UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“FRANCISCO DE MIRANDA”

COMPLEJO DOCENTE EL SABINOPROGRAMAS DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAL

U.C.: Principios de Ing. Química PROFESORA: Ing. Petra Hurtado de Fonseca

EJERCICIOS DE BALANCE DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA

1. Un evaporador se carga con una solución de NaCl al 25%. Se van a producir 14 670 lb de sal seca por hora. La sal formada retiene 20%, con respecto a su peso, de la salmuera (26.9% de la sal). ¿Cuántas libras de solución se cargan al evaporador por cada hora?

2. Una serie de evaporadores de azúcar opera con 120 ton cortas por cada 24 hr, de caña de azúcar pura, las cuales se cargan a los evaporadores en la forma de una solución al 38% y se descargan a modo de una solución al 74%. ¿Qué cantidad de agua evaporan estas unidades por día?

3. Después del secado, se determinó que un lote de piel pesa 900 lb y que contiene 7% de humedad. Durante el secado la piel perdió 59.1% de su peso inicial cuando se encontraba húmeda. a) Calcular el peso de la piel “totalmente seca” o “exenta de humedad” en la carga de alimentación inicial. b) Calcular el número de libras de agua eliminadas en el proceso de secado por libra de piel totalmente seca. c) Calcular el porcentaje de agua eliminada en la base del agua presente inicialmente.

4. Un operador de una planta debe preparar 1000 lb de una solución de nitrocelulosa al 8 % en peso. Para este fin dispone de un tanque de solución de nitrocelulosa al 5, 5 %. ¿Cuánta nitrocelulosa seca hay que añadir a la solución más diluida para obtener la solución concentrada requerida?

5. Con el objeto de satisfacer ciertas especificaciones, un comerciante mezcla cola secada con aire, cuyo precio de venta es de $3.12/lb, con cola que tiene 22% de humedad, cuyo precio de venta es de $1.75/lb de tal forma que la mezcla contiene 16% de humedad. ¿Cuál deberá ser el precio por lb de la cola mezclada?

6. En un proceso de producción de papel se obtiene una pulpa húmeda con un contenido de agua del 71 % p/p. La pulpa se procesa en un secador rotatorio en donde se extrae el 60 % del agua contenida en la pulpa húmeda. Calcule:

a) Composición en peso de la pulpa seca.b) Ton de agua que se eliminan por cada ton de pulpa húmeda

7. Se tiene una corriente de gas con una composición de 80 % molar de metano y el resto de He. Esta corriente se introduce en un separador en donde se produce una corriente con un contenido de 50 % molar de He; esta corriente representa un 20 % de la corriente de entrada. Se produce también una segunda corriente, o gas de desecho, más pobre en He. Obtener los flujos de corriente rica en He y gas de desecho, además de la composición molar del gas de desecho cuando entran al proceso 50 kgmol/min de gas.

8. En la figura se muestra un proceso para recuperar acetona a partir de una corriente gaseosa de aire y acetona. Calcule todas las corrientes del sistema y determine los kg de acetona que se recuperan en el condensador por kgmol de la corriente gaseosa. Las composiciones son expresadas en porcentajes molares.

9. Fresh feed

containing 20% by weight KNO3 in H2O is combined with a recycle stream and fed to an evaporator. The concentrated solution leaving the evaporator, containing 50% KNO3, is fed to a crystallizer. The crystals obtained from the crystallizer are 96% KNO3 and 4% water. The supernatant liquid from the crystallizer constitutes the recycle stream and contains 0.6 kg KNO3 per 1.0 kg of H2O. Complete the mass balance showing all stream values and compositions.

10. Hexane and pentane are being continuously split in a distillation column with a reflux ratio of 0.6 (R/D). If the feed is 50% hexane by weight, the distillate is 5% hexane and the bottoms is 96% hexane (all by weight), determine the distillate, bottoms, and overhead flow rates for a feed of 100 kgmol/h.

11. 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 analisis: humedad 12.4%, material volátil 16.6%, carbono 57,.5% y ceniza 13.5%. A fin de satisfacer las especifícaciones (en sus límites), el fabricante planea mezclar con el material base una cierta cantidad de coque de petróleo 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?

12. 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 evaporara por cada tonelada de lodos que se envía al secador?

13. 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?

14. La figura que se muestra a continuación describe 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 de1 flujo E y el porcentaje de cada uno de los componentes de ese flujo.

15. En la figura siguiente 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/hb. Determine las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho Gc. Determine la tasa de alimentación de caña de azúcar a la unidad en Ib/hd. Del azúcar que entra con la caña, ¿que porcentaje se pierde con el bagazo?e. ¿Es ésta una operación eficiente? Explique por qué sí o por qué no.

16. Con objeto de ahorrar energía, el gas de chimenea de un horno se usa para secar arroz. El diagrama de flujo y los datos conocidos se muestran a continuación. ¿A cuanto asciende el gas de reciclaje (en Ib mol) por 100 Ib de P si la concentración de agua en el flujo de gas que ingresa en el secador es del 5.20%?

17. El jugo de naranja fresco contiene 12% en peso de sólidos y el resto de agua mientras que el jugo de naranja concentrado contiene 42% de sólidos. Se utilizó inicialmente un solo proceso de evaporación para concentrar el jugo pero los componentes volátiles escaparon con el agua dejando al concentrado si sabor. El siguiente proceso resuelve este sistema: Se realiza una desviación (bypass) del evaporador con una fracción del jugo fresco, luego, el jugo que entra al evaporador sale con 58% de sólidos y el producto se mezcla con la fracción del jugo fresco desviado para alcanzar la concentración final de sólidos deseada. Calcula la cantidad de jugo concentrado producido por cada 100 Kg de jugo fresco alimentado al proceso y la fracción de esa alimentación que se desvia al evaporador.

18. Una mezcla líquida que contiene 30 % mol de benceno, 25% mol de tolueno (T), y el resto de xileno (X) se alimenta a una columna de destilación. El producto pesado contiene 98% mol de X y nada de B y 96 % de X en la alimentación se recupera en esta corriente. El producto ligero se alimenta a una segunda columna. El destilado ligero de la segunda columna contiene 97% mol de B en la alimentación a esta columna. La composición de esta corriente es 94 % mol de B y el balance de T.

a) Dibuje y marque el diagrama de flujo para este proceso y haga el análisis de los grados de libertad para probar que, para una base de cálculo supuesta, es posible determinar las velocidades de flujo molar y las composiciones de todas las corrientes del proceso a partir de la información dada. Escriba en orden las ecuaciones que resolvería para calcular las variables desconocidas del proceso. En cada ecuación (o par de ecuaciones simultáneas), encierre en un círculo la(s) variable(s) que despejaría. No realice los cálculos.

b) Calcule: (i) el porcentaje de benceno en la alimentación del proceso (es decir, la alimentación a la primera columna) que emerge en el producto ligero de la segunda columna y (ii) el porcentaje de tolueno en la alimentación del proceso que emerge en el producto pesado de la segunda columna.

19. En la producción de un aceite de frijol, que contiene 13 % en peso de aceite y 87% de sólidos, 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 3kg de hexano/kg de frijol. Las semillas molidas se suspenden en el líquido y casi todo el aceite de éstas se extrae con hexano. EL efluente del extractor pasa a un filtro. La torta de filtración contiene 75% en peso de sólidos de frijol y el resto de semilla y hexano, estos dos últimos en la misma proporción a la cual emergen del extractor. La torta de filtración se desecha y el filtrado líquido se alimenta a un evaporador con calentamiento, en el cual se vaporiza el hexano y el aceite permanece como líquido. El aceite se almacena en tambores y se

embarca. A continuación, se enfría y condensa el vapor de hexano y el condensado de hexano líquido se recircula al extractor.

a) Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso, haga el análisis de los 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 hexano recirculado/kg de alimentación fresca).

Problema 20:

A 0.4C 0.6

1

3

4

2

A, W

A, C

A 4%W

Ex 1 Ex 2

2

3

4

1

A 0.4C 0.6

150 lb/h A 4% W

150 lb/h A 4% W

A; W

A; C

A; W

A; C

Problema 21:

Problema 22:Se desea separar una mezcla formada por un Alcohol A y una Cetona C; cuya composición másica es 40% de A y 60% de C. Para ello, se utiliza agua W, debido a que ésta es soluble en A pero no en C; sin embargo, el agua utilizada para el lavado no es pura ya que contiene 4% en peso de A. Por otra parte se sabe que la distribución de A entre las corrientes 3 y 4, está dada por la siguiente relación: (masaA / masaW)3 = (masaA / masaC)4. Si se alimentan 200 lb /h. al proceso y se añaden 150 lb/h. de agua de lavado, calcule: a) Composición de la corriente del Refinado. b) % de Recuperación del Alcohol. c) si la etapa de extracto restante es repetidamente alimentando cada vez, 150 lb/h de agua de lavado. ¿Cuántas etapas serán requeridas para llegar a Recuperar un 98% de Alcohol?

23. El ácido benzóico puede ser extraído a partir de una solución diluida en agua, poniendo en contacto la solución con benceno. El proceso se lleva a cabo en una unidad de extracción de una sola etapa. La mezcla se separa en dos corrientes: una tendrá ácido benzóico y benceno, y la otra corriente tendrá los tres compuestos como se muestra en la figura.

El benceno es ligeramente soluble en agua, por lo tanto la corriente 4 tendrá 0,07 kg de benceno/kg de agua. El ácido benzóico se distribuirá entre las corrientes 3 y 4 como sigue:

La corriente de alimentación (1) contiene 0,02 kg de ácido/kg de agua y es alimentada a una tasa de 10.000 kg/h.

a) Muestre que el problema está subespecificado.b) Suponga que el ácido benzóico extraído de la corriente (3) vale $1/kg y que el benceno fresco (corriente 2) cuesta $0,03/kg. Construya un gráfico de beneficio neto vs. flujo de benceno, y seleccione el flujo óptimo de benceno.

24. Para recobrar un soluto de una solución se emplea muchas veces un segundo solvente, el cual es inmiscible con la solución, pero disuelve el soluto deseado. Este tipo de proceso de separación es conocido como extracción con solvente. En el sistema mostrado en la figura, se separa benceno de una corriente de refinería que contiene 70% (másico) de benceno en una mezcla de hidrocarburos parafínicos y nafténicos, por medio de una corriente de SO2 líquido. Cuando se usan 3 libras de SO2 por libra de alimentación al proceso se obtiene una corriente de Refinado que contiene 1/6 (fracción másica) de SO2 y el resto de benceno. La corriente de extracto contiene todos los hidrocarburos restantes, SO2, y ¼ de libra de benceno por libra de hidrocarburos. En estas condiciones, cual es el porcentaje de benceno recobrado (lb de benceno en el refinado por lb de benceno en la alimentación)?.

25. Considere la columna de destilación mostrada en la figura anexa, la cual es usada para separar una mezcla de tres componentes consistentes de 7% de acetona, 61,9% de ácido acético y 31,1% de anhídrido acético. La columna está diseñada de tal manera que la corriente de fondo no contenga acetona y el destilado contenga 10% de acetona y 88% de ácido acético. Si la columna es operada de tal manera que el 60% de la corriente de tope retorne como reflujo, calcule todos los flujos suponiendo que todas las composiciones son molares y que se producen 700 mol/h de destilado.

26. Se tiene el proceso mostrado en la figura, en el cual una mezcla consistente de CaCO3 precipitado en una solución de NaOH y H2O, es lavada con una cantidad igual (en masa) de una solución diluida de 5% de NaOH (másico) en H2O. El CaCO3 lavado contiene 2 lb de solución por libra de sólido. La composición de la mezcla de alimentación es la siguiente (molar): 11,04% CaCO3, 27,61% NaOH y el resto de H2O. Si la concentración (másica) de las soluciones de NaOH y H2O que salen de la unidad son las mismas, calcule la concentración de la solución clara.

UNIDADDE

LAVADO

Solución de lavado

Solución clara

NaOHH2OCaCO3

Mezcla

1

2

3

4

27. Se tiene el proceso mostrado en la figura, al cual se alimentan 1000 mol/h de una mezcla formada por 20% de metano, 20% de etano, 35% de propano y el resto de butano (%molares). Por la corriente de fondo del primer separador sale etano, propano y butano. La corriente que se obtiene como producto del mezclador contiene sólo metano y etano. La corriente de fondo del segundo separador contiene propano y butano y la corriente intermedia contiene de dicho separador contiene sólo etano y propano; por la corriente 2 fluye únicamente metano. Si el 80% del etano en la alimentación es recuperado en la corriente (7) y la concentración de propano en la corriente (5) es el 88% (porcentaje en masa), determine todos los flujos y composiciones del proceso.

28. Se tiene una tonelada métrica por hora de una mezcla de A y B (corriente 1) que contiene 60% de A. Se desea separar Ay B, mediante un sistema de extracción E1, en el cual una corriente rica en solvente S (corriente 4) arrastra casi todo el B y muy poca cantidad de A de la corriente de alimentación. La mezcla de B y S se somete a destilación, con el objeto de recuperar el solvente, que es reciclado, y obtener como producto de fondo una corriente donde se recupere S. Como la corriente (2) del sistema de extracción y la corriente de tope D (corriente 5) se llevan algo de S, se hace necesario reponer el solvente S perdido. Adicionalmente se conoce que el sistema de extracción requiere de 4 kg de S por cada kg de B alimentado (corriente 1). Nota: todos los porcentajes son másicos. Calcular:

a) Flujo másico de la corriente de reposición (kg/h).b) Composición (%) de A, B, S y flujo másico de la corriente (6).

29. El benceno, tolueno y otros componentes aromáticos pueden recuperarse mediante extracción con bióxido de azufre como disolvente. Como ejemplo se tiene el siguiente: una corriente de reformación catalítica, la cual contiene 65% en peso de benceno y 35% de materiales diferentes al mismo, se pasa en contra corriente a través del sistema de recuperación por extracción cuyo esquema se muestra en el diagrama. Mil libras de la corriente de reformación y 3000 libras de bióxido de azufre se alimentan cada hora. La corriente de extracto contiene 0,19lb de bióxido de azufre por libra de benceno, que inicialmente se cargó, así como 0,27 lb de benceno por lb de material no bencénico. El componente residual en la corriente refinada es el bióxido de azufre.

a. Haga el análisis de los grados de libertad y plantee una estrategia para resolver el problema.

b. ¿Cuántas libras de benceno se extraen por hora?. ¿Cuántas libras de refinado y cuántas de extracto se obtienen por hora?.

c. Si por (4) fluyen 800 lb/h de benceno conteniendo 0,27 lb de materiales no bencénicos por lb de benceno, y si por (6) pasan 700 lb de benceno formadas por 0,07 lb de material no bencénico por lb de benceno. ¿Cuántas lb (exentas de azufre) pasan por (11) y (2).