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BALANCES DE MATERIA Curso 2017/2018

1. En un destilador se introduce una corriente de 100kg/h compuesta por etanol 50%, agua 40% y 10% de metanol. A la salida se separa en dos corrientes, una de ellas tiene una composición de 80% etanol, 5% agua, 15% metanol y un caudal de 60 kg/h. Obtener el flujo total y la composición de la corriente residual. SOL: R=40kg/h, 5%etanol, 92,5%agua, 2,5%metanol. 2. Un fabricante novato de licores tiene un poco de dificultad con su alambique. En la figura se muestra la operación. Encuentra que está perdiendo demasiado alcohol en el residuo. Calcule la composición del residuo y el peso de alcohol perdido en dicho residuo. SOL: 4,4% EtOH; 95,6% H2O ; R=900Kg.

D F 1000 kg alimentación 10% Etanol

R

Destilado 60% Etanol Peso 1/10 de la alimentación Residuo

3. En el procesamiento del pescado, después de que se extrae el aceite, la pasta de pescado se seca en secadores de tambor rotatorios, al final se muele y se empaca. El producto resultante contiene 65% de proteína. En un lote determinado se usa una pulpa de pescado que contiene 80% de agua (el resto de pulpa seca), se eliminan 100 kg de agua y se encuentra que la pulpa de pescado tiene 40% de agua. Calcule el peso de pulpa de pescado que se puso en un principio en el secador. SOL: 150kg de harina de pescado húmedo. 4. Una corriente de 1000 mol/h disponible con la siguiente composición(todos los porcentajes son molares): 20% propano, 30% isobutano, 20% isopentano y 30% n-pentano, se va a separar en dos fracciones. Se desea que el destilado contenga todo el propano que entre en la unidad, así como el 80% del isopentano; su composición de isobutano deberá ser de 40%. La corriente de residuo deberá contener todo el pentano normal que se alimente a la unidad. Calcular los porcentajes y caudales totales de destilado y residuo. SOL: D=600, R=400, Xd=0,33; Zd=0,267; Xr=0,1; Yr=0,15; Tr=0,75

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5. Considérese un tren de separación formado por dos columnas de destilación en serie para separa una mezcla de benceno(B), tolueno(T) y xileno(X). Los datos que nos proporcionan son:

La alimentación es de 1000 mol/h de una mezcla que consiste en 20% B, 30% T, y resto de xileno. En la Unidad I la corriente de fondo sale con 2,5% B y 35% T. Y un producto destilado en la unidad II de 8% B y 72% T. Calcular los caudales y composiciones de todas las corrientes. SOL: R1=800, D1=200, R2=550, D2=250, Benceno(D1)=0,9; Tolueno(D1)=0,1; Tolueno(R2)=0,182; Xileno(R2)=0,818. 6. Un agua de mar que contiene 3,5% en peso de sal, pasa a través de una serie de 10 evaporadores. En cada una de las 10 unidades se evapora aproximadamente la misma cantidad de agua, que después se condensa y se combina para obtener un flujo de productos que es agua pura. La salmuera a la salida del último evaporador contiene 5,0% en peso de sal. Si el proceso se alimenta con 30.000 kg/h de agua de mar, calcula el rendimiento fraccionario de agua pura y el porcentaje en peso de sal en la disolución que sale del cuarto evaporador. SOL: Rend=3,4%, Xsal= 3,98% 7. Se debe desalinizar agua de mar por osmosis inversa utilizando el esquema indicado en la figura. Se introduce una alimentación fresca de 1000 kg/h de agua de mar con 3% de sal, obteniendo como producto un agua desalinizada con 0,05% de sal y un residuo de salmuera con 5,25% de sal. Si la alimentación del proceso (F2) contiene un 4% de sal, calcular los caudales de las corrientes de recirculación, agua desalinizada y salmuera residual.

SOL: Recirculación: 800 kg/h, salmuera: 567,3 kg/h, agua potable: 432,7 kg/h 2

8. Se encontró que una pulpa húmeda de papel contenía 71% de agua. Después de secarla se encontró que se había eliminado el 60% del agua original. Calcule lo siguiente: a) La composición de la pulpa seca. b) La masa de agua retirada por kilogramo de pulpa húmeda. SOL: a) 50,5% pulpa; 49,5% agua, b) 0,426 kg agua/kg pulpa húmeda. 9. En un proceso de osmosis inversa se obtiene una disolución salina con una concentración de 100 mg/l y la alimentación fresca al proceso es de 10 l/s con una concentración de 10.000 mg/l. La salmuera (R) resulta tener un caudal igual al 80% de la corriente F2. Si se desea que el producto final contenga 500 mg sal/l determinar F2 y la concentración de salmuera en el residuo.

SOL: F2=9,91 litros, Sal(R)=12475 mg/l 10. A una depuradora de aguas residuales de una industria llegan 120 m3/h de agua que contiene 650 mg/l de sólidos en suspensión. Durante la depuración pasa a través de un proceso donde se separan los sólidos, obteniéndose un agua limpia con sólo 20 mg/l y un caudal de 105 m3/h. Si de la primera etapa (reactor) sale la corriente con 3000 mg/l de sólidos hacia el sedimentador, calcular: a) Concentración de los fangos del sedimentador. b) La cantidad de agua recirculada y la de purga.

SOL: Fangos sedimentador=5060 mg/l, R=137 m3/h, P=15 m3/h

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11. La deshidrogenación de etano en un reactor continuo en estado estacionario sigue la siguiente reacción: C2H6  H2 + C2H4. A un reactor se alimenta 100 kmol/min de etano, y la velocidad de flujo molar de hidrógeno en la corriente de producto es de 40 kmol/min. Calcular las velocidades de flujo molar de etano y de eteno a la salida del reactor, utilizando: a) balances de especies moleculares; y b) balances de especies atómicas.

F

P 40 kmol H2/min n1 (kmol C2H6/min) n2 (kmol C2H4/min)

100 kmol/min C2H6

12. Se quema CH4 con aire en un reactor de combustión continua en estado estacionario y se obtiene una mezcla de CO, CO2 y agua. Las reacciones que se efectúan son las siguientes: CH4 + 3/2 O2  CO + 2 H2O y CH4 + 2 O2  CO2 + 2H2O. La alimentación del reactor contiene (%molar) 7,8% de CH4, 19,4% de O2 y 72,8% de N2. El porcentaje de conversión del metano es 90% y el gas que sale del reactor contiene 8 mol de CO2/mol CO. Calcular la composición molar de la corriente de producto usando balances de especies moleculares y balances de especies atómicas. 100 mol/min

F

P

0,078 mol CH4/mol 0,194 mol O2/mol 0,728 mol N2/mol

nCH4 nCO nCO2 nH2O nO2 nN2

13. En un reactor se deshidrogena propano para dar propileno: C3H8  C3H6 + H2. El proceso se va a diseñar para una conversión total de 95% del propano. Los productos de reacción se separan en dos corrientes: la primera, que contiene H2, C3H6 y 0,555% del propano que sale del reactor que se considera como producto; la segunda corriente, que contiene el balance del propano sin reaccionar y el 5% del propileno de la primera corriente se recircula al reactor. Calcule la composición del producto, la relación (moles recirculados/moles de alimentación fresca), y la conversión en el reactor. Alimentación fresca 100mol/min C3H8 n (mol/minC H ) REACTOR 1 3 8

Producto n3(mol/minC3H8) n4(mol/minC3H6) n5(mol/min H2)

n2(mol/minC3H6)

Recirculación n9(mol/minC3H8) n10(mol/minC3H6)

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SEPARADOR

n6(mol/minC3H8) n7(mol/minC3H6) n8(mol/min H2 )

14. El metanol se produce haciendo reaccionar dióxido de carbono con hidrógeno como se recoge en la reacción: CO2 + 3 H2  CH3OH + H2O. La alimentación fresca al proceso contiene hidrógeno, dióxido de carbono y 0,4% (molar) de sustancias inertes (I). El efluente del reactor pasa a un condensador, donde se retiran todo el metanol y el agua que se formaron y ningún reactivo ni sustancia inerte. Estos últimos se recirculan al reactor. Para evitar la acumulación de sustancias inertes en el sistema, se retira una corriente de purga de la recirculación. La alimentación al reactor (no la alimentación fresca al proceso) contiene (% molar): 28% CO2, 70% H2 y 2% sustancias inertes (I). La conversión del hidrógeno en el reactor es de 60%. Calcule las velocidades de flujo molar y las composiciones molares de la alimentación fresca, la alimentación total al reactor, las corrientes de recirculación y de purga para una velocidad de producción de metanol de 155 kmol CH3OH/h.

F

A 100mol/h

B

REACTOR

CONDENSADOR

D

L R

P

15. Un gas de combustión contiene (%molar): 60% N2, 15% CO2, 10% O2, y el balance de agua. Calcule la composición molar del gas en base seca.

16. Se alimentan 100 mol/h de butano (C4H10) y 5000 mol/h de aire a un reactor de combustión. Calcule el porcentaje de aire en exceso.

17. Se quema etano con 50% de aire en exceso. El porcentaje de conversión del etano es 90%; del etano que se quema, 25% reacciona para formar CO y el balance reacciona para formar CO2. Calcule la composición molar de los gases de combustión en base seca y la relación molar de agua con respecto al gas de combustión seco.

18. Un gas de hidrocarburos se quema con aire. La composición en base seca del producto gaseoso es (%molar): 1,5% CO, 6% CO2, 8,2% O2 y 84,3% N2, y no hay oxígeno atómico en el combustible. Calcule la proporción de hidrógeno respecto al carbono en el gas combustible y calcule el porcentaje en exceso de aire alimentado al reactor.

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19. Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en peso: 40.0% de Fe; 43.6% de S; 16.4% de un material mineral inerte. Esta pirita se quema con un 100% de exceso de aire sobre la cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe2 O 3 y todo el azufre a SO2. Supóngase que no se forma nada de S03 en el horno. Los gases formados pasan al convertidor, donde se oxida el 95% de S02 a S03. Calcular la composición de los gases que entraron y que abandonaron el convertidor. Aire

SOL: Porcentajes molares a la salida del convertidor: SO3 = 7.66%; SO2 = 0.403%; O2 = 7.406%; N2 = 84.53%. 20. El análisis del gas que entra en el convertidor secundario de una planta de ácido sulfúrico de contacto es: 4% de SO 2 , 13% de O 2 y 83% de N2 (en volumen). El gas que sale del convertidor contiene: 0.45% de SO2 en base libre de SO3 (en volumen). Calcular el porcentaje del SO2 que se convierte en SO3. SOL: Porcentaje de conversión del SO2 = 89.35% 21. Una mezcla de dióxido de carbono puro e hidrógeno se pasa por un catalizador de níquel. La temperatura del catalizador es 315ºC 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:

Determinar: a) la conversión de CO2 b) la selectividad hacia CH4 e) la composición de la alimentación. SOL: a) 3.06%; b) 93.3%; c) 55.13% de CO2 y 44.87% de H2.

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22. 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 H2O. 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 aporta la siguiente composición: 9.6% de CO2; 3% de O2; y 6.4% de 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.

SOL: Porcentaje de etileno convertido en óxido de etileno = 42.4%. Selectividad de la planta 63.2% 23. Un gas de combustión tiene la siguiente composición que se sabe que es correcta: CO: 40.0%; H2: 40.0%; N2: 20.0% Este gas se quema con exactamente 50 % de exceso de aire, produciendo una combustión completa. El análisis presentado de los gases de combustión (en base seca), da los siguientes valores: CO2 = 23.1%; 02 = 6.5%; N2 = 70.4%; CO = trazas. Se sospecha que este análisis de productos es incorrecto. Determinarlo.

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24. Una columna de destilación separa 1500 kg/h de una mezcla de benceno y tolueno que contiene 55% en masa de benceno. El producto recuperado del condensador en el domo de la columna contiene 91% de benceno y los fondos de la columna contienen 96% de tolueno. La corriente de vapor que entra al condensador de la parte superior de la columna es 1200 kg/h. Una parte del producto se regresa a la columna como reflujo y el resto se saca para utilizarlo en otra parte. Suponga que las composiciones de las corrientes en la parte superior de la columna (V), del producto retirado (D) y del reflujo (R) son idénticas. Encuentre la relación entre el reflujo y el producto retirado. SOL.: Relación R/D = 0.365

25. En la siguiente figura se presentan los datos para un proceso que incluye una evaporación y una cristalización. ¿Cuál es la corriente de recirculación en kilogramos por hora?. SOL.: 7666.65 kg/h

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