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• Andreitha Morán Zapata

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PROBLEMAS 1.- En una planta de amoníaco se producen 800 Tm/día a partir de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno en relación molar 1:3 , que contiene 0,2 moles de argón por cada 100 moles de mezcla. En el reactor se alcanza una conversión del 25% para el nitrógeno. El amoniaco producido se condensa y los gases que no han reaccionado se recirculan al reactor. La concentración de argón a la entrada de éste, una vez mezcladas las corrientes de reciclo y alimento fresco, no debe ser superior al 4%. Calcular: a) El caudal de alimento fresco b) El caudal de la corriente de recirculación. c) El caudal de la corriente de purga. 2.- La composición de un propano industrial es: 1% de CH4 ; 75% de C3H8 ; 22% de C4H10 y 2% de CO2 Si se quema completamente con un exceso del 25% de aire, calcular: a) Cantidad de aire utilizada b) Composición de los gases de combustión en base húmeda y seca. c) La composición de los gases de salida si la combustión se realiza con oxígeno de tonelaje (15% N2, 85 % 02) 3.- Un tanque cilíndrico de 0,5 m de radio y 1,5 m de altura se encuentra inicialmente lleno de agua. En un instante dado se comienza a introducir agua en el tanque con un caudal constante de 10-3 m3 /s y se abre una válvula en su base que deja salir un caudal proporcional a la altura de agua en el tanque: Q = 2x 10-3 h Estando Q expresado en metros cúbicos por segundo y h en metros a) Determinar: i)

la altura del tanque al cabo de 1 O minutos

ii)

la altura que alcanzará el líquido en el tanque si se alcanza el régimen estacionario. Q = 3 x 10 -3 h0,5

b) Repetir el apartado suponiendo que no se introduce agua en el tanque.

4.- El análisis del gas que entra en el convertidor secundario de una planta de ácido sulfúrico de contacto es 4 % S02, 13 % 02 y 83 % N2 (en volumen). El gas que sale del convertidor contiene 0.45 % S02 en base libre de S03 (en volumen). Calcular el porcentaje del SO2 que se convierte en SO3. 5.- Una mezcla de dióxido de carbono puro e hidrógeno se pasa por un catalizador de níquel. La temperatura del catalizador es 315 ºC y la presión del reactor 20.1 Atm. El análisis de los gases que salen del reactor es CO2 57.1%, H2 41.1%, CH4 1.68% y CO 0.12% (en volumen) en base seca. Las reacciones que tienen lugar en el reactor son: CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O CO2 + H2 CO + H 2O Determinar:

a) la conversión de CO 2 b) la selectividad hacia CH4 c) la composición de la alimentación. 6.- Qué caudal másico de zumo de fruta de 10ºBrix debe alimentarse a un evaporador para producir 10000 kg/h de zumo de 65ºBrix? 7.- Para fabricar mermelada se mezclan 50 partes de fruta triturada con 50 partes de azúcar. A esta mezcla se le añaden 200 g de pectina por cada 100 kg de azúcar. De la mezcla anterior se elimina agua por evaporación hasta que se alcanzan 65ºBrix. ¿Cuántos kilos de mermelada se pueden obtener de cada kilo fruta que contenga un 15% de sólidos solubles?

8.- Se quiere producir leche concentrada a partir de una leche que contiene un 3,8% de materia grasa y un 8,1% de extracto magro. El proceso incluye la separación de la grasa en una centrífuga y la concentración de la leche parcialmente descremada en un evaporador. Si la nata producida en la centrífuga contiene un 55% de agua, 40% de grasa y 5% de extracto magro, calcular cuánta leche Será necesaria para producir 1000 kg de leche concentrada, con un 7% de grasa y un 18,1% de extracto magro. Determinar también la nata y el agua que se obtendrán como residuo. 9.- Un zumo de naranja de 12ºBrix se concentra hasta 60º Brix ,en un evaporador de múltiple efecto. Para incrementar la calidad del producto final al zumo concentrado se le añade zumo fresco hasta que la concentración de sólidos solubles se reduce al 42%. Calcular el caudal de agua que debe ser evaporada, el caudal de zumo fresco que se debe añadir al concentrado y el caudal de producto final que se producirá cuando el evaporador se alimente con 10000 kg/h de zumo. 10.- En una planta de obtención de aceite de semillas mediante extracción por disolvente, cuyo proceso se esquematiza en el diagrama de flujo , se tratan 10000 kg/h de semilla de girasol con un contenido del 10% en grasa.

De la extracción se obtiene una harina húmeda con un 15% de disolvente y una miscela con un 30% de aceite. La harina húmeda llega al desolventizador del que sale con un 0,5% de aceite. La miscela se destila para separar el aceite del disolvente. Calcular el aceite que se obtendrá y el caudal másico de disolvente a añadir si existen unas pérdidas en la destilación y en la desolventización del 2 y del 3,5% del solvente manejado respectivamente en cada operación

11.- Se bombea agua a alta presión a un proceso. Se desea añadir sal al agua con el fín de que ésta tenga un 4% de sal. Por la dificultad de introducir un sólido a una corriente de alta presión, se utiliza el siguiente procedimiento: Parte del agua que entra es derivada a través de un recipiente donde llega a saturarse de sal. Esta corriente saturada se mezcla con la de agua pura para obtener la solución al 4%. Si la concentración de la solución saturada es del 17%, ¿ qué porcentaje de agua debe ser derivada a través del saturador ? 12.- Para el diagrama de flujo mostrado en la figura determine la relación de recirculación.

13.- Un secador con una capacidad de 800 lb/día opera sobre un material el cual tiene 90% en peso de agua y 10% de sólidos. En un primer ciclo el producto sale con 20% de agua y en un segundo ciclo el contenido de agua se disminuye hasta 2%. Calcular el porcentaje del agua original retirada en cada ciclo y el peso de producto por día en cada ciclo. 14.- Dos muestras idénticas de un carbón húmedo se entregan a dos analistas. El uno reporta un análisis en % en peso de: C: 75%, H: 4%, O: 8%, N: 2%, S: 1% y ceniza 10%. El otro seca la muestra primero y encuentra que las pérdidas por humedad son del 7%, en

consecuencia reporta un análisis del carbón seco, también en % en peso. ¿Cuál fue su análisis? (El hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua en una relación en peso de 1:8). 15.- Cierta piel que contiene 100% de su propio peso de agua (es decir, si el peso de la piel seca es 1 lb, el contenido de agua es 1 lb) se seca por medio de aire. El punto de rocío del aire de entrada es de 40 oF y el punto de rocío del aire de salida es de 55 oF. Si se introducen 200 lb de aire húmedo por cada hora a través del secador, ¿ cuántas libras de agua se eliminan por hora?. La lectura del barómetro es de 750 mm Hg. 16.- La corrosión por oxígeno de las tuberías de las calderas puede reducirse si se emplea sulfito sódico, el cual elimina oxígeno del agua de alimentación de la caldera por medio de la siguiente reacción: 2 Na 2SO3 + O2 --------- 2Na2 SO4 ¿Qué cantidad (kg) de sulfito sódico (M = 126 kg/kmol) se requieren en teoría (reacción completa) para eliminar el oxígeno de 8.330.000 kg de agua que contienen 10 ppm de oxígeno disuelto y al mismo tiempo mantener un 35% de exceso de sulfito sódico?

17.- Se alimentan 10 m3/h de HCl gaseoso a 200ºC y 1 atm a un horno de oxidación donde se hacen reaccionar con aire con un 20% de exceso del requerido por la reacción: 2 HCl + ½ O2 -----Cl2 + H2O Si la reacción es completa y los productos abandonan el horno a 300ºC y 1 atm, calcular el caudal volumétrico y la composición de los gases producto. 18.- Los disolventes residuales de las operaciones industriales pueden ser contaminantes si no se eliminan de forma adecuada. Un estudio cromatográfico del gas residual de una planta de fibras sintéticas reporta el siguiente análisis: CS2 40% SO2 10% H2O 50% Se ha sugerido quemar este gas en exceso de aire. Los productos gaseosos de la combustión se emiten a la atmósfera a través de una chimenea. Las reglamentaciones de contaminación a la atmósfera de la comunidad indican, que en ningún caso, los gases de chimenea pueden tener más del 2% de SO2 en base a un análisis de Orsat (base seca). Calcúlese el mínimo porcentaje de exceso de aire que debe usarse para cumplir la normativa 19.- Hidrógeno húmedo, con el 4% en volumen de agua, se quema completamente en un horno con un 32% de exceso de aire. Calcular la composición de los gases de combustión sobre base seca (análisis de Orsat). 20.- Gas natural de composición 92% CH4; 6,5% C2H6; 1,5% C3H8; se quema en un horno con 40% de exceso de aire. Determinar la composición de los gases de combustión (en base seca). 21.- Un horno se calienta por combustión de un carbón, cuya composición en peso es 90% carbono, 6% hidrógeno y 4% cenizas incombustibles. Para la combustión se emplea un 50% de exceso de aire y un análisis de los gases de combustión indica que contienen el 1% en volumen de monóxido de carbono. Determinar la cantidad (kmol) de gases de combustión (sobre base húmeda) formados por cada 100 kg de carbón quemados, así como la composición de dichos gases.

22.- La ventaja principal de la incineración catalítica de gases olorosos y otras sustancias molestas respecto a la combustión es su menor costo. Los incineradores catalíticos operan a temperaturas más bajas (500 a 900 ºC en comparación con 1.100 a 1.500 ºC para los incineradores térmicos) y gastan mucho menos combustible. Como las temperaturas de operación son más bajas, los materiales de construcción no tienen que ser tan resistentes al calor, lo que reduce los costos de instalación y construcción. En una prueba, un líquido que se propone como combustible para una llama y que tiene una composición de 88% de carbono y 12% de hidrógeno se vaporiza y quema con aire seco para producir un gas de chimenea con la siguiente composición en base seca: CO2 13.4% O2 3,6% N2 83,0% Como parte del diseño del equipo para el dispositivo de combustión continua en estado estacionario, determinar cuántos kmol de gas de chimenea seco se producen por cada 100 kg de alimentación liquida. ¿Qué porcentaje de aire en exceso se usó? 23.- En un horno se queman totalmente 3.000 kg/h de fuelóleo (86% de carbono; 14% de hidrógeno) con un 50% de exceso de aire que contiene 0,02 kg de vapor de agua por cada kg de aire seco. Calcular: a) Composición del gas resultante sobre base húmeda. b) Composición del gas resultante sobre base seca. c) Caudal volumétrico de aire empleado (m3/h), medido a 45 ºC y 1atm. d) Volumen de gases producidos por kg de fuelóleo quemado, medido a 300 ºC y 1 atm. 24.- Un horno quema gas natural (95% CH4; 5%N2) y el gas de combustión presenta la siguiente composición sobre base seca: CO2 9,1% CO 0,2% O2 4,6% N2 86,1% Calcular: a) El porcentaje de exceso de aire (respecto a la cantidad estequiométrica). b) La cantidad de agua que se forma (moles). c) La fracción (% en volumen) que representa el agua en los gases de combustión. 25.- Un carbón con 87% en peso de carbono y 7% de hidrógeno se quema con aire seco. a) Si se utiliza un 40% de aire seco en exceso sobre el que se requeriría teóricamente, calcular los kg de aire necesarios por kg de carbón quemado. b) Calcular la composición (% en moles) de los gases que dejan el horno, suponiendo combustión completa. 26.- En una industria se produce óxido de etileno mediante oxidación del etileno con aire en presencia de un catalizador. Si las condiciones se controlan cuidadosamente, una fracción del etileno se convierte en óxido de etileno, mientras que parte de etileno queda sin reaccionar y otra parte sufre una oxidación total a CO2 y H2.O La formación de CO es despreciable. Los gases después de abandonar el reactor pasan a través de un absorbente en el que el óxido de etileno queda retenido. Un análisis de Orsat ordinario y de los gases que abandonan el absorbente da: 9.6% de C02; 3% O2 y 6.4% CH2=CH2 Del etileno que entra en el reactor, ¿qué porcentaje se convierte en óxido de etileno? Calcula también la selectividad de esta planta. El sistema reacciona en régimen continuo y estacionario