OPERACIONES UNITARIAS (IN177) EXAMEN PARCIAL
Duración
: 110 minutos
Indicaciones:
El alumno puede utilizar solo su separata anillada que contiene tablas y gráficos con datos para resolver los problemas. Se permite el uso de calculadora. Examen con lápiz NO tienen derecho a reclamo. Escribir la respuesta con las unidades correctas.
Problema 1.- (7 puntos) Una corriente residual de un proceso de saponificación contiene 10.3% de sal y el resto agua. Esta corriente, a 20oC, es alimentada a un evaporador a razón de 15000kg/h para concentrarse hasta 36% de sal (porcentajes en peso). El proceso de evaporación se realiza a 75 kPa. Para el calentamiento se dispone de vapor saturado a 140oC que proviene de una caldera, la cual usa agua a 25°C. La eficiencia de la caldera caldera es de 88% y utiliza GLP como combustible. a) Calcule los flujos de vapor y solución concentrada que salen del evaporador, kg/h. (2 p)
e) Halle el flujo de vapor de calentamiento, k g/h. (3 p) f) Considere que los gases de combustión, en la caldera, tienen la composición molar que se muestra en la tabla (al entrar y salir) y determine el flujo molar de gases que pasan por la caldera cediendo su calor, kmol/h. (2 p) Datos: CP (sacarosa) = 2.35 kJ/kg.oC
CP (agua) = 4.18 kJ/kg.oC
Gases
% molar
CO2
18
O2
6
N2
69
H 2O
7
h (kJ/kmol) a 600oC
h (kJ/kmol) a 200oC
Problema 3.- (7 puntos)
Una columna de destilación procesa 24 kg/h de una mezcla (F) que contiene 60% de NH 3 y 40% de H2O. El producto de topes o destilado (D) contiene 99% de NH3 y el de fondos (W) 0.5% de NH 3. En el condensador se extraen 100 000 kJ/h de calor para condensar completamente a temperatura constante de 10°C el flujo de vapor (V) que sale por el tope de la columna. En el reboiler o hervidor se usa vapor saturado a 140°C para el calentamiento.
h fg (kJ/kg)
1 225
2 478
Problema 4- (6 puntos) Un evaporador es alimentado con una solución acuosa salada a 18oC, con 15 % en peso de sal. El evaporador
opera a 85 kPa y la solución concentrada sale con 30 % en peso de sal. Las temperaturas de las corrientes que salen están en equilibrio térmico a la temperatura de saturación. Para llevar a cabo la evaporación se utiliza un serpentín a través del cual circula vapor de agua saturado a 110oC, el mismo que se condensa totalmente hasta líquido saturado luego de entregar su energía. Se debe obtener 500 kg/h de solución concentrada. a) Calcule los kilos por hora que deben alimentarse al evaporador. (2 p) b) Determine el flujo de vapor vivo (de calentamiento) requerido, si no hay pérdidas de calor (kg/h). (3 p) c) Si las pérdidas fuesen el 10% del calor suministrado al evaporador, ¿cuál sería el flujo de vapor vivo?. (kg/h) (1 p) Datos:
CP (azúcar) = 2.35 kJ/kg.oC
CP (agua) = 4.18 kJ/kg.oC
Use la tabla N°7 para los datos requeridos adicionalmente
Problema 5.- (7 puntos) A partir de una solución acuosa de 12.5 % en peso de c arbonato de sodio (Na2CO3) se recupera dicha sal como
decahidrato mediante cristalización. El flujo de alimentación igual a
400 kg/h se enfría hasta 5oC,
precipitándose un sólido donde 95% son Na 2CO3·10H2O y 5% de licor madre. El licor madre (solución remanente) que sale del cristalizador, es una solución saturada a 5oC. a) Halle el flujo de sólidos precipitados y de licor madre (kg/h). (4 p) b) Determine el porcentaje de sal (Na2CO3) separada por cristalización. (3 p)
Problema 6.- (7 puntos) En el diagrama adjunto se muestra una columna de destilación continua alimentada por 200 kmol/h de una mezcla a 25oC que contiene 45 % (mol) de n-pentano y 55 % de ciclohexano. El destilado sale a 65 oC y contiene 98% de n-pentano (el resto es ciclohexano). El producto de fondos está a 85oC, contiene 4% (mol) de n-pentano y el resto es ciclohexano El flujo de vapor que sale por el tope de la columna se condensa totalmente y luego se divide en dos partes iguales, una parte retorna a la columna como reflujo y la otra sale como producto destilado. Determine: a) El flujo de destilado (en kmol/h) y del producto de fondos (2 p) b) El flujo (kg/s) de agua de enfriamiento si el agua se calienta de 15oC a 30oC al pasar por el condensador. La temperatura del vapor de tope, destilado y condensado, es la misma. (3 p) c) Si el vapor de fondo que regresa a la columna es el 10% (mol) del líquido de fondo, halle este flujo (L). (kmol/h). (2 p) Datos: Capacidades caloríficas se encuentran en la tabla N°2. Trabaje solo con un término Calor latente de vaporización hfg ( Hvap ). Se encuentra en la tabla N°4
Problema 7.- (7 puntos) A una columna de absorción de lecho empacado ingresan dos corrientes: por el fondo ingresa 2000 kg/h de un gas que contiene 15.0 % de CO 2 (%en peso) y 85.0% de aire seco; por el tope de la columna ingresa una corriente de solvente no volátil a razón de 800 kg/h. La corriente gaseosa que sale del absorbedor no contiene CO2. Solo el CO2 se absorbe en el solvente. Con la finalidad de usarlo en otro proceso, el aire que sale de la torre de absorción a 25C ingresa a un sistema de acondicionamiento en donde se calienta mediante una resistencia de 50 KW y se humidifica inyectándole agua. El aire que sale del acondicionador está a 49.5C con humedad relativa de 40%. Se pide: a) Un diagrama de flujo detallado del absorbedor y sistema de acondicionamiento. (1 p) b) El flujo, en m3/h, del gas que ingresa al absorbedor (medido a 1 atm y 0°C). (1 p) c) El flujo, en kg/h, del líquido que sale del absorbedor y su composición (% en masa). (2 p) d) La cantidad de agua que debe ingresar en el acondicionador de aire. (kg/ h. (2 p) e) Evaluar las pérdidas de calor en el sistema acondicionador, kJ/s. (1 p) DATOS: Masas molares: CO2 = 44 g/mol; Aire seco = 29 g/mol; Solvente no volátil = 300 g/mol
Problema 8.- (6 puntos) Una disolución acuosa de cloruro férrico (FeCl3) en agua, a una temperatura de 40oC, contiene 49% de FeCl3 en peso. Un flujo de esta solución igual a 1000 kg/h se somete a un proceso de cristalización por reducción de la temperatura a 10oC obteniéndose cristales de FeCl3. 6H2O (cloruro férrico hexahidratado) que contiene 8% de licor madre.
xxxxxxxx
UPC
UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
Carrera de Ingeniería Industrial
= ̅ Densidad de una mezcla está dentro del rango de las densidades de sus
OPERACIONES UNITARIAS
1)
∆=̂ ∫ Uso de tabla 2
∆=̂(ℎ − ℎ )
2) Tabla de propiedades termodinámicas para agua
= [291 + 18 ] = ̇
3⁄
= 100
componentes Fracción en masa:
=
1) Para mezclas:
∆ = ∑̂ (ℎ̂ − ℎ̂)
Tabla N°3 para gases
Fracción molar:
=
2) Calentamiento y vaporización:
∆=̂ ∫ + ∆ + ∫
Entalpía de material húmedo:
ℎ = , + , − Entalpía de aire húmedo :
ℎ = 1.005+1.88 − 0 +2501.4
Tablas N°2 y N°4
= − 18 29 Tabla N°5 o empleo del diagrama de humedad
= ∆ =ℎ − ℎ h j, hi entalpía de las sustancias que salen y entran al proceso
Eficiencia de caldera:
ú x 100 = Evaporador:
= ℎ − , − = ℎ
Entalpía de mezcla líquida a temperatura T respecto a un estado de referencia
ℎ=, + ,{ − } Entalpía de mezcla en estado vapor a una temperatura T respecto de un estado de referencia h = x A C l PA(T ebA – T ref ) + h fgA + C gPA (T - T ebA ) + X B C l PBA(T ebB – T ref ) + h fgB + C gPB (T - T ebB )
