Trabajo Practico - N3-Balance de Masa Simple

Cátedra: Integración II

Año: 2014

GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: BALANCE DE MATERIA P1) Composición. Fluyen a través de una tubería 100 lbm por minuto de una substancia A cuyo peso molecular es 2 y 300 lbm por minuto de una substancia B cuyo peso molecular es 3. Encontrar: a) Las fracciones másicas de A, (Xa) y de B, (Xb). b) Las fracciones molares de A, (xa) y de B, (xb). c) El flujo másico de A (A), y el flujo molar de B (Fb) P2) Composición. El gas natural de un pozo tiene la siguiente composición molar: 60% de metano (CH4), 16% de etano (C2H6), 10 % de propano (C3H8) y 14% de butano (C4H10). Calcule: a) Composición en fracción molar b) Composición en porcentaje en peso c) Volumen que ocupan 100 kilogramos de gas a 21 °C y 0,97 atmósferas de presión d) Densidad del gas a 21 °C y 0,97 atmósferas, en gramos/litro P3) Grados de Libertad. Una mezcla líquida, de composición molar 20% N2, 30% CO2 y 50% O2, se separa en una columna de destilación, dando un flujo de cabeza (N2 y CO2) y un flujo de cola (2,5% N2, 35% CO2, y O2). Este flujo alimenta una segunda columna destiladora, dando un producto de cabeza con 8% N2, 72% CO2 y 20% O2, y un producto de cola (CO2 y O2). Determinar el número de Grados de libertad para cada columna, verificar la solución del mismo. Para una alimentación de 1000 mol/hora a la primera columna, calcule los flujos y composiciones restantes.

P4) Separación utilizando membranas. Las membranas representan una tecnología relativamente nueva para separar gases. Una aplicación que ha llamado la atención es la separación de oxigeno y nitrógeno del aire. La figura ilustra una membrana con poros del orden de 10-9 m que se fabrica aplicando un recubrimiento muy delgado de polímero a una capa de soporte de grafito poroso. ¿Cuál es la composición del flujo de desecho si éste equivale al 80% de la entrada? Realizar el diagrama de flujo.

Membrana O2

O2 25%

Entrada

Salida

N2

N275%

O2

N2

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx P5) Destilación continua. Una industria que fabrica por primera vez alcohol ha tenido ciertos problemas con una columna de destilación. Los técnicos creen que se pierde demasiado alcohol en las colas (desperdicio). Calcule la composición de las colas y la masa de alcohol que se pierde en ellas. Ver gráfica a continuación.

V apor

In te rc a m b . d e c a lo r

R e flu jo Colum na de destilación

F 1 0 0 0 k g a lim . 1 0 % E tO H 9 0 % H 2O

A g u a d e e n f ria m ie n to

D e stila d o (p ro d u c to ) 6 0 % E tO H 40% H2O 1 /1 0 d e la a lim e n ta c ió n

C alor

C o la s d e d e stila c ió n Et OH H2O

P6) La sal contenida en el petróleo crudo debe eliminarse antes de procesarlo en una refinería. El petróleo crudo se alimenta a una unidad de lavado en la que agua dulce alimentada a la unidad se mezcla con el petróleo y disuelve una porción de la sal que contiene. El petróleo (que contiene un poco de sal pero nada de agua), al ser menos denso que el agua, se puede sacar por la parte superior del lavador. Si el agua de lavado gastada contiene 15% de sal y el crudo contiene 5% de sal, determine la concentración de la sal en el producto de petróleo lavado si la razón de petróleo crudo (con sal): agua que se usa es de 4:1.

P7) Se desea fabricar 10000 kg/h de leche semidesnatada con un contenido en grasa del 1%. Para ello se parte de leche entera con un contenido en grasa del 3,5%, de la cual parte se desnata completamente hasta un contenido en grasa del 0,1%, mientras que el resto de la leche entera se deriva sin procesar para mezclar con la desnatada y por mezcla de ambas corriente producir la leche semidesnatada. Determinar el caudal de leche entera que se debe emplear, LE, el caudal de esta leche que se deriva, B, y no se desnata, el caudal de leche desnatada producido, LD, y el rendimiento, r, de nata extraída, N, expresado en % respecto de la leche entera que entra al sistema.

P8) Cristalización. Un tanque contiene a 10000 kg de una disolución saturada de Na2CO3 a 30ºC. Queremos cristalizar de esta disolución 3000 kg de Na2CO3 · 10 H2O sin agua en exceso. ¿A qué temperatura es preciso enfriar la solución?

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx 10000 kg Na2CO3

Na2CO3

H2O

H2O

Estado inicial

Estado final

Disoluciòn saturada a 30 ºC

Disolución saturada a T=?

Na2CO3 · 10 H 2O 3000 kg

Se sacan los cristales

Temp. (ºC)

Solubilidad (gr Na2CO3 / 100 g H2O)

0 10 20 30

7 12.5 21.5 38.8

P9) Equipos múltiples. La acetona se utiliza en la fabricación de muchas sustancias químicas y también como disolvente. En esta última aplicación, la liberación de vapor de acetona al ambiente está sujeta a muchas restricciones. Se nos pide diseñar un sistema de recuperación de acetona con un diagrama de flujo como el de la figura. Todas las concentraciones que se muestran en esta fig., tanto para gases como para líquidos, se especifican en porcentaje en peso. Calcular A, F, W, B y D por hora que aparecen en la figura.. A IR E 0 .9 9 5 A G U A 0 .0 0 5 A G U A (1 0 0 % ) W (k g )

CONDENSADOR A IR E A (k g )

C O LU M N A D E A B S O R C IO Ó N

G (k g ) GAS QUE ENTRA A IR E 0 .9 5 A C E T O N A 0 .0 3 A G U A 0 .0 2

F (k g )

C O LU M N A D E D E S T IL A C IÓ N

D E S T IL A D O A C E T O N A 0 .9 9 A G U A 0 .0 1

B (k g ) C O LA: A C E T O N A 0 .0 4 A G U A 0 .9 6

A C E T O N A 0 .1 9 A G U A 0 .8 1

P10) Reciclaje. Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una mezcla de 50% benceno y 50% tolueno. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de benceno, y la cola W de la columna contiene 96% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D) y del reflujo (R) son idénticas porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído (D). Realizar el diagrama de flujo.

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx P11) Reciclaje. Se desea desalinizar agua por ósmosis inversa determinar: a- La tasa de eliminación de salmuera de desecho (B) b- La velocidad de producción de agua desalizada c- La fracción de salmuera que se recicla d- El diagrama de flujo. Datos: Alimentación, agua de mar, (F): 1000 lb/h, 3,1% de sal Alimentación a la celda de osmosis inversa, (E): 4% Salmuera de desecho (B): 5,25% de sal Agua desalinizada (D): 500 ppm. P12) En el siguiente esquema se 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. Calcular la composición del flujo “E” y el porcentaje de cada uno de los componentes de ese flujo. D1 0,50 A 0,23 B 0,27 C

F=100 lb 0,50 A 0,20 B 0,30 C

Etapa I

D2 0,17 A 0,10 B 0,73 C

P1

Etapa II

D3=10 lb xA yB

P2

Etapa III

P3 0,70 A 0,30 B

E

P13) Un líquido adhesivo, el cual se utiliza para laminar placas, consiste de un polímero disuelto en un solvente. La cantidad e polímero en la solución ha sido cuidadosamente controlada para esta aplicación. Cunando el proveedor del adhesivo recibe una orden para 30000 kg de una solución de adhesivo conteniendo 13 %p polímero, esta es preparada con 1- 500 kg de solución al 10%p, 2- una gran cantidad de solución al 13%p, y 3- solvente puro Calcular el peso de cada uno de estos tres stocks que deben ser utilizados para preparar la solución deseada. Use toda la solución al 10%.

P14) Si un litro de alcohol se mezcla con un litro de agua ¿cuántos kilogramos de solución resultan? y ¿cuántos litros? Las densidades del alcohol y el agua a 20°C son 0.789 y 0.998 g/cm3, respectivamente.

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx P15) Un tanque de 200 galones es usado para mezclar dos gasolinas de diferente tipo (ver figura). La gasolina A entra al tanque por un tubo de acero de 2 pulgadas (nominal) a una velocidad de 5 pies / segundo, y la gasolina B entra al tanque por un tubo de acero de 3 pulgadas (nominal), a una velocidad de 4 pies / segundo. ¿Cuál es la velocidad en la línea de salida de 4 pulgadas (nominal)? La densidad de la gasolina A es 50 lb/ Ft3 y la densidad de B es 45 lb / Ft3. El sistema está a régimen permanente; no hay acumulación ni pérdida de masa en el tanque.

Gasolina A Gasolina B

Tanque de Mezclado

El área de la sección transversal de los tubos de acero se encuentra en el Handbook de Perry, cuarta edición, página 6-45, ó en la quinta edición, página 6 – 66. Tomando los datos del Perry y considerando que los tubos son sch 40: Tubo Nominal Área de la sección transversal 2 pulg 0.02330 Ft2 3 pulg 0.05130 Ft2 4 pulg 0.08840 Ft2 P16) La alimentación a una torre de destilación es de 1000 lb.mol/hr (0,126 kg.mol/seg) de una solución de 35 % mol de dicloro etileno (EDC) en xyleno. No hay ninguna acumulación en la torre. El flujo de vapores destilados contiene 90 % de EDC y el flujo de residuos contiene 15 % mol de EDC. El agua de enfriamiento al condensador de vapores está ajustada para dar una relación de recirculación de 10:1 (10 mol vuelven a entrar a la columna por cada mol de producto de vapores salientes). El calor al equipo de transferencia calorífica, se ajusta de modo que la relación de recirculación sea 5:1 (5 mol vuelva a entrar a la columna por cada mol de producto residual), con un desvío de 2:15 (2 mol se desvían del equipo de transferencia calorífica por cada 15 mol que pasa por dicho equipo). Determinar el gasto del producto de evaporación, producto residual, recirculación de vapores que vuelven a entrar a la columna, recirculación de residuos que vuelven a entrar a la columna, residuos que se desvían del equipo de transferencia calorífica y el total de residuos.

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx P17) Una mezcla líquida contiene en base molar, 30 % benceno (B), 25 % tolueno (T) y 45 % xileno (X). Dicha mezcla se alimenta a una unidad consistente en dos columnas de destilación. El producto de fondo de la primera columna contiene 99 % en moles de xileno (X) y no contiene benceno (B), recuperándose en esta corriente el 98 % del xileno alimentado. El producto de tope de la primera columna es alimentado a la segunda columna. El producto de tope de la segunda columna contiene 99 % molar de benceno (B) y no, contiene xileno (X). El benceno recuperado en esta corriente representa el 96 % del benceno alimentado a la columna. Calcular los caudales molares (kmol/h) para una alimentación de 1:275 kmol/h y la composición de cada corriente. P18) En una instalación para fabricar aceite de girasol, se tratan con hexano 2000 kg/h de pipas con un contenido en grasa del 20% y el resto se considera inerte. Las pipas agotadas tras la extracción contienen tan solo un 1% de aceite y un 3% de hexano, mientras que el extracto contiene un 70% de hexano y un 30% de aceite. Este extracto se destila para separar el aceite de girasol puro y el hexano se recircula a la unidad de extracción. El hexano que se pierde junto con las pipas agotadas se repone mediante una corriente adicional, H. Determinar todas las corrientes y el rendimiento de aceite obtenido realmente respecto del contenido total de las pipas.

P19) Un tren de separación que consta de tres unidades ha sido diseñado para separar una corriente de hidrocarburos gaseosos (F1), que contiene 20% de CH4, 25% de C2H6., 40% de C3H8 y el resto de C4H10, en cuatro productos (F4. F5. F6 Y F7). Dadas las composiciones molares indicadas en la figura (donde C1 representa al metano, C2 al etano, C3 al propano y C4 al butano), calcular, para una producción de 1000 kg/h de F5. A) todas las corrientes involucradas en el proceso (F2,etc….) B) la composición (como fracciones molares) de la corriente FJ. y C) el porcentaje de metano y butano recuperados (con respecto a la cantidad de moles alimentada) en las corrientes F4 y F7, respectivamente. C1 C2 1%

C1 1% C2 C3 10% C1 20% C2 25% C3 40% C4

C3 C2 99%

C4 C2 C3 2%

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx P20) La alimentación a un sistema fraccionador de dos columnas es de 30.000 lb/hr de una mezcla que contiene 50% de benceno, 30% de tolueno y 20% de xileno. La alimentación se introduce en la columna Nº 1 y resulta en un destilado con 95% de benceno, 3% de tolueno y 2% de xileno. Los fondos de la columna Nº 1, se alimentan a la segunda columna, de la cual se obtiene un destilado con 3% de benceno, 95% de tolueno y 2% de xileno. Supóngase que 52% de la alimentación aparece como destilado en la primera columna y que el 75% del benceno alimentado a la segunda columna aparece en el destilado de ésta. a.- Establecer diagrama de flujo cálculo, definiendo sistemas y subsistemas de ser necesario. b.- Establecer base de cálculo. c.- Realice una descripción del desarrollo del problema: Pasos y criterios de resolución. d.- Calcular la composición y flujo de la corriente de fondos de la segunda columna. P21) El tren de separación de cuatro unidades que se muestra en la figura ha sido diseñado para separar 1000 moles/h de una alimentación de hidrocarburos que contiene 20% de CH4 25% de C2H6, 40% de C3H8 y el resto de C4H10(todos los porcentajes en mol) en cinco fracciones. Con la composición en porcentaje en mol indicado, calcular los flujos de todas las corrientes en el proceso, suponiendo que la recirculación a la unidad I es 50% de los fondos de la unidad II 4 C1 C2 0.5 %

C1 C2 3% C3 Alimentación 1 C1 = 20% C2 = 25% C3 = 40% C4 =

U N I D A D 2

2 U N I D A D I

6

5 Div

7

. 8

U N I D A D 3

3 C2 C3 C4 9

C3 C4 30%

C1 1% C2 C3 10%

C2 C3 C4 0.2 %

10

C3 98% C4 U N I D A D 4

11 C4 P22) En la cadena de comidas rápidas Mc Donals de la zona Sur de Capital Federal se venden alrededor de 5000 litros de café diarios. Actualmente para su preparación compran un café molido de una marca a la cual llamaremos X, el cual tiene un 25% de aromatizantes, un 50% de sólidos solubles, un 2% de humedad, siendo el resto material insoluble en agua. Un análisis del residuo que queda en el filtro de café tiene 20% de agua, 5% de aromatizantes y 7% de sólidos solubles. Este café tiene un costo de U$S 500/tn, pagando $10/tn de flete. Un determinado proveedor al cual llamaremos Y, ofrece un café con 30% de material insoluble, 1% de humedad y con la misma relación de aromatizantes / sólidos solubles que el café X a un costo de U$S 480/tn, pagando $7,5/tn de flete.

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GUÍA DE PROBLEMAS N° 3: Balance de Masa S/Rx Si el café vendido no debe modificar su calidad, cuál café conviene comprar? Justifique su respuesta. Datos adicionales: • Densidad del café preparado: 1.095 gr/cm3. • El café producido contiene 90% de agua. • La calidad del café vendido no se debe modificar en ninguno de los casos. • En ambos casos la calidad de café producido y de residuo es la misma. • El costo del agua es de $ 2/m3 (densidad= 1 gr/cm3) P23) Se desea separar una mezcla que contiene 50 % en peso de acetona y 50 % en peso de agua en dos corrientes, una enriquecida con acetona y la otra con agua. El proceso de separación consiste en extraer la acetona del agua usando metil isobutil cetona (MIBK), la cual disuelve la acetona pero es casi inmiscible con el agua.

Descripción del Proceso: Primero se pone en contacto la mezcla de acetona y agua con la MIBK en un mezclador. Una porción de la acetona de la alimentación se transfiere de la fase acuosa a la fase orgánica en este paso. La mezcla pasa a un tanque de decantación, donde las fases se disocian y retiran por separado. La fase rica en diluyente se denomina refinado y la fase rica en solvente es el extracto. La combinación mezclador-decantador constituye la primera etapa de este proceso de separación. El refinado pasa a la segunda etapa de extracción, donde se pone en contacto con una segunda corriente de MIBK pura, lo que permite la transferencia de más acetona. Se permite que ambas fases se separen en un segundo decantador y el refinado de esta etapa se desecha. Se combinan los extractos de las dos etapas y se alimentan a una columna de destilación. El producto ligero de la columna (producto de cabeza) es rico en acetona y es el producto del proceso. El efluente pesado (producto de cola) es rico en MIBK y en un proceso real se trataría y se recircularía para devolverlo a la primera etapa de la extracción. Por cada 100 kg de alimentación al proceso se alimentan 100 kg de MIBK a la primera etapa y 75 kg a la segunda etapa. El extracto de la primera etapa contiene 27,5 % de acetona. El refinado de la segunda etapa tiene una masa de 43,1 kg y contiene 5,3 % de acetona, 1,6 % de MIBK y 93,1% de agua. El extracto de la segunda etapa contiene 9% de acetona, 88 % de MIBK y 3 % de agua. El producto ligero de la columna de destilación contiene 2% de MIBK y, 1 % de agua y el balance de acetona y tiene una masa de 46,4 kg. Calcular las masas y composiciones del refinado y el extracto de la etapa 1, el extracto de la etapa 2, el extracto combinado y el producto pesado de la destilación. NOTA: todos los % son en peso

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