PROCESOS INDUSTRIALES s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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OPERACIONES OPERACION ES UNIT UNITARIAS ARIAS
Héctor Fabio Padilla Mesa
Tecnología Industrial Facultad de Ingeniería Universidad Santiago de Cali
Operaciones Unitarias Balance de Masa
Todos los insumos que entran a un proceso u operación, salen s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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como productos y como residuos. En este sentido un balance de masa se define como la verificación de la igualdad cuantitativa de masas que debe existir entre los insumos de entrada y los productos y residuos de salida.
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Los materiales de salida no identificados se atribuyen a pérdidas s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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de insumos y productos por derrames, fugas y otras causas similares. Para realizar el balance de masa, se requiere de toda la información asociada al manejo de los datos de entradas y salidas, incluyendo parámetros de operación, así como de información existente a nivel de la administración.
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Los materiales de salida no identificados se atribuyen a pérdidas s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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de insumos y productos por derrames, fugas y otras causas similares. Para realizar el balance de masa, se requiere de toda la información asociada al manejo de los datos de entradas y salidas, incluyendo parámetros de operación, así como de información existente a nivel de la administración.
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1. Definir el sistema. Dibujar un diagrama de proceso. s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
2. Colocar en el diagrama los datos disponibles. 3. Observar cuales son las composiciones que se conocen, o que pueden calcularse fácilmente para cada corriente. 4. Determinar las masas (pesos) que se conocen, o que pueden definirse fácilmente, para cada corriente. Una de estas masas puede usarse como base de cálculo. 5. Seleccionar una base de cálculo adecuada. Cada adición o sustracción deberá hacerse tomando el material sobre la misma base.
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6. Asegurarse de que el sistema esté bien definido.
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Si una solución diluida de nutrientes es bombeada a un recipiente s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
de tierra con caudal de 1.5 kg/h, y se recupera a la salida una solución con caudal de 1.2 kg/h, ¿Cuál es el valor de acumulación por hora?
In
Out
Entrada = Salida + Acumulación 1,5
Kg Hr
= 1,2
A = 1,5
30
Kg Hr Kg Hr Kg
A = 0,3
Hr
+
A
− 1,2
Kg Hr
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Si un litro de alcohol etílico se mezcla don 1L de agua, ¿cuantos s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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Kg de solución resultan? ¿Cuántos litros? Las densidades del alcohol y el agua a 20°C son 0.7 89 y 0.998 g/cm3, respectivamente.
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Dos mezclas metanol – agua se encuentran en dos tanques separados. s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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La primera mezcla contiene 40% en peso de metanol, y la segunda contiene 70% en peso del mismo. Si se combinan 200 g de la primera mezcla con 150 g de la segunda, ¿cuál es la masa y la composición del producto?
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Su trabajo es diseñar un mezclador para producir 200 kg/día de ácido s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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para baterías. El mezclador operará continuamente. El producto ácido para baterías debe contener un 18.6% en peso de H2SO4 en agua. Las materias primas disponibles incluyen una disolución de ácido sulfúrico concentrado al 77% en peso de H 2SO4 en agua, y agua pura. ¿cuál será la velocidad de flujo de cada materia prima en el mezclador?
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Una disolución acuosa de hidróxido de sodio contiene 20% en masa de s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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NaOH. Se desea producir una disolución al 8% de NaOH diluyendo un flujo de la disolución al 20 % con un flujo de agua pura. Determinar las velocidades de alimentación de la disolución al 20% y el agua para dilución necesarias para producir 2.310 lb/min de la disolución al 8%
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Una columna de destilación se alimenta con una mezcla que contiene s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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45% de benceno y 55% de Tolueno y contiene dos flujos de salida, uno en la parte superior y otro en la parte inferior. Se produce un flujo en la parte superior que contiene 95% en peso de Benceno, y 8% del benceno que alimentó la columna sale con el flujo inferior. La velocidad de alimentación es de 2.000 Kg/h. Determinar la velocidad del flujo superior y las velocidades del flujo másico del benceno y del tolueno en el flujo inferior.
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Una solución compuesta de 50% de etanol, 10% metanol, y 40% agua s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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es ingresada a 100 kg/h a un separador que produce una corriente de 60 kg/h con la siguiente composición: 80% Etanol, 15% Metanol, y 5% H 2O, y una segunda corriente de composición desconocida. Calcular la composición (en %) de los tres componentes en la corriente desconocida y el caudal en kg/h.
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3 Kg de pulpa de papel tiene 71% de peso en agua. Después de un s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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proceso de secado se determina que se había eliminado el 60% del agua original. Calcular la cantidad de producto final obtenido después del proceso de secado y su composición en % de pulpa de papel y de agua. Igualmente, calcule el peso del agua eliminada en el proceso.
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Un líquido adhesivo consiste en un polímero disuelto en un solvente. Un s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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vendedor recibe un pedido de 3.000 kg de este líquido adhesivo que contenga 13% en peso de polímero. Para preparar este pedido, se cuenta con 500 kg de una solución con 10% en peso de polímero, una gran cantidad de solución con 20% en peso de polímero, y una gran cantidad de solvente puro. Calcular el peso de cada uno de los tres componentes que deben mezclarse para cumplir con el pedido, sabiendo que se debe usar toda la solución de 10% en peso de polímero.
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Se añade H2SO4 diluido a las baterías que se han agotado para s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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activarlas. Un tanque viejo contiene una solución de 12.43% de H 2SO4 (el resto es agua pura). Si se agregan 200 Kg de una solución de H 2SO4 al 77% y la solución final contiene 18.63% de H2SO4. ¿Cuántos Kg de ácido había inicialmente en el tanque? ¿Cuántos Kg de ácido se habrán preparado?
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Con el fin de obtener pulpa de mango, los mangos se cortan en s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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rebanadas, las cuales se secan utilizando un secador de pulpa de fruta. Si al ingresar al proceso, la fruta contiene un 13% de sólidos totales y al final del proceso de secado se llega a 88% de sólidos totales. Hallar la cantidad de agua eliminada y la cantidad de producto que se obtiene por cada 225 kg de mango que entran al proceso, sabiendo que se pierde el 7% de peso en el pelado y eliminación de semilla.
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Un proceso de destilación continua se lleva a cabo a través de tres s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
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unidades. Cada flujo contiene dos componentes A y B en diferentes proporciones. Calcule las velocidades de flujo desconocidas y sus composiciones.
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Una mezcla que contiene 50% en peso de Acetona y 50% en peso de s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
agua se separa en sus componentes. El proceso de separación consiste en extraer la acetona del agua con una sustancia que la disuelve y que es prácticamente inmiscible con el agua; después se somete a una destilación para separar la acetona del disolvente. El disolvente que se utiliza es la metil isobutil cetona (MIBC) y el proceso se describe a continuación: La mezcla acetona-agua se pone en contacto con la MIBC en un mezclador. En este paso la mayor parte de la acetona en el flujo de alimentación se separa del agua y se mezcla con la MIBC, dando lugar a dos flujos de salida; el primero es un extracto con alto contenido de
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MIBC y el segundo es un residuo con alto contenido de agua.
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El residuo se pasa a una segunda etapa de extracción, donde se mezcla s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
con un segundo flujo de MIBC y se produce de nuevo dos flujos de salida; un extracto y un residuo. El residuo en esta segunda etapa se elimina; mientras que el extracto se une al extracto de la primera etapa en un nuevo mezclador.
Una vez mezclados estos dos extractos se alimenta una columna de destilación, en la cual se produce un vapor (en la cabeza de la torre), rico en acetona y es el producto deseado del proceso. Por la parte inferior de la columna de destilación se obtiene un desecho del proceso.
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En un estudio de una planta piloto de este tipo, se procesan 100 Kg de s e l a i r t s u d n I s o s e c o r P
mezcla acetona-agua, para lo cual se envían 100 Kg de MIBC al primer extractor y 75 Kg al segundo. El extracto de la primera etapa contiene 27,5% de acetona. El residuo de la segunda etapa tiene una masa de 43,1 Kg, y consiste en 5,3% de acetona, 1,6% de MIBC y 93,1% de agua, y el extracto de la segunda etapa contiene 9% de acetona, 88% de MIBC y 3% de agua. El producto de la parte superior de la columna de destilación contiene 2% de MIBC, 1% de agua y el resto de acetona, mientras que el desecho de la parte inferior de la columna contiene tan solo el 1,5% de acetona.
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Calcular las masas y las composiciones restantes del proceso.
