Deber Mraco 2

DEPARTAMENTO DE LA TIERRA Y CONSTRUCCIÓN

INGENIERIA GEOGRÁFICA Y DEL MEDIO AMBIENTE

BALANCE DE MASA Y ENERGÍA

Ing. Tania Crisanto M. Sc, M BA

DEBER MARCO 2

NRC: 5894

INTEGRANTES: Barbosa Farinango Sharon Priscila Crespo Gallardo Josué Bernabé Godoy Cuzco Lizeth Carolina

Fecha: 06 de Agosto del 2020

Ejercicios tomados de: [ CITATION Dav97 \l 12298 ]. 1.19 La velocidad en flujo turbulento dentro de una tubería se expresa por medio de la siguiente ecuación: τ 1 u=k [ ]2 ρ donde τ es el esfuerzo de corte en

N Kg , 2 en la pared del tubo, ρ es la densidad del fluido en m m3

u es la velocidad y k es un coeficiente. Se le pide modificar la ecuación de modo que el esfuerzo de corte se pueda utilizar en las unidades de τ ' que son

tiene unidades de

lb ' 2 y la densidad sea ρ que ft

lbm ft ' . Muestre todos los 3 , con el fin de que la velocidad u se obtenga en s ft

cálculos y exprese la ecuación final en términos de τ ' y ρ' para que quien la lea sepa que en ella intervienen unidades del sistema estadounidense para ingeniería. Datos:

[τ ] = [

N ] m2

[ ρ ] =[ Kg3 ] m

[τ ¿¿ ' ]=[

[

lbf ]¿ ft 2

1 ft 3 ]= lbm ρ'

[ ] ft ¿ s

[ ]

[u¿¿ ']=

Procedimiento: Según el ejercicio la velocidad de flujo está dada en las siguientes dimensiones: 1

N 2 m2 Nm = [u ¿= Kg Kg 3 m

[ ][

]

1 2

Para realizar la conversión de unidades se establece una relación entre unidades para encontrar un factor que permita realizar la conversión final: 1 1,356 J 2 ∗N m 1 lbf ft 1 ∗1 lbm 1 ft 3 2 J ' lbf τ ∗ ∗3,2808 ft 2 ' lbm 0,4536 kg ft ρ ft [u¿¿ ' ]= =k ¿ s 1m

[ ]

{ [ ] [ ]}

{

}

1

1,356∗kg m 2 ∗1 2 1 2 1 s τ ' ' 2∗ ∗3,2808 ft 0.4536 kg ρ ft [u¿¿ ' ]= =k ¿ s 1m

[ ]

u'

{ }

{

}

ft 1 1 ft =k τ ' ' 2∗ (5,672 ) s s ρ

[ ] { }

[] '

u =k (5,672 ) [ NOTAS: Fuente: Times New Roman Tamaño de fuente: 12 Títulos y enunciados en negrilla Enunciado (justificado)

τ ' 12 ] ρ'

Todo en formato de ecuaciones Respuesta en color rojo, y negrilla, encerrada en un cuadro línea entrecortada (guion) color rojo, grosor 1 ½

a=L 3.24. Una planta de laca debe entregar 1000 Ib de una disolución de nitrocelulosa al 8%. Tienen en existencia una disolución al 5.5%. ¿Cuánta nitrocelulosa seca deben disolver en la disolución para surtir el pedido?

3.25. Un fabricante tiene un contrato para producir carbón artificial para asar carne con un contenido máximo garantizado de 10% de humedad y 10% de ceniza. El material básico que usan tiene el análisis: humedad 12.4%, material volátil 16.6%, carbono 57.5% y ceniza 13.5%. A fin de satisfacer las especificaciones (en sus límites), el fabricante planea mezclar con el material base una cierta cantidad de coque de petr6leo que tiene el análisis: material volátil 8.2%, carbono 88.7% y humedad 3.1%. ¿Cuánto coque de petróleo deberá agregar a cada 100 Ib del material base?

3.26. Se llama sedimentos o lodos a los sólidos húmedos que resultan del procesamiento de las aguas residuales municipales. Los lodos deben secarse antes de convertirse en composta o de someterse a algún otro tratamiento. Si un lodo que contiene 70% de agua y 30% de sólidos se pasa por un secador y el producto resultante contiene 25% de agua, ¿cuánta agua se evaporará por cada tonelada de lodos que se envía al secador?

3.27. Un gas que contiene 80% de CH, y 20% de He se hace pasar por un tubo de difusión de cuarzo (véase la Fig. P3.27) con objeto de recuperar el helio. Se recupera el 20% en peso del gas original, y su composición es de 50% He. Calcule la composición del gas de desecho si cada minuto se procesan 100 kg mol de gas. La presión inicial del gas es de 120 kPa, y la final es de 115 kPa. El barómetro indica 740 mm Hg. La temperatura del proceso es 22°C.

3.29. En muchas fermentaciones es preciso obtener la cantidad máxima de biomasa. Sin embargo, la cantidad de masa que es posible lograr está limitada en última instancia por el volumen de las células. Estas ocupan un volumen finito y tienen una forma rígida, por lo que no pueden empacarse más allá de cierto límite. Siempre quedará cierta cantidad de agua en los intersticios entre células adyacentes, mismas que representan el volumen de huecos que en el mejor de los casos puede reducirse hasta el 40% del volumen de los fermentadores. Calcule la masa celular máxima sobre una base seca que puede obtenerse por cada litro de fermentador si la densidad de las células húmedas es de 1.1 g/cm3. Cabe señalar que las células en sí se componen de cerca del 75% de agua y 25% de sólidos, y que la masa celular se informa como peso seco en la industria de la fermentación.

3.30. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7% de humedad. Esta caseína la venden a $8.00/100 lb. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad. Sus costos de secado son $0.80/100 Ib de agua eliminada. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades?

3.33. La fracción orgánica de las aguas residuales se mide en términos de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), que es la cantidad de oxígeno disuelto requerida para biodegradar las sustancias orgánicas que contiene el agua. Si la concentración de oxígeno disuelto (DO) de un cuerpo de agua baja demasiado, los peces del lago o corriente de agua pueden morir. La (EPA) Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos ha establecido niveles mínimos para los lagos en verano de 5 mg/L de oxígeno disuelto. a) Si una corriente fluye a razón de 0.3 m3/s y tiene una DBO inicial de 5 mg/L antes de pasar por el punto de descarga de una planta de tratamiento de aguas residuales, y la planta descarga 3.785 ML/día de aguas residuales con una concentración de 0.15 g/L de DBO, ¿cuál será la DBO inmediatamente abajo del punto de descarga de la planta? b) La planta informa una descarga de 15.8 ML/día con una DBO de 72.09 mg/L. Si la EPA mide el flujo de la corriente antes del punto de descarga e informa un valor de 530 ML/día con 3 mg/L de DBO, y mide la DBO corriente abajo e informa un valor de 5 mg/L ¿está correcto el informe?

3.75. La figura P3.75 muestra un proceso de separación de tres etapas. La razón P3/D3, es de 3, la razón de P2/D2, es de 1 y la razón de A a B en el flujo P2 es de 4 a 1. Calcule la composición del flujo E y el porcentaje de cada uno de los componentes de ese flujo. Sugerencia: Aunque en el problema intervienen unidades enlazadas, la aplicación de la estrategia estándar de resolución de problemas le permitirá llegar a una respuesta sin resolver un número excesivo de ecuaciones simultáneas.

3.76. En la figura P3.76 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 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 85% de agua. El evaporador produce un jarabe “pesado” y el cristalizador produce 1000 lb/h de cristales de azúcar. a) Determine el agua eliminada en el evaporador en lb/h b) Determine las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho G c) Determine la tasa de alimentación de caña de azúcar a la unidad en Ib/h d) Del azúcar que entra con la caña, ¿qué porcentaje se pierde con el bagazo? e) ¿Es ésta una operación eficiente? Explique por qué sí o por qué no

3.77. El hidróxido de sodio por lo regular se produce a partir de la sal común por electrolisis. Los elementos esenciales del sistema se muestran en la figura P3.77. a) ¿Cuál es el porcentaje de conversión de sal en hidróxido de sodio?

b) ¿Cuánto cloro gaseoso se obtiene por cada libra de producto? c) ¿Cuánta agua debe eliminarse en el evaporador por cada libra de producto?

3.80. En una máquina de papel sanitario, una vez que se elimina el agua del papel en las diversas etapas, ésta se devuelve para transportar más pulpa (85% fibra) a través del sistema. Véase la figura P3.80. Calcule las cantidades de fibra desconocidas (todos los valores de la figura están en kg) en kg.

3.81. Examine la figura P3.81. ¿A cuánto asciende el flujo de reciclaje en kg/h?

3.82. Se desea desalinizar agua de mar por ósmosis inversa empleando el esquema que se indica en la figura P3.82. Utilice los datos que se dan en la figura para determinar: a) La tasa de eliminación de salmuera de desecho (B) b) La velocidad de producción de agua desalinizada (llamada agua potable) (D) c) La fracción de la salmuera que sale de la celda de ósmosis (que actúa en esencia como un separador) que se recicla.

3.84. La

ultrafiltración es un método para limpiar los flujos de entrada y de salida de diversos procesos industriales. El atractivo de la tecnología es su sencillez, pues basta con instalar una membrana a través de un flujo para separar físicamente materiales indeseables como aceite, suciedad, partículas metálicas, polímeros y similares. El truco, por supuesto, es encontrar la membrana apropiada. El material de separación tiene que satisfacer un difícil conjunto de condiciones. Tiene que ser muy delgado (de menos de una micra) y altamente poroso, aunque lo bastante fuerte para resistir mes tras mes fuertes esfuerzos de flujo del líquido, pH, abrasión de partículas, temperatura y otras características de operación de las plantas. Un sistema comercial consiste en módulos estándar formados por haces de tubos de carbono poroso recubiertos internamente con una serie de composiciones inorgánicas patentadas. Un módulo estándar tiene seis pulgadas de diámetro y contiene 151 tubos de 4 pies de largo cada uno, con un área de trabajo total de 37.5 pies cuadrados y una producción diaria de 2,000 a 5,000 galones de filtrado. El diámetro óptimo de los tubos es de cerca de 0.25 pulgadas. Un sistema probablemente durará dos o tres años antes de que sea necesario cambiar los tubos por un exceso de acumulación de residuos sobre la membrana. Una limpieza química automática y periódica de los haces de tubos forma parte del funcionamiento normal del sistema. Al pasar por el filtro, la concentración de aceites y suciedad en el flujo de salida se incrementa en un factor de 20 respecto a la del flujo que entra. Calcule la tasa de reciclaje en galones por día (g.p.d.) para la configuración que se muestra en la figura P3.84 y calcule la concentración de aceite y suciedad en el flujo que va al proceso. Los valores encerrados en círculos en la figura corresponden a las concentraciones conocidas de aceite y suciedad.

FELDER 4.3. Una mezcla líquida de benceno y tolueno contiene 55.0% de benceno en masa. Parte de la mezcla se va a evaporar para generar un vapor que contenga 85.0% de benceno y un líquido residual con 10.6% de benceno en masa. a) Suponga que el proceso se va a efectuar de manera continua y en estado estacionario, con una velocidad de alimentación de 100.0 kg/h de la mezcla al 55%. Sean mv (kg/h) y m1 (kg/h) las velocidades de flujo másico de las corrientes de producto gaseoso y líquido, respectivamente. Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso, y después escriba y resuelva el balance de masa total y del benceno para determinar los valores esperados de m v y m1. Para cada balance, indique los términos de la ecuación general de balance (acumulación=entrada + generación – salida - consumo) que descartó y por qué. (Vea el ejemplo 4.2-2.) b) Luego, suponga que el proceso se va a efectuar en un recipiente cerrado, el cual contiene al inicio 100.0 kg de la mezcla líquida. Sean m v (kg/h) y m1 (kg/h) las masas respectivas de las fases finales gaseosa y líquida. Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso, y después escriba y resuelva los balances integrales de masa total y del benceno para determinar mv y m1. Para cada balance, indique los términos de la ecuación general de balance (acumulación=entrada + generación – salida - consumo) que descartó y por qué. c) Regresando al proceso continuo, suponga que el evaporador se construye, se pone a funcionar y se miden las velocidades de flujo de la corriente y las composiciones de producto. El porcentaje medido de benceno en la corriente de vapor es 85% y las velocidad de flujo de la corriente de producto tienen los valores calculador en el inciso (a), pero se observa que la corriente de producto líquido contiene 7% de benceno en vez de 10.6%. Una

posible explicación es que se haya cometido un error en las mediciones. Dé por lo menos cinco explicaciones más [Piense en las suposiciones que hizo al resolver el inciso (a).] Procedimiento: a)

Autores: Barbosa S.; Crespo J.; Godoy L. (2020)

Supuestos: Estado estacionario: Acumulación = 0 No existe Rx: Generación = 0, Consumo = 0 Ecuación: Entrada – Salida = 0 Balance de masa total: 100.0

kg =m v +m 1 h

Despejando m v : (1) m v =100.0

kg −m1 h

Balance de masa del benceno: (0.550∗100.0)

kg B =0.850 m v +0.106 m 1 h

Despejando m v : 0.106 m1−55 ❑

kg B h

=0.850 mv +¿