Taller 1

1.

2.

3.

  4.

5.

6.

7.

8.

TALLER GUÍA No. 1 ‐ Introducción  FUNDAMENTOS DE PROCESOS  INGENIERÍA INDUSTRIAL  UNIVERSIDAD DEL VALLE ‐ SEDE PALMIRA    ¿Qué cantidades de las siguientes se encuentran en 15 Kmol de benceno (C6H6)? (a) kg de C6H6, b) mol C6H6, c) lb‐ mol de C6H6, d) mol de C, e) g de H.    El ácido sulfúrico es un líquido aceitoso transparente, incoloro, sumamente corrosivo. La concentración mínima de  ácido sulfúrico que puede olerse en el aire es 1 miligramo por metro cúbico de aire (mg/m³). Si usted está expuesto  a ácido sulfúrico concentrado en el aire, experimentará irritación de la nariz y detectará el olor penetrante del ácido  sulfúrico. Cuando el ácido sulfúrico concentrado se mezcla con agua, la solución alcanza una alta temperatura. El  ácido  sulfúrico  concentrado  puede  encenderse  o  explotar  cuando  entra  en  contacto  con  muchas  sustancias  químicas,  como  por  ejemplo  acetona,  alcoholes  y algunos  metales  finamente  divididos.  Cuando  se  calienta  emite  vapores  sumamente  tóxicos,  entre  los  que  se  incluye  el  anhídrido  sulfúrico.  Es  la  sustancia  química  de  más  alta  producción  en  Estados Unidos.  Se  usa  en  la  manufactura  de  abonos, explosivos,  otros  ácidos  y  pegamento;  en  la  purificación de petróleo, en el tratamiento de metales; y en baterías de plomo‐ácido (el tipo comúnmente usado en  vehículos  motorizados).  El  ácido  sulfúrico  se  puede  encontrar  también  en  el  aire  en  forma  de  pequeñas  gotas  o  puede estar adherido a otras partículas pequeñas en el aire.     Se mezclan 100 g de agua con 100 g de H2SO4 .¿Cuántos g‐mol de H2SO4 hay por cada g‐mol de agua?     La principal fuente de Ca es el carbonato cálcico (CaCO3) obtenido directamente de yacimientos de piedra caliza. Su  contenido  en  Ca  está  en  torno  al  38%  dependiendo  de  la  riqueza  en  calcita  de  la  materia  prima  original.  Por  su  origen, el CaCO3 incluye como contaminante otros minerales, como Mg, Fe y Cu.    Se mezclan 20 kg de CaCO3 puro con 45 kg de caliza  cuya composición en peso es: 81% de CaCO3, 10% de MgCO3 y  9% de H2O ¿Cuál es la composición en peso de la mezcla?  Un mineral de hierro contiene: 80% de Fe2O3 en peso, 1% de MnO, 12% de SiO2, 3% de Al2O3 y 4% de H2O. Por cada  tonelada de mineral calcular:    a. Los kg de Fe y su porcentaje  b. Los kg‐átomo de Si  c. Los kg‐mol de H2O  d. Los kg‐mol de 02    Se  mezclan  150  lb  de  un  sólido  húmedo  que  contiene  75%  de  agua  en  base  seca,  con  18  lb  de  agua  ¿cuál  es  el  porcentaje de agua de la mezcla resultante en base seca y en base húmeda?    En  la  producción  de  un  medicamento  con  peso  molecular  de  192,  la  corriente  de  salida  del  reactor  fluye  a  una  velocidad de 10.3 L/min. La concentración del medicamento es de 41.2% (en agua) y el peso específico relativo de la  disolución es 1.025. Calcule la concentración del medicamento en (kg/L) en la corriente de salida, y la velocidad de  flujo del medicamento en kg mol/min.    Un gas combustible tiene la siguiente composición molar: O2 5%, N2 80% y CO 15%. Calcular    a. La masa molecular media  b. La composición en peso    Una solución acuosa a 25 °C que contiene 35.0% por peso de H2SO4 (ácido sulfúrico) tiene una gravedad específica  de 1.2563. Se requiere una cantidad de la solución al 35% que contenga 195.5 kg de H2SO4.    a. Calcule el volumen necesario (L) de la solución utilizando la gravedad específica que se indica. 

19 de agosto de 2011 

 

Profesor WILSON ORREGO 

b.

TALLER GUÍA No. 1 ‐ Introducción  FUNDAMENTOS DE PROCESOS  INGENIERÍA INDUSTRIAL  UNIVERSIDAD DEL VALLE ‐ SEDE PALMIRA    Estime  el  porcentaje  de  error  que  hubiera  resultado  si  se  hubieran  usado  las  gravedades  específicas  de  los  componentes puros del H2SO4 (S.G. = 1.8255) y del agua para el cálculo, en vez de la gravedad específica de la  mezcla indicada. 

  El análisis de un carbón bituminoso de grado medio produce los siguientes resultados:    Componente  Porcentaje  S  2  N  1  O  6  Ceniza  11  Agua  3    El residuo es C y H con una relación molar igual a 9. Calcule la composición en fracción en peso (masa) del carbono  omitiendo la ceniza y la humedad y escriba de nuevo la tabla de composición completa para el carbón.    10. Una mezcla de metano y aire sólo puede inflamarse si el porcentaje molar de metano se encuentra entre 5% y 15%.  Una mezcla que contiene 9.0 mol % de metano en aire y que fluye a una velocidad de 700.0 kg/h se va a diluir con  aire puro para reducir la concentración del metano al límite inferior de inflamabilidad. Calcule la velocidad de flujo  de aire necesaria en mol/h y el porcentaje por masa del oxígeno en el producto gaseoso. (Nota: considere que el  aire está formado por 21 mol % de O2 y 79 % de N2 y que su peso molecular promedio es de 29.0)     11. La ecuación de estado de los gases ideales relaciona la presión absoluta, P (atm); el volumen V (L); el número de  moles, n (mol); y la temperatura absoluta, T(K), de un gas:    PV = 0.08206nT    a. Convierta esta ecuación a otra expresión que relaciones P(psig), V(ft³), n(lb‐mol) y T(°F)    b. Una mezcla gaseosa con 30.0 mol % de CO y 70.0 mol % de N2 se almacena en un cilindro con volumen de 3.5  ft³  a  85  °F  de  temperatura.  La  lectura  en  el  manómetro  de  Bourdon  unido  al  cilindro  es  500  psi.  Calcule  la  cantidad total de gas (lb‐mol) y la masa de CO (lbm) en el tanque.    c. ¿Cuál sería la temperatura aproximada a la que tendría que calentar el cilindro para aumentar la presión del gas  a 3000 psig, que es el límite máximo de seguridad? (La estimación sólo constituye una aproximación, porque la  ecuación de estado de los gases ideales no es precisa a presiones altas)    12. Ciertas sustancias sólidas, llamadas compuestos hidratados, contienen proporciones moleculares bien definidas de  agua unidas a alguna otra especie, que a menudo es sal. Por ejemplo, el sulfato de calcio dihidratado (cuyo nombre  común es yeso, CaSO4 ∙ 2H2O) tiene 2 moles de agua por mol de sulfato de calcio; así mismo, se puede decir que un  mol de yeso consta de 1 mol de sulfato de calcio y 2 moles de agua. El agua que contiene tales sustancias se llama  agua de hidratación.    En un cristalizador se forma yeso sólido que sale de la unidad como un lodo (una suspensión de partículas sólidas en  un líquido) formado por partículas de yeso sólido suspendidas en una solución acuosa de CaSO4. El lodo fluye del  cristalizador  a  un  filtro  en  el  cual  se  recolectan  las  partículas  como  torta  de  filtración.  Dicha  torta,  que  contiene  95.0% por peso de yeso sólido y el resto de solución de CaSO4 , se alimenta a un secador en el cual se extrae toda el  agua (incluyendo el agua de hidratación de los cristales) para dar CaSO4 anhidro (libre de agua) como producto. Un  diagrama de flujo y los datos importantes del proceso aparecen a continuación:    9.

19 de agosto de 2011 

 

Profesor WILSON ORREGO 

TALLER GUÍA No. 1 ‐ Introducción  FUNDAMENTOS DE PROCESOS  INGENIERÍA INDUSTRIAL  UNIVERSIDAD DEL VALLE ‐ SEDE PALMIRA    Contenido de sólidos del lodo que sale del cristalizador: 0.35 kg CaSO4 ∙ 2H2O/L de lodo  Contenido de CaSO4 en el líquido del lodo: 0.209 g CaSO4/100 g H2O  S.G CaSO4 ∙ 2H2O = 2.32, S.G soluciones líquidas = 1.05    a. Tomando como base un litro de la solución que sale del cristalizador, calcule la masa (kg) y el volumen (L) de  yeso sólido, la masa de CaSO4 en el yeso, y la masa de CaSO4 en la solución líquida.    b. Calcule  el  porcentaje  de  recuperación  de  CaSO4  –  es  decir,  el  porcentaje  de  CaSO4  total  (precipitado  más  disuelto) que sale del cristalizador y se recupera como CaSO4 anhidro sólido.  Vapor de    agua    Torta    CaSO4  de    (acuoso)  Lodo filtración Secador  Cristalizador  Filtro          Diagrama de flujo incompleto.  Filtrado CaSO4    13. La compañía donde trabaja fabrica envolturas de plásticos para almacenar alimentos. La resistencia al desgarre de la  envoltura, que  se  representa  como  X,  debe  controlarse para  que  esta  pueda desprenderse  del  rollo  sin  esfuerzo,  pero que al mismo tiempo, sea difícil romperla con el uso normal.    En una serie de corrida de prueba, se fabrican 15 rollos de envoltura en condiciones controladas con gran cuidado y  se  mide  la  resistencia  al  desgarre  de  cada  rollo.  Los  resultados  se  emplean  como  base  de  una  especificación  de  control de calidad. Si el valor X para un rollo que se produce después se aleja más de dos desviaciones estándar del  promedio  correspondiente  al  periodo  de  prueba,  se  declara  que  el  proceso  está  fuera  de  la  especificación  y  se  suspende la producción para programar mantenimiento al equipo.    Los datos obtenidos en una seria de prueba son los siguientes:    Rollo  1  2  3  4  5  6 7 8 9 10 11 12  13  14 15 X  134  131  129  133  135 131 134 130 131 136 129  130  133  130 133   a) Alimente  en  una  hoja  de  cálculo  los  datos  de  la  serie  de  prueba  y  calcule  la  media  de  la  muestra   y  la  desviación estándar de la muestra.    b) Se  obtienen  los  siguientes  valores  de  resistencia  al  desgarre  para  los  rollos  producidos  en  14  corridas  consecutivas de producción subsecuentes a la serie de prueba: 128, 131, 133, 130, 133, 129, 133, 135, 137,  133,  137,  136,  137,  139.  En  la  hoja  de  cálculo,  elabore  una  gráfica  de  control  de  X  contra  el  número  de  corrida, indicando con líneas horizontales los valores que correspondan a  ,  2    + 2  del periodo  de  prueba,  e  indique  qué  puntos  corresponden  a  las  14  corridas  de  producción  ¿qué  mediciones  ocasionaron que se suspendiera la producción?    c) Tras  la  última corrida de producción,  el  ingeniero  en  jefe  de  la  planta  regresa de  vacaciones,  examina  el  registro diario de la planta y comenta que es evidente que el mantenimiento de rutina no fue suficiente y  que debió detenerse el proceso en algún momento de las dos semanas en las cuales estuvo ausente para  dar mantenimiento al sistema. ¿Cuándo hubiese sido razonable hacer esto y por qué?   

19 de agosto de 2011 

 

Profesor WILSON ORREGO 

TALLER GUÍÍA No. 1 ‐ Introoducción  FUNDAMEENTOS DE PRO OCESOS  INGENIIERÍA INDUSTR RIAL  UNIVERSIDAD D DEL VALLE ‐ SED DE PALMIRA   14. Todo ibaa bien en el turrno de la media noche a las 8 8:00 a.m. en laa planta piloto  de Breaux Brid dge Drug Co., hasta que  Therese  Lagniappe, la  operadora del reactor , dejó ó la hoja de innstrucciones deemasiado cercca de la estufa Coleman  pleaba para caalentar el agua con la cual prreparaba su taasa de café cad da dos horas. EEsto provocó la pérdida  que emp total de la hoja de la co orrida, del café é y una porción n importante dde la novela qu ue Lagniappe estaba escribien ndo.    ón  poco  entussiasta  de  su  supervisor  la  úúltima  vez  quee  le  habló  a  m medianoche,  LLagniappe  Recordando  la  reacció decidió  confiar  en  su  memoria  paraa  fijar  la  veloccidad  de  flujo  requerida.  Loss  dos  líquidos  que  se  alimentaban  al  del tanque de agitación eran ácido circulosstoico (CSA: PM M = 75, GE = 0.990) y flubitol (FB: PM = 90, G GE = 0.75).  reactor d El  sistem ma  producía  un  fármaco  po opular  OTC  para  curar  de  m manera  simultáánea  la  hipertensión  y  la  to orpeza.  La  relación molar de las d dos corrientes de alimentació ón tenía que eencontrarse entre 1.05 y 1.10 0 mol de CSA/m mol de FB  nto del acciden nte, la velocidaad de flujo  para evittar que el conttenido del reacctor formara un tapón sólidoo. En el momen de CSA e era 45.8 L/min n. Lagniappe ajustó el flujo de flubitol al vaalor que, según n ella, estaba een la hoja de la corrida:  55.2 L/m min. ¿Hizo lo co orrecto? Si no ffue así, ¿cómo podría haber  aprendido algo o de su error? (Nota: el reacttor era de  acero ino oxidable, lo cual impedía verr su contenido))      un  hidrocarburo  inflamable))  en  un  tanquue  de  almacen namiento  flucttúa  entre  10  yy  400  cm  15. El  nivel  de  tolueno  (u o de  la  parte  superior  s del  taanque. Como  es  e imposible  vver  el  interior  d del  mismo,  se  usa  un manó ómetro  de  respecto extremo o  abierto  con  agua  a o  mercurrio  como  fluido  manométricco  para  determ minar  el  nivel  del  tolueno.  SSe  une  un  brazo  de el  manómetro o  al  tanque,  a  500  cm  de  laa  parte  superioor.  Se  mantiene  una  capa  d de  nitrógeno  a  presión  atmosférica sobre el co ontenido del taanque.    d tolueno  en  el  tanque  esttá  150  cm  a. Cuando  el  nivel  de  por  debajo  de  la  superficie  (h  =  150  cm)  el  nivel  del  do en el brazo  abierto del m manómetro estáá justo en  fluid el  lugar  donde  el  e manómetro se  conecta  al  a tanque  ué  lectura,  R  R (cm),  se  obtendría  o si  el  fluido  ¿Qu man nométrico  es:  (i)  mercurio,  (ii)  agua?  ¿q qué  fluido  emp plearía en el manómetro? ¿por qué?    b. Describa la forma breve cómo ffuncionaría el  sistema si  m se e  llenara  sólo o  con  tolueno o.  Indique  el  manómetro  varias ventajas de el fluido que eligió usar en el inciso (a)  con respecto al tolueno.    c. ¿Cuál es el propóssito de la capa de nitrógeno?          

19 de a agosto de 201 11 

Profeesor WILSON ORREGO