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• Rosa Isela Martinez Velazquez

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

UNIDAD I

Balance de Materia sin Reacción Química Elaboración y rotación de datos en diagramas de flujos de procesos químicos. Diagramas de Flujos. Tienen como objetivo entender como se lleva a cabo el flujo de materiales o de energía en un proceso o en un equipo. El inicio de la solución de un problema es la traducción de un enunciado al lenguaje de la Ingeniería Química, y parte de este lenguaje son los diagramas de flujo y los signos que simbolizan las características más importantes y las corrientes manejadas. Un diagrama de flujo es indispensable para hacer los balances de materia y energía en un proceso o en una planta. Diferentes Tipos De Diagramas De Flujos a) Diagrama de bloques. b) Diagrama de equipo. c) Diagrama de instrumentación. a) DIAGRAMA DE BLOQUE. En ellos se presenta el proceso por medio de rectángulos que tienen entradas y salidas. Sobre el rectángulo o dentro de él, se indica lo que representa, mientras que sobre las líneas se indican las corrientes de entrada y salida. 1 2

PLANTA DE H2SO4

4

3

1. 2. 3. 4.

Azufre Aire Agua H2SO4

1 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

b) DIAGRAMA DE EQUIPO. En este se muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por medio de líneas de unión. Los equipos se representan por símbolos que recuerdan el equipo usado. Las propiedades físicas, las cantidades, temperatura, y las presiones de los materiales son parte importante de los diagramas. Estos se pueden indicar poniendo sobre cada línea los datos, e identificando cada línea con un numero que se refiere a una lista sobre el diagrama o mostrando todo en una hoja de tabulación. En el diagrama se muestra una operación de evaporación de NaOH con objeto de concentrar el soluto. La evaporación se lleva a cabo en 3 evaporadores conectados en serie. Al primer evaporador se introducen 125,000 kg./h de solución con una densidad de 1.1 y la con una concentración de NaOH de 8% en peso. La concentración final de la solución será 17% con una densidad de 1.3 para lograr esto se debe aforar el agua que sale de los equipos con las corrientes E,F,G.

2 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

c) DIAGRAMA DE INSTRUMENTACION. En este diagrama se muestra un proceso de flasheo que consiste en volatilizar parte de una mezcla liquida agregándole calor; la mezcla se debe mandar a un tanque separador, el cual presenta un área de flujo lo suficientemente grande como para que se separe la mezcla liquido y vapor. La temperatura del tambor se mantiene constante una válvula que controla el flujo de los vapores salientes del tanque. El flujo del liquido se controla con una válvula controladora de nivel.

NOMENCLATURA Las propiedades serán designadas por medio de las letras latinas o griegas. En ocasiones se usara la misma letra para designar diferentes propiedades volumétricas y ~ para propiedades molares. L L~

L



kg h mol Flujo molar liquido h vol Flujo volumétrico liquido h masa Densidad volumen

Flujo Masico liquido

PE

Peso especifico

H

Entalpia

~ H

Entalpia molar

Hˆ

Entalpia Especifica

3 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

Las corrientes se identifican con letras mayúsculas o un numero y se colocan como subíndices de las propiedades. Ejemplo: LA = Flujo masico de A liquido. LHA2 O = Flujo masico de A liquido de agua. T1= Temperatura de la corriente 1

~ y3aire =Composición molar de la corriente 3, gaseosa en aire. En general. L= Fluido liquido. G= Fluido gas S= Fluido sólidos. M= Fluido mezcla. X= Concentración o fracción masa liquido. y= Concentración o fracción masa gas. W= Concentración o fracción masa sólido. Z= Concentración o fracción de mezcla. Balance de materia sin reacción química. Operaciones: a) Mezclado. b) Separación, c) Contacto contracorriente. d) Contacto paralelo. e) Balance con recirculación. f) Balance con contracorriente de derivación.

4 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

VARIABLES Y MAGNITUDES FISICAS. PROBLEMA 1 La capacidad calorífica a presión constante del agua a 200˚F es de 10.8 BTU/Lb mol˚R, calcule su capacidad calorífica en Kcal/Kg. mol˚K.

PROBLEMA 2 El valor de la R constante de los gases ideales es de 1545 (Lb-ft2)(ft3)/Lbmol˚R. Exprese el valor de R en atm.m3/Kgmol˚K

PROBLEMA 3 La densidad de todos los cuerpos varían con la temperatura. En algunos líquidos esta variación puede expresarse por la siguiente formula: ρ = ρo + At En donde: ρ = Kg/m3 a una temperatura t en oC. ρo=Kg/m3 a una temperatura base t0 en oC. ¿ Cuales deben ser las unidades de A?

PROBLEMA 4 Al analizarse una solución salina, se ve que contienen 23.77 g de NaCl por cada 1000cm3 de solución, la cual tiene una densidad de 1.005 g/cm 3. a) ¿Cuál es el porcentaje en peso de NaCl en la solución? b) ¿Cuántos Kg. De sal se deben disolver para dar 500lts de solución? c) ¿Qué cantidad de agua se necesitará?

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UNIDAD I

PROBLEMA 5 Para determinar la concentración de ácido acético en un vinagre, se tomaron 100cm3 del vinagre, se añadieron unas gotas de indicador de fenolftaleina y se tituló con una solución de sosa cáustica 1 M. El cambio de color se produjo después de usar 50cm 3 de la solución cáustica. ¿Cuál es la concentración de ácido acético en gramos por litro en el vinagre? PROBLEMA 6 Una unidad muy empleada para medir presiones es la baria=1 dina/cm2 ¿Cuál es la presión en la ciudad de México en esa unidad sí la presión atmosférica en la ciudad de México es de 586 mm de Hg? PROBLEMA 7 Un bloque-tanque transporta 150 000 barriles de petróleo crudo cuya densidad relativa es de 0.82. Calcule el numero de m3 de petróleo y el número de toneladas métricas que transporta. Sí el precio del barril es de 35 dlls. ¿Cuál es el valor del cargamento en pesos mexicanos? PROBLEMA 8 Para medir la presión de un gas dentro de un recipiente se usa un manómetro diferencial como el que e muestra en la figura. Cuando se efectúa la medición, la presión atmosférica es de 730mm de Hg. El líquido medidor usado tiene una densidad=1.6 g/cm3. ¿Cuál es la presión absoluta que existe en el gas dentro del recipiente? La diferencia de altura entre el punto B y el A es de 10 pulgadas.

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UNIDAD I

PROBLEMA 9 Por una tubería de 1.049 pulgadas de diámetro interior y 1.4 millas de longitud viaja un fluido más ligero que el agua que tiene una densidad de 33.74 º Be. Calcule: a) La cantidad de m3 de fluido contenido en la tubería. b) La masa de fluido contenido en la tubería. c) El gasto volumétrico si el fluido viaja a la velocidad de 3 m/s.

PROBLEMA 10 Calcule la densidad en grados Baumé de una solución formada por el 20% en volumen de benceno y el 80% de dicloroetano. Si la cantidad relativa @ 25ºC del benceno es de 0.872 y la del dicloroetano @25ºC es de 1.246.

PROBLEMA 11 Al analizar una corriente líquida de HCl se obtiene que su densidad es de y molaridad 12. ¿Cuál es la fracción peso, concentración y la relación mol de HCl en la corriente?. 26.16ºBe

PROBLEMA 12 Para medir el gasto másico de un fluido que se mueve a través de una tubería, se utiliza un medidor de orificio, que da una diferencia de presiones entre la sección anterior y posterior al medidor, la cual se puede pasar a gasto másico por medio de la siguiente formula: 2 gc (-P/ ) L   Co A1 A2 ( 12  1) A0 ¿Qué unidades tendrá Co? Sí L=Kg/s, ρ=kg/m 3, A1 y Ao=m2, ΔP= Kgfuerza /m3 y gc=9.81N/kgfuerza

7 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 13 Para cierto proceso se requiere formar una solución que contenga 2.54 libras de CaCl2 por galón de solución. Sí la densidad relativa de la solución es de 1.218, encuentre: a)La fracción peso de CaCl2 b)La fracción mol. C)La molaridad. d)La normalidad e)Los Kg de CaCl2 que se necesitan agregar por c/1000l de agua.

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UNIDAD I

OPERACIONES DE MEZCLADO PROBLEMA 14 Para fabricar pólvora se necesitan tres sustancias que son: azufre, Carbón, y Nitrato de potasio en porciones de 10,15 y 75% en peso. Estas sustancias se deben moler finamente y mezclarse con cuidado para dar el producto final. ¿Cuánta cantidad de cada materia se necesitará para producir 4 toneladas de pólvora por día?

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UNIDAD I

OPERACIONES DE SEPARACIÓN PROBLEMA 15 En el proceso de cristalización se obtienen 695 kg de cristales de Na2CO3(10 H2O) por hora; dichos cristales se pasarán a un secador para obtener un producto que consiste en cristales de Na 2CO3 anhidro. ¿Qué cantidad de agua se quito en el secador? Si los cristales se secan en la corriente paralela con aire que tienen inicialmente 0.09% de agua en peso. ¿Qué cantidad de aire se necesita para secar los cristales sí el aire sale con un 0.7% de agua en peso?

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UNIDAD I

PROBLEMA 16 Partiendo de una solución cáustica al 10% se deben obtener 500kg/hr a una concentración de 50% mediante evaporación. Determine el flujo de alimentación y el agua evaporada.

11 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 17 Una columna de absorción de SO2 se diseña para producir una solución acuosa de SO2. Si el agua de entrada contiene 5% de SO 2 y el agua de salida 20% de SO2 a) ¿Qué cantidad de solución al 5% se necesita para obtener 100kg/hr de solución de SO2 al 20%? b) ¿ Que cantidad de gases se debe tratar sí los gases entrantes contienen 60% en peso de SO2 y los salientes 2%?

12 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 18 La separación de una mezcla de benceno, tolueno y xileno se llevan a cabo en dos columnas de destilación. A la primera columna se le alimentan 100kgmol/hr de una mezcla del 40% en mol de benceno y el resto de tolueno y xileno. El domo de la primera columna se obtiene 40kgmol/hr de destilado con una composición del 95% en mol de benceno, y el resto de tolueno y xileno, los cuales están en relación de 10:1. Los fondos de la primera columna alimentan a la segunda. De esta columna sale destilado que contiene 5% de benceno en mol y el resto de tolueno y xileno, los cuales están también en relación 10:1. Por el fondo de la columna se obtiene xileno con 100% de pureza. Determine los flujos totales y parciales de las diferentes corrientes.

13 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

Cristalización Cristalización es una operación que consiste en obtener sólidos en forma cristalina a partir de un solución liquida saturada. El amplio uso de los procesos de cristalización esta basado en el hecho de que un cristal que se ha formado a partir de una solución, es puro en si mismo, lo cual es la base de un método practico de obtención de sustancias químicas puras. PROBLEMA I9 Una tonelada métrica/hr de nitrato de sodio al 25% en peso se concentra hasta saturación @ 100ºC por evaporación. La solución se enfría entonces hasta 25ºC, con lo cual se precipitan los cristales de NaNO 3 los cuales se separan posteriormente por centrifugación. La solubilidad del NaNO3 es de 1.76kg/kg H2O @ 100ºC y de 0.88 Kg/Kg H2O. Calcule el agua evaporada para lograr la saturación @ 100 ºC y el peso total de los cristales de NaNO3 obtenidos

14 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 20 Para recuperar el K2SO4 de una solución al 15%, se meten 1000kg/h de esta solución a un cristalizador, la solución entrante @ 100 ºC se enfría en el cristalizador hasta 10ºC. ¿ Que cantidad de sulfato de potasio se recuperara? La solubilidad del K 2SO4 en 1000g de H2O es de 92.32g @ 10ºC.

15 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROCESOS DE RECIRCULACIÓN PROBLEMA 21 En una torre de destilación se le alimentan 1000kg/h de una disolución de agua y alcohol. Esta alimentación se separa en un destilado que contiene 90% de alcohol y unos fondos que contienen 5% de alcohol. Parte del destilado se recicla como un reflujo. Sí el flujo total superior es de 1000kg/h y el flujo total de fondo es de 400kg/h. 1. ¿Cuál es el gasto del reflujo? 2. ¿Cuál es la relación de reflujo?

16 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 22 Una planta de la gasolina natural, produce gasolina por medio de la eliminación de los vapores condensables del gas que fluye de los pozos de gas. El gas de pozo tiene la siguiente composición: COMPUESTO CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 C5+Pesados N2 % MOLAR 77.30 14.9 3.6 1.6 0.5 2.1 Este gas pasa a través de una columna de absorción llamada lavador, donde se lava con un aceite no volátil. El gas que sale de lavador tiene el siguiente análisis:  CH4 =92% molar  C2H6=5.5%molar  N2=2.5 El aceite lavador no absorbe CH4 o N2, y sí elimina gran parte del etano, todo el propano y los hidrocarburos superiores en el gas. El aceite se envía a una columna de purificación que separa el aceite de los hidrocarburos absorbidos. El destilado de la columna de purificación recibe el nombre de gasolina natural, mientras que el residuo se llama aceite delgado. La corriente de aceite delgado se enfría y se regresa a la columna de absorción. El gas de los pozos se alimenta a la columna de absorción a 52000kgmol/día y el flujo de aceite que entra al purificador es de 1230 Kg/min. (PM=140). CALCULAR: a) Kg de CH4 que pasan por el lavador por día. b) Kg de C2H6 absorbidas de la corriente de gas/día. c) % de propano en peso en la corriente de aceite que sale del lavador. d) Kg de aceite delgado de recirculación.

17 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 23 Al proceso se alimentan 18400 kg/h de una solución que contiene 10% de NaCl, 3% de KCl y 87% de agua. Las composiciones de las corrientes son como sigue: NaCl KCl H2O Producto Evaporado 16.8 21.6 61.6 Recirculación 18.9 12.3 68.8 Calcule los Kg/h de solución que pasan del evaporador al cristalizador y los Kg/h de recirculación.

18 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

MEZCLADO DE DERIVACIÓN PROBLEMA 24 Para formar una solución de sosa cáustica al 4% en peso se efectúa el siguiente proceso: Se disuelve sosa cáustica sólida con H2O, una parte de la corriente se lleva a un recipiente con sosa cáustica sólida, de donde sale con un 17% de sosa, la otra parte del agua se deriva uniéndose posteriormente en porción tal que dé la solución al 4%. a) ¿Qué porcentaje de agua debe derivarse a través del saturador, sí se requieren producir 2 ton/h de solución al 4%? b) ¿Que cantidad de agua debe meterse por cada corriente?

19 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 25 Un tanque cuya capacidad es de 500 litros contiene 300 litros de agua. Si se alimentan 2 litro/min de agua y simultáneamente se descargan 1.25 litro/min. Calcule el tiempo de llenado del tanque.

20 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 26 Un filtro prensa contiene 20 marcos que se usarán para filtrar unos lodos que tienen 10 kg de sólido seco por 100kg de mezcla sólido-líquida. Las dimensiones interiores de cada marco son 50 cm x 2.5 cm de grueso. La torta formada en la filtración es incompresible y contiene 0.7 kg de sólido seco por kg de torta. ¿Cuantos kg de filtrado libre de sólidos pueden obtenerse antes de que el filtro se llene con una torta húmeda que tiene una densidad de 1440 kg/m3?

21 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 27 La concentración máxima permisible de descarga de SO 2 a la atmósfera en una planta química es de y=0.001 kg de SO 2/kg de gas total. Por esta razón, una corriente que tiene una concentración másica de y=0.005 kgSO2/kg gas se tiene que tratar en una torre de absorción de donde sale con una concentración =0.0005kg de SO2/kg de gas. ¿Qué fracción del gas se podría derivar?

22 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 28 Para separar alcohol puro de una mezcla de alcohol-agua, es necesario adicionar un tercer componente, como benceno, para así reducir la volatilidad del alcohol; ello hace posible obtener alcohol puro como producto de fondo. En uno de esos procesos se alimenta a la torre con una mezcla de 88% de alcohol y 12% de agua en masa, lo cual da un destilado con 17.5% de alcohol, 7.9% de agua y 74.6% de benceno en masa. ¿Que volumen de benceno se debe alimentar a la columna por unidad de tiempo para producir 1250 cm3/s de alcohol puro en fondos y que % de alcohol alimentado se obtiene como alcohol absoluto? *Densidad del benceno 870 kg/m3 *Densidad del alcohol 785 kg/m3

23 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 29 Para acondicionar un local se necesita aire con una humedad máxima de 0.014 kg de agua/kg de aire seco. El aire saliente del local deberá tener una humedad máxima de 0.016. Para esta operación se cuenta con aire fresco de 0.005 de humedad, por lo que se piensa utilizar parte del aire saliente para mezclarlo con el aire fresco y así producir la mezcla que se introduce al local. ¿Que cantidad de aire recirculado se deberá mezclar con aire fresco para producir la mezcla deseada?

24 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 30 A un reactor de polimerización se le alimenta etileno puro. Cuando la polimerización se completa en un 60%, la mezcla se saca del reactor y se manda a un separador. De allí salen dos corrientes, una con 90% de polietileno y 10% de etileno. Los vapores de etileno se reciclan. Calcule la reacción de reciclado a la alimentación.

25 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 31 La composición volumétrica del aire es la siguiente: ELEMENTO

%

ELEMENTO

%

Nitrógeno

78.03

Neón

0.0015

Oxigeno

20.99

Helio

0.0005

Argón

0.94

Kriptón

0.00011

Hidrógeno

0.01

Xenón

0.000009

1. 2. 3. 4.

¿Cuál será el peso molecular del aire? ¿Cuál será la fracción masa de los componentes? ¿Cuál es la densidad del aire a C.E.? Sí se necesitan 2 toneladas métricas por día de Neón, ¿Cuantos m 3 de aire a C.E. deberán tratarse?

26 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 32 Una solución de NaCl al 50% se va a concentrar en un sistema de evaporadores de triple efecto (cada evaporador individual se le llama efecto). En cada efecto se evapora la misma cantidad de agua. Determinar la composición de la corriente de descarga para el efecto 2 sí el contenido de este evaporador se mezcla uniformemente de tal forma que la corriente de salida tenga la misma composición que el contenido del efecto 2. Las líneas de vapor de agua en cada evaporador se encuentran completamente aisladas del contenido de los evaporadores.

27 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 33 Se absorbe HCl gaseoso de un flujo de gas y aire en un sistema a contracorriente consistente en tres torres empacadas. El gas se hace pasar a través de las torres mediante un aspirador ajustado en la descarga del gas de la 3ª torre con lo cual todo el sistema se encuentra sujeto a una ligera presión de succión. La solución de HCl se bombea de los fondos de cada columna hacia el domo de la anterior en serie. La producción es 2640 kg/h de HCl al 36.2% en peso cuyo peso especifico es de 1.18. La temperatura de las torres tiene un promedio de 28ºC, y la presión barométrica es de 29.1” de Hg. a) Calcular el total de %HCl absorbido que se disuelve en la torre II. b) Que puede concluir a partir del balance de materia de este sistema. TORRES

I

ANÁLISIS DE LOS LICORES 36.2 0%HCl EN PESO ANÁLISIS DE LOS GASES %HCl 44.31 MOLAR

II

III

32.28

25.4

40.26

32.95

DESCARGA III

3.4

28 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

BALANCE DE FLUIDOS Y MEZCLAS PROBLEMA 34 En una tubería de 3 pulgadas de diámetro interior, un líquido viaja a 10m/s. Esta tubería se bifurca luego en 2 más. ¿Cual será la velocidad del líquido en cada tubería si estas son de 1 y ¾ pulgadas de diámetro interior respectivamente? ¿Cuanto líquido viaja en cada rama? (suponga que no existen perdidas por fricción ).

29 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 35 En un punto de una línea de 4 pulgadas de diámetro interno un gas tiene una presión de 2 kg /cm 2 @ 30ºC y viaja a una velocidad de 3 m/s. El gas pasa por un compresor y de allí a una tubería de 1.5 pulgadas. La presión del gas en esa tubería es de 3.5 kg/cm 2 a una temperatura de 40ºC. ¿Cual será la nueva velocidad del gas?

30 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 36 Dos bombas llenan un depósito en 8 horas. ¿Cuánto tiempo necesitará cada una para llenarlo separadamente, sabiendo que la 1ª bomba tarda 4 horas más que la 2ª?. Si el volumen del tanque fuera de 100m 3 ¿Cuales serían los gastos de cada bomba?.

31 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 37 Calcule gráficamente la composición de la mezcla resultante de unir las dos corrientes. Datos L1= 1000 kg/h X1NaCl= 0.20 L2X2H2O=2000kg/h X3H2O =? X1H2O= 0.35 L2X2NaCl=500kg/h X3NaCl =? Na CO Na CO X1 2 3=0.45 L2X2 2 3=300kg/h X3Na2CO3 =?

32 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

MEZCLA DE CORRIENTES CON 3 COMPONENTES PROBLEMA 38 Para fabricar un ácido necesario para la nitración (27% HNO 3, 60% H2SO4 y 13% H2O) se cuenta con: a) Un H2SO4 de 93% de pureza. b) Un HNO3 del 90%. c) Un ácido saliente del nitrador con 23% de HNO3, 57% H2SO4 y 20% H2O. Sí se requieren producir 1000kg/hr del ácido para la nitración ¿Que cantidad se deberá usar de cada ácido? a) Gráficamente y analíticamente.

33 Maestra: Q. Lydia Toscano P.

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UNIDAD I

PROBLEMA 39 Los datos de equilibrio para el sistema ácido acético, benceno y agua a 25ºC y 1 atmósfera son las siguientes: FASE ORGANICA

FASE ACUOSA

Ac. ACETICO BENCENO

AGUA

Ac. ACETICO BENCENO

AGUA

0.15

99.85

0.001

4.56

0.04

95.4

1.40

98.56

0.04

17.7

0.20

82.1

3.27

96.62

0.11

29.0

0.40

70.6

13.3

86.40

0.40

56.9

3.30

39.8

19.9

79.40

0.70

63.9

6.50

29.6

31.0

67.10

1.90

65.8

18.1

16.1

a) Con los datos anteriores construya el diagrama triangular que represente el equilibrio liquido-liquido. b) Para extraer el ácido acético contenido en una corriente de benceno se trata esta con agua. La corriente de benceno-acético contiene 20% ácido acético y un flujo de 1000kg/h. Esta se trata con 500kg/h de H 2O. ¿Qué cantidad de extracto y refinado se obtiene? ¿Que % de H Ac. quedará en el refinado?

34 Maestra: Q. Lydia Toscano P.