Balance de Materia Problemas

Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingenierías Campus Guanajuato

Balance de Materia y Energía Jesús Ernesto Corona Andrade “Portafolio de evidencias” Primer parcial 21 de septiembre del 2021 Grupo 3BM1

Integrantes: Horta Luna Lia Valentina Vela Flores Lucia del Carmen

Índice

Índice……...…………………….……………………..2 Problema 1…………………….……….……………....3 Problema 2…………………….……….……………....3 Problema 3…………………….……….……………....5 Problema 4…………………….……….……………....7 Problema 5…………………….……….……………...10 Problema 6…………………….………..……………...11 Problema 7…………………….……..………………...15 Problema 8…………………….…..…………………...16 Problema 9……………………...……………………...21 Problema 10…………………...……………………….22 Problema 11…………………….……………………...25 Problema 12…………………….……………………...27 Problema 13…………………….……………………...30 Autoevaluación .……………….……………………...32 Coevaluación……...…………….……………………...33

Problema 1 Una suspensión de partículas de carbonato de calcio en agua fluye por una tubería. Le piden que determine la velocidad de flujo y la composición de esta lechada. Procede entonces a tomar una muestra de la corriente en una probeta graduada durante 1.00 min; después, pesa la probeta, evapora el agua recolectada y vuelve a pesar la probeta, obteniendo los siguientes resultados: Masa de la probeta vacía: 65.0 g Masa de la probeta + la lechada recolectada: 565 g Volumen recolectado: 455 mL Masa de la probeta tras la evaporación: 215 g Calcule: a) Las velocidades de flujo volumétrico y másico de la suspensión. b) La densidad de la suspensión. c) La fracción másica de CaCO3 en la suspensión.

Problema 2 Todo iba bien en el turno de la media noche a las 8:00 am., en la planta piloto de Breaux Bridpe Drug Co., hasta que Therese Lagniappe, la operadora del reactor, dejó la hoja de instrucciones demasiado cerca de la estufa Coleman que empleaba para calentar el agua con la cual preparaba su taza de café cada dos horas. Esto provocó la pérdida total de la hoja de la corrida, del café y de una porción importante de la novela que Lagniappe estaba escribiendo.Recordando la reacción poco entusiasta de su supervisor la última voz que te habló a medianoche. Lagniappe decidió confiar en su memoria para fijar la velocidad de flujo requerida. Los dos líquidos que se alimentaban al reactor del tanque de agitación eran ácido circulostoico (CSA: PM = 75, GE = 0.90) y flubitol (FB: PM 90, GE = 0.75). El sistema producía un fármaco popular OTC para curar de manera simultánea la hipertensión y la torpeza. La relación molar de las dos corrientes de alimentación tenía que encontrarse entre 1.05 y 1.10 mol de CSA/mol de FB para evitar que el contenido del reactor formará un tapón sólido. En el momento del accidente, la velocidad de flujo del

CSA era 45.8 L/min. Lagniappe ajustó el flujo de flubitol al valor que, según ella estaba en la hoja de la corrida: 55.2 L/min. ¿Hizo lo correcto? Si no fue así, ¿cómo podría haber aprendido algo de su error? (Nota, el reactor era de acero inoxidable, lo cual impedía su contenido.)

Problema 3 Se combinan corrientes de metano y aire (79 mol% de N2 y el balance de O2) en la entrada de un precalentador de un horno de combustión. Las presiones de cada corriente se miden con manómetros de mercurio de extremo abierto, las temperaturas se miden con termómetros de resistencia, y las velocidades de flujo volumétrico con medidores de orificio.

Datos: Flujómetro 1: V1=947 m3/h Flujómetro 2: V2=195 m3/min Manómetro 1: h1=232 mm Manómetro 2: h2=156 mm Manómetro 3: h3=74 mm Termómetro de resistencia 1: r1=26.159 ohms Termómetro de resistencia 2: r2=26.157 ohms Termómetro de resistencia 3: r3=44.789 ohms Presión atmosférica: la lectura en un manómetro de mercurio de extremo sellado es h=29.76 in. Los termómetros de resistencia se calibraron midiendo sus resistencias en los puntos de congelación y ebullición del agua, y se obtuvieron los siguientes resultados: T=0°C: r=23.624 ohms T=100°C: r=33.028 ohms Por tanto, es posible suponer que la relación entre T y r es una recta. La relación entre la velocidad total de flujo molar de un gas y su velocidad de flujo volumétrico está dada, con buena aproximación, por una forma de la ecuación de estado de los gases ideales:

(

𝑛

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑠

3

=

12.186𝑃 (𝑎𝑡𝑚) 𝑉 (𝑚 /𝑠) 𝑇 (𝐾)

)donde P es la presión absoluta del gas.

a) Derive la fórmula de calibración del termómetro de resistencia para T(°C) en términos de r (ohm). b) Transforme las expresiones dadas de la ley de los gases a una expresión para n (kmol/min) en términos de P(mmHg), T (°C), y V (m3/min). c) Calcule las temperaturas y presiones de los puntos 1, 2 y 3. d) Calcule la velocidad de flujo molar de la corriente combinada de gases. e) Calcule la lectura del flujómetro 3 en m3/min. f) Calcule la velocidad total de flujo másico y la fracción másica del metano en el punto 3.

Problema 4 En una planta de ácido sulfúrico, se mezclan 100 lbmol/h de una corriente que contiene 90 % mol de H2SO4 en agua, con 200 lbmol/h de otra que contienen 95% mol de H2SO4 en agua y con 200 lbmol/h de una corriente que consiste de 15% mol de SO3 en N2. El resultado son 480 lbmol/h de una corriente mezclada que contiene 170 lbmol/h de N2, 62.5 % mol de H2SO4, nada de agua y el resto SO3. Determine, mediante cálculos, si: a) ¿Se conserva la masa total? b) ¿Se conservan el número total de moles? c) ¿Se conservan el número de moles de cada tipo de átomo?

d) ¿Se conserva la masa de cada sustancia? e) ¿Si el balance total de masa no resulta, cuál es la explicación más probable? f) ¿Si el balance del número total de moles no resulta, cuál es la explicación más probable?

Problema 5 La alimentación a un sistema fraccionador de dos columnas es de 30 000 lbm/h de una mezcla que contiene 50% de benceno (B), 30% de tolueno (T) y 20% de xileno (X). La alimentación se introduce en la columna I y resulta en un destilado con 95% de benceno, 3% de tolueno y 2% de xileno. Supóngase que 52% de la alimentación aparece como destilado en la primera columna y que 75% del benceno alimentado a la segunda columna aparece en el destilado de ésta. Calcular la composición y flujo de la corriente de fondos de la segunda columna.

Problema 6 Una lechada compuesta de un precipitado de TiO2 en una solución de agua salada se va a lavar en tres etapas, como lo muestra la figura. Si la lechada de alimentación consiste en 1000 lbm/h de 20% de TiO2, 30% de sal y el resto de agua, calcule la alimentación de agua de lavado a cada etapa. Supóngase que: a) El 80% de la sal alimentada a cada etapa sale con la solución de desperdicio. b) Se operan las etapas de manera que la lechada de salida contenga una tercera parte de sólidos c) En cada etapa, la concentración de sal en su solución de desperdicio es la misma que la concentración de sal acarreada con la lechada de salida de la etapa.

Problema 7 Se produce café instantáneo de acuerdo con el diagrama de flujo de la figura. El café molido y tostado se carga con agua caliente a un percolador, en donde se extraen los materiales solubles en agua. El extracto se seca por aspersión para obtener el producto, y los residuos sólidos se decantan parcialmente, antes de enviarlos a incineración o desecho. Por razones de simplicidad, supóngase que el café no contiene agua, únicamente materiales solubles e insolubles. La carga normal es de 1.2 lb de agua por libra de café. Como una aproximación razonable, puede suponerse que la razón entre materiales solubles y agua en las dos corrientes que salen del percolador es idéntica. Lo mismo puede decirse del separador y la prensa, pero no del secador. a) Con la información anterior y las composiciones indicadas, ¿está completamente especificado el problema? b) Supóngase que no nos interesan las corrientes 3, 4 y 5, de manera que es posible incorporar al percolador, separador y mezclador en una “caja negra” única. Calcule la proporción de solubles recuperados contra solubles perdidos en la corriente de descarga.

Problema 8 En la figura P3.69 se muestra un proceso de destilación. Se le pide obtener todos los valores de velocidad de flujo y composición. a) ¿Cuántas incógnitas hay en el sistema? b) ¿Cuántas ecuaciones independientes de balance de materia puede escribir? Explique cada respuesta y muestre todos los detalles del razonamiento que siguió para tomar su decisión. Para cada flujo, los únicos componentes son los que se indican debajo del flujo

Problema 9 Examine la figura. ¿A cuánto asciende el flujo de reciclaje en kg/h?

Problema 10 Se desea desalinizar agua de mar por ósmosis inversa empleando el esquema que se indica en la figura. Empleando los datos presentes en la figura determinar: a) La tasa de eliminación de salmuera de desecho. (B) b) La producción de agua desalinizada. (D) c) La fracción de la salmuera que sale de la celda de ósmosis que se recicla.

Problema 11 Todos los flujos contienen agua. En la tabla se indican las concentraciones de varios de los flujos. ¿A cuánto asciende la velocidad (L/h) del flujo de reciclaje R32 si la alimentación es de 1 L/h?

Problema 12 En la producción de un aceite de frijol, que contiene 13.0% por peso de aceite y 87.0% se muelen las semillas y se alimentan a un tanque con agitación (el extractor) junto con una corriente de recirculación de n-hexano líquido. La proporción de alimentación es de 3 Kg de hexano/Kg de frijol. Las semillas molidas se suspenden en el líquido y casi todo el aceite de estas se extrae con hexano. El efluente del reactor pasa a un filtro. La torta de filtrado contiene 75.0% por peso de sólidos de frijol y el resto de aceite de semilla y hexano, estos dos últimos en la misma proporción a la cual emergen del extractor. La torta de filtrado se desecha y el filtrado líquido se alimenta a un evaporador con calentamiento, en el cual se vaporiza el hexano y el aceite permanece líquido. El aceite se almacena en tambores y se embarca. A continuación, se enfría y se condensa el vapor hexano, y el condensador de hexano líquido se recircula al extractor.

a) Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso, haga el análisis de grados de libertad y escriba en un orden eficiente las ecuaciones que resolvería para determinar todas las variables desconocidas de las corrientes, y encierre en un círculo las variables que despejaría. b) Calcule el rendimiento obtenido de aceite de frijol (kg de aceite/kg de frijol alimentado), la alimentación necesaria de hexano fresco (Kg de C6H14/kg de frijol alimentado), y la relación entre la recirculación y la alimentación fresca (kg de hexano recirculado/kg de alimentación fresca). c) Se sugiere la posibilidad de agregar un cambiador de calor al proceso. Esta unidad de proceso constaría de un paquete de tubos metálicos paralelos contenidos en una coraz externa. El filtrado líquido pasaría del filtro hacia el interior de estos tubos y luego, al evaporador. El vapor caliente de hexano influiría, en su camino del evaporador al extractor, por la coraza, pasando por el exterior de los tubos y calentando el filtrado ¿ Cómo podría reducir los costos de operación el hecho de incluir esta unidad? d) Sugiera pasos adicionales para mejorar la economía del proceso.

Problema 13 El siguiente es el diagrama de proceso del lavado de camisas del Servicio “Burbujas”, Su Ropa Limpia en 24 Horas, Inc. Las camisas se remojan en una tina con agitación que contiene el detergente Whizzo (Wh), y después se exprimen y se envían a la fase de enjuague. El detergente sucio se envía a un filtro que retira la mayor parte de la mugre y, una vez limpio, se recircula para unirlo a una corriente de Whizzo puro, y la corriente combinada sirve como alimentación para la tina de lavado.

Datos: Cada 100 lbm de camisas sucias contienen 2.0 lbm de suciedad. El lavado elimina 95% de la mugre en las camisas sucias. Por cada 100 lbm de camisas sucias, salen 25 lbm de Whizzo con las camisas limpias y se devuelven 22 lbm a la tina por el proceso de exprimido. El detergente que entra a la tina contiene 97% de Whizzo y el que entra al filtro contiene 87%. La mugre húmeda que sale del filtro contiene 8.0% de Whizzo.

a) ¿Qué cantidad de Whizzo puro debe proporcionarse por cada 100 lbm de camisas sucias? b) ¿Cuál es la composición de la corriente de recirculación?

Autoevaluación Integrante: Horta Luna Lia Valentina Criterio

10

Cumple con las tareas asignadas en tiempo y forma

*

Entrega puntualmente

*

Es ordenado

*

Participa en la elaboración del producto final

*

Apoya al compañero y da retroalimentación

*

7.5

5

0

7.5

5

0

Integrante: Vela Flores Lucia del Carmen Criterio

10

Cumple con las tareas asignadas en tiempo y forma

*

Entrega puntualmente

*

Es ordenado

*

Participa en la elaboración del producto final

*

Apoya al compañero y da retroalimentación

*

Coevaluación Integrante: Horta Luna Lia Valentina Criterio

10

Cumple con las tareas asignadas en tiempo y forma

*

Entrega puntualmente

*

Es ordenado

*

Participa en la elaboración del producto final

*

Apoya al compañero y da retroalimentación

*

7.5

5

0

7.5

5

0

Integrante: Vela Flores Lucia del Carmen Criterio

10

Cumple con las tareas asignadas en tiempo y forma

*

Entrega puntualmente

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Es ordenado

*

Participa en la elaboración del producto final

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Apoya al compañero y da retroalimentación

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