Balance de Materia y Energía
Conceptos básicos y Balance de Materia en Régimen Estacionario Conversión de unidades, unidad mol, fracciones másica y molar
1. Realiza las siguientes conversiones: 1.5 10-6 a kg s-1 cm-1; 345 Btu lb-1 a kcal cm-1; y 160°F a °C, °R y K. 2. El aire es bombeado a través de un orificio inmerso en un líquido. El tamaño de las burbujas que salen
del orificio depende del diámetro del oficio y de las propiedades del líquido. La ecuación que representa esta situación es la siguiente:
3. 4. 5. 6.
(− )3
=6
Donde g=32.174 ft s-2 (aceleración gravitacional); =1 gcm-3 (densidad del líquido); =0.081 lbft-3 (densidad del gas); es el diámetro de la burbuja; =70.8 dyncm-1 (tensión superficial gas-líquido); y 0=1 mm (diámetro del orificio). Calcula el diámetro de la burbuja en cm. Un gas natural se quema y se produce 200 kcal gmol-1. Si se queman 40 kilos de ese gas en una hora, ¿cuántos kW se generan? El gas natural es en esencia metano. Una mezcla gaseosa contiene 20 g de N 2, 83 g de O 2 y 45 g de CO2. Calcúlese la composición en fracciones mol y el peso molecular promedio de la mezcla. Una solución líquida contiene 1.15 % en peso de una proteína, 0.27 % en peso de KCl y el resto es agua. El peso molecular promedio de la proteína por permeación de gel es 525 000 g∙ gmol-1. Calcúlense las fracciones mol de los componentes en la solución. Calcula el flujo volumétrico del hexano en una tubería, si el flujo másico es de 6.59 g/s
Balances en Unidades Simples y Múltiples
1. Si se mezclan 1 L de alcohol etílico con 1 L de agua, ¿cuantos kilogramos de solución se obtienen? 2. Una solución compuesta de 50% de etanol, 10% de metanol y 40% de agua se alimenta a razón de 100
3.
4.
5.
6.
kgh-1 a un separador que produce dos corrientes de salida: la primera a razón de 60 kg h-1 cuya composición es 80% de etanol, 15% de metanol y 5% de agua, y una segunda corriente de composición desconocida. Calcula la composición (en %) d e los tres componentes y el flujo de salida de la corriente desconocida en kgh-1. En la elaboración de harina de pescado se utiliza un proceso de deshidratación. En un lote de torta de pescado (libre de aceite) que contiene c ontiene 80 % de humedad, se eliminan 100 kg de agua, de modo que se obtiene una torta con 40 % de humedad. Calcular el peso de la torta de pescado que se introdujo inicialmente en el secador. En un tanque de mezclado se mezclan 125 kg de licor de maíz fermentado, que contiene 2,5% de azúcares invertidos, 50% de agua y el resto puede considerarse sólido, con 45 kg de melazas de remolacha que contienen 50% de sacarosa, 1% de azúcare s invertidos, 18% de agua y el resto son sólidos. También se agrega agua pura al tanque para producir una mezcla de azúcar diluida que contiene 2% (p/p) de azúcares invertidos. Calcula: a) la cantidad de agua requerida y b) la concentración de sacarosa en la mezcla final. En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada conteniendo 14 % en peso de sólidos solubles se mezcla con azúcar (1.22 kg de azúcar/1.00 kg de fruta) y pectina (0.0025 kg pectina/1.00 kg de fruta). La mezcla resultante se evapora en una olla para producir una jalea conteniendo 67 % en peso de sólidos solubles. Calcúlese, para una alimentación de 1000 kg de fruta macerada, los kg de mezcla obtenida, los kg de agua evaporada y los kg de jalea producida. Se desea establecer un balance de materia para cada uno de los componentes en el procesamiento de un lote de soya con las características carac terísticas siguientes: i) tamaño de lote = 100 kg ii) composición: aceite 18 %, proteína 35 %, car bohidratos 27.1 %, fibras y cenizas 9.4 % y humedad 10.5 %.
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Balance de Materia y Energía El material se somete a los siguientes procesos: a) Trituración y extracción mecánica : En esta etapa el contenido de aceite se reduce hasta el 6 % b) Extracción por solventes : Se extrae el aceite hasta obtener una pasta con 0.5 % de aceite c) Secado: La pasta se deshidrata hasta que contenga un 8 % de humedad. Nota: Suponga que no existe pérdida de componentes con el aceite.
7. Se desea obtener 100 L h -1 de leche evaporada con 18.61 % de sólidos no grasos a partir de leche entera cuyo contenido en sólidos totales es de 11.87 % y de grasa 3.4 %. Para realizar los cálculos considera una densidad media de la leche de 1030 kg∙m-3. a) Calcula la cantidad de leche entera requerida y la cantidad de agua que es necesario eliminar para llevar a cabo la operación. b) Calcula el contenido de grasa y agua en la leche evaporada.
8. El esquema muestra el proceso de concentración de una solución salina (NaCl) en un evaporador de triple efecto. La fracción molar de sal a la salida (D) del tercer efecto es de 0.01593. Considera que en cada efecto se elimina la misma cantidad de agua.
Calcular lo siguiente: a) La cantidad total de agua eliminada b) La concentración de sal en la solución que sale del segundo efecto (C). Balances en Unidades Múltiples con Derivación y Recirculación
1.
Para concentrar jugo de naranja se parte de un extracto que contiene 12 % de sólidos. El jugo se pasa a un evaporador que trabaja al vacío, pero antes de entrar una parte se deriva, para luego diluir el jugo concentrado que sale del evaporador con 58 % de sólidos hasta la concentración final de 42 % de sólidos. La finalidad es mejorar el sabor del jugo, ya que durante la evaporación pierde ciertos saborizantes volátiles. a) Calcular la cantidad de agua evaporada y la cantidad de jugo producido por cada 100 kg/s de jugo diluido que entra al proceso. b) Calcular la cantidad de jugo que se deriva
2.
Un proceso de producción de fritura de papa se desarrolla c omo se describe en el siguiente diagrama de bloques. Calcula la producción de papa frita y el consumo de aceite, sabiendo que la línea se alimenta con 1000 kg de papa por hora.
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Balance de Materia y Energía Papa (80% agua)
Papa frita (60% agua y 0.5% de aceite)
3.
En un proceso que produce KNO 3, el evaporador se alimenta con 1000 kg h -1 de una solución que contiene 20 % de KNO3 en peso y se concentra a 422 K para obtener una solución de KNO 3 al 50 % en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311 K, donde se obtienen cristales de KNO 3 de 96 % en peso. La solución saturada que contiene 37.5 % de KNO 3 en peso se recircula al evaporador. Calcúlense la cantidad de corriente de recir culación R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h.
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