORADOR
CRISTALIZADOR
Y FILTRO
FN S
R
H2O
FR SR
4500 kg/h
33,3% K2CrO4
A
49,4% K2CrO4
Solución al 36,36% K2CrO4
Cristales sólidos de K2CrO4: 95%
Solución al 36,36% K2CrO4: 5%

40. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 22: En un reactor catalítico se deshidrogena butano para obtener buteno según el
diagrama de flujo adjunto. Si la conversión es del 5% y el rendimiento relativo respecto a la
alimentación fresca del 50%. Calcular los moles de buteno, gas de separación y coque que se
obtienen por mol de alimentación fresca de butano.
SOLUCIÓN:
P = 0,5 moles
G = 2,07 mol-gr
S = 0,862 at-gr
REACTOR
CATALÍTICO
P (C4H8)
CH4: 5%
C2H6: 15%
C2H4: 10%%
H2: 70%
GPLANTA DE
SEPARACIÓN
SR
FR
R (C4H10)
FN
S (coque)

41. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON
RECIRCULACIRECIRCULACIÓÓN Y PURGAN Y PURGA
Recirculación ⇒ puede suponer acumulación de alguno de los componentes
PURGA (evita acumulación)
REACTOR SEPARADOR
FN S
R
X < 100%
FR SR
P

42. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 23: Al reactor catalítico de una planta de amoniaco se debe de alimentar una mezcla
gaseosa de N2 e H2 en la proporción 1/3, para alcanzar una conversión del 25% a NH3. El
amoniaco formado se separa por condensación y los gases no convertidos se recirculan al
reactor. La mezcla inicial N2/H2 contiene un 0,2% de argón, por lo que es necesario eliminarlo
del proceso, purgándose continuamente. Suponiendo que ha de mantenerse la concentración
de argón en la entrada del reactor en un valor máximo del 5%, se desea calcular la fracción
de la corriente de recirculación que debe eliminase continuamente como corriente de purga.
SOLUCIÓN:
0,0166 kg-mol purga/Kg-mol recirculación (1,66%)
REACTOR CONDENSADOR
FN
PR
X = 25%
FR SR N
S
NH3

43. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 24: El metanol puede producirse por medio de la reacción del dióxido de carbono e
hidrógeno. La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en
proporciones estequiométricas y 0,5% molar de componentes inertes. El flujo de salida del
reactor pasa a un condensador, que extrae esencialmente todo el metanol y el agua
formados, pero no así los reactivos ni los componentes inertes. Estas sustancias se hacen
recircular al reactor. Para evitar que se acumulen las sustancias inertes al sistema, se extrae
un flujo de purgado de la recirculación. La alimentación al reactor contiene 2% de sustancias
inertes, y la conversión en una sola etapa es del 60%. Calcular las velocidades de flujo molar
de la alimentación fresca, de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado para una
velocidad de producción de metanol de 1000 moles/h.
SOLUCIÓN:
4450 moles/h de alimentación fresca
6803 moles/h que alimentan al reactor
449 moles/h de purgado

44. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO EN ESTADO4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO EN ESTADO
NO ESTACIONARIONO ESTACIONARIO
Tiempo es una variable a considerar (masa varía con el tiempo)
Régimen no estacionario ⇒ A ≠ 0
Operación discontinua ⇒ A = T
Operación continua o semicontinua ⇒ E – S + T = A

45. TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
Ejercicio 25: Un tanque contiene 100 galones de una disolución de sal en agua que contiene
4,0 lb de sal. Entra agua en el tanque a razón de 5 gal/min y la disolución de sal se desborda
con la misma velocidad. Si el mezclado en el tanque es suficiente para mantener la
concentración de sal en el tanque uniforme en todo momento, ¿cuánta sal habrá en el tanque
al término de 50 min? Suponga que la densidad de la disolución de sal es prácticamente la
misma que la del agua.
SOLUCIÓN:
0,328 lb de sal