Trabajo Práctico de Balance de Materia y Energía

TRABAJO PRÁCTICO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA REGULAR 2016

Problema 01: A un tanque con leche de 10000 litros de capacidad se le agrega leche a razón de 100 L/min y se le quita con el mismo caudal. La temperatura inicial de la leche en el tanque es de 35°C. La leche entra al tanque a 25°C. Si un serpentín adiciona 2000 kcal/min. Calcule cual será la temperatura del tanque cuando llega a estabilizarse. El Cp de la leche es 1 kcal/kg-ºC y su densidad 1032 kg/L. Problema 02: En una planta para desodorizar aceite vegetal, el aceite se precalienta con un cambiador tubular y a contracorriente con agua. El flujo de masa de agua a través del cambiador es de 5000 kg/h, entra a 100 ºC y sale a 43 ºC, el aceite fluye a razón de 10000 kg/h. Si el aceite entra al cambiador a 17 ºC, ¿Cuál será la temperatura de salida del aceite? El Cp del aceite es 0,5 kcal/kg-ºC y Cp del agua es 1 kcal/kg-ºC Problema 03: Se calienta puré de plátano desde 15 ºC hasta 50 ºC usando agua a 100 ºC. Si la cantidad de puré es de 2000 kg/h, ¿cuál será la cantidad de agua utilizada si la temperatura del agua saliente es de 65 ºC El Cpm del puré es 0,875 kcal/kg-ºC Problema 04: Una mezcla de 454 kg de jugo de manzana a 10 ºC se calienta en un cambiador por adición de 21300 kcal. Calcule la temperatura de salida del jugo El Cp es 0,957 kcal/kg-ºC Problema 05: Mil latas de conserva de choros en salmuera se calientan hasta 116°C en una autoclave. Antes de retirarlas de la retorta, las latas se enfrían hasta 38°C utilizando para ello agua fría que entra a 24°C y sale a 30°C. Calcular la cantidad necesaria de agua de enfriamiento. Cada lata llena pesa 0,5 kg de conserva y la lata vacía pesa 70 g. El Cp de la conserva es 0,95 kcal/kg-ºC y el Cp de la lata es 0,12 kcal/kg-°C. Para sostener las latas dentro de la autoclave se emplea una canasta de metal que pesa 150 kg y tiene un Cp = 0,12 kcal/kg-°C, suponer que la canasta también se enfría hasta 38°C. La cantidad de calor quitado de las paredes del autoclave al enfriarse de 116°C a 38°C es de 25000 kcal. Las pérdidas por radiación son de 1200 kcal. Problema 06: Se dispone de un autoclave de una jaula en el que se tratan 900 latas de medio kilo de peso neto por carga. El autoclave está construido en acero inoxidable y pesa 1000 kg. La cesta también es de acero inoxidable y su peso es de 100 kg. Los envases tratados son de hojalata y pesan, en vacío, 50 g cada uno. Calcular el caudal de agua que se consumirá en el proceso de enfriamiento del autoclave, desde 120 hasta 40ºC, si el agua llega al cambiador a 20ºC y lo abandona a 25ºC. (Cp producto: 4 kJ/kg-K; Cp acero inox: 0,5 kJ/kg-K; Cp hoja lata: 0,6 kJ/kg-K). Problema 07: En un cambiador de calor de pared rascada se quieren calentar 2000 kg/h de puré de patata desde 15 hasta 50ºC. Para la calefacción se dispone de un caudal de 1500 L/h de agua 95ºC. ¿A qué temperatura se obtendrá el agua del cambiador? (Cppuré = 3,75 kJ/kg-K; Cpagua (75ºC) = 4,2 kJ/kg-K; ρagua (95ºC) = 963,6 kg/m3) Problema 08: Se está comprimiendo aire de 100 kPa y 255 K (estado en el que tiene una entalpía de 489 kJ/kg) a 1000 kPa y 278 K (estado en el que tiene una entalpía de 509 kJ/kg). La velocidad de salida del aire del compresor es de 60 m/s. ¿Qué potencia (en kW) debe tener el compresor si la carga es de 100 kg/h de aire?

Problema 09: Procesamiento de harina de pescado. Algunos pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínas suplementarias en alimentos. En el proceso empleado primero se extrae el aceite para obtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca. Esta pasta se procesa en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto “seco” que contiene 40% en peso de agua. Finalmente, el producto se muele a grano fino y se empaca. a) Calcule la alimentación de pasta en kg/h necesaria para producir 1000 kg/h de harina “seca”. Problema 10: Balance de materia en estado no estacionario sin generación Un tanque contiene 100 galones de una disolución de sal en agua que contiene 4,0 Ib 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.

F1  5 gal/min 1

C1  0 lb/gal V  100 gal



m  4,0 lb F2  5 gal / min 2 C2  ?

Problema 11: En la siguiente figura se muestra tres tanques de 120 galones de capacidad cada uno, que tienen las siguientes características:  El primer tanque contiene 75 lb de sal disuelta  El segundo tanque tiene 30 lb de sal disuelta.  El tercer tanque tiene agua pura. Calcule las libras de sal que habrá en el tercer tanque al cabo de 25 minutos si se introduce agua pura por A, a un gasto de 12 gal/min, el flujo en todas las tuberías es el mismo.

F0  12 gal/ min A

C0  0 lb/gal

V = 120 gal

m1  75 lb



C1

V = 120 gal

V = 120 gal

m2  30 lb





B

F1  12 gal/ min

C2

C

F2  12 gal/ min

D

C3

F3  12 gal/min

Problema 12: Balance de materia en estado no estacionario sin generación Un tanque cuadrado de 4 m por lado y 10 m de altura se llena hasta el borde con agua. Calcule el tiempo que tardara en vaciarse a través de un agujero en el fondo con un área de 5 cm2. h

10 m 4m

5 cm2 0 Agujero

Problema 13: Producción de jalea a partir de frutas maceradas en un proceso de dos etapas. En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en peso de sólidos solubles se mezcla con azúcar (1,22 kg azúcar/1,00 kg de fruta) y pectina (0,0025 kg pectina/1,00 kg de fruta). La mezcla resultante se evapora en una olla para producir una jalea con 67% en peso de sólidos solubles. Calcule, para una alimentación de 1000 kilogramos de fruta macerada, los kilogramos de mezcla obtenida, los kilogramos de agua evaporada y los kilogramos de jalea producida. Problema 14: Evaporación y derivación en la concentración de jugo de naranja. En un proceso para concentrar 1000 kg de jugo de naranja recién obtenido, que contiene 12,5% en peso de sólidos, la maceración produce 800 kg de jugo filtrado y 200 kg de pulpa. El jugo filtrado se concentra en un evaporador al vacío para obtener una concentración del 58% de sólidos. Los 200 kg de pulpa se derivan extrayéndolos antes de entrar al evaporador y se mezclan con el jugo evaporado en un mezclador, para mejorar el sabor. Este jugo concentrado final contiene 42% en peso de sólidos. Calcule la concentración de sólidos en el jugo filtrado, los kg de jugo concentrado final y la concentración de sólidos en la pulpa que se deriva. (Sugerencia: Procédase primero a un balance total y después a un balance de sólidos en el proceso total. Después, hágase el balance en el evaporador y, finalmente, el balance en el mezclador.) PROBLEMA 15: Agua a 24°C fluye a razón de 6 m/s por el interior de una tubería aislada cuyo diámetro interno se aumenta súbitamente a 5 cm. Calcule el cambio en la entalpia del agua si la tubería pequeña es de 2,5 cm. ¿Cuál sería el cambio en la temperatura debido a la expansión?

D1  0,025 m c1  6 m/s

D2  0,05 m 1

2

h  ?

Problema 16: Dos corrientes de aceite se mezclan en un proceso continuo en las condiciones mostradas en la figura. Calcule la temperatura final T3 1 

2

m1  100 kg / min T1  26 C CP1  0,7 kcal / kg - C





m2  50 kg / min T2  5 C

Q  5000 kcal / min

CP2  0,52kcal/ kg - C

3

T3  ?

Problema 17: A través de una tubería horizontal de 5 cm de diámetro interno circula gas metano a razón de 1400 kg/h. El gas entra a la tubería a la presión absoluta de 80 atm y a 68°C y sale a la presión atmosférica. ¿Qué cantidad de calor habría que suministrar para que el gas saliera de la tubería a la misma temperatura de entrada?

Q  ?

2

1 P1  80 atm

T1  68C

P2  1 atm

D  5 cm

T1  68C

Problema 18: Por una tubería horizontal de 25 cm de diámetro interno circula vapor de agua. La tubería está aislada. En dos puntos de la tubería se ha insertado manómetros y termómetros separados entre sí por varios metros, cuyas lecturas son: Punto 1 Punto 2

T1 = 170,00 °C T2 = 160 °C

¿Qué gasto de vapor circula por la tubería?

P1 = 8,45 atm P2 = 5,62 atm