Problemas Resueltos del Libro Balance de Materia y Energía

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS

OPERACIONES DE PROCESOS UNITARIOS BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA (L1) EJERCICIOS DE BALANCE DE MATERIA (L3) ING. JOSÉ HUIMAN SANDOVAL CUARTO CICLO INTEGRANTES SUBGRUPO 5.A BLAS RIVERA, GABRIELA JANETH PRADO RAMOS, KATHERINE RAMIREZ LÓPEZ, KATHERINE RUTH SUBGRUPO 5.B CANO SANCHEZ, RODAX BEYBI CARDENAS SORIA, HEIDY CRISTINA VILLANUEVA LÓPEZ, GERMAN

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


INTRODUCCIÓN El presente trabajo está hecho a base de las resoluciones de problemas de balance de materia y energía los cuales pueden ser resueltos tomando en cuenta las entradas, las salidas o los productos que se obtienen y/ o los que se pierden. Estos ejercicios nos ayudan a conocer los diferentes procesos que se pueden dar en una planta industrial para obtener un determinado producto.



BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA (L1) RAÚL MONSALVO VÁZQUEZ MA. DEL ROCÍO ROMERO SÁNCHEZ MA. GUADALUPE MIRANDA PASCUAL GRACIELA MUÑOZ PÉREZ



CAPÍTULO I INTROD0UCCIÓN A LOS PROCESOS INDUSTRIALES (PAG. 25 – PAG. 28) 1) Elabore el diagrama conceptual de una industria

2) Indique los conceptos de cada una de las partes que lo integran Proceso físicos Operaciones mecánicas efectuadas a las materias primas, las cuales cambian su estado físico. Procesos químicos Transformaciones en las que intervienen una o más reacciones químicas de las materias primas, cambiando así las propiedades físicas y químicas de las sustancias. Procesos fisicoquímicos Operaciones combinadas de manipulaciones físicas y reacciones químicas UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Tecnología Conjunto de conocimientos propios de una industria en particular, constituyendo una coordinación de los fundamentos teóricos y prácticos que nos llevan al ¨cómo hacerlo¨ conjuntamente con las condiciones óptimas de trabajo. Laboratorio de investigación y desarrollo Lugar donde se realizan actividades de investigaciones dirigidas a mejorar la capacidad de producción, calidad del producto o a desarrollar nuevos productos. Economía de la industria Contempla la aplicación de un conjunto de normas económicas que nos llevan a utilizar a los recursos económicos, físicos, productivos y humanos de una manera óptima. Contabilidad Constituye el orden para llevar las cuentas del capital de la industria. Administración Área constituida por los diferentes niveles del organigrama de le empresa para ejecutar, planear, modificar y ampliar las políticas productivas de la empresa. Ingeniería industrial Su alcance es demasiado amplio. Ésta área está dedicada a aplicar los estudios de tiempos y movimientos a: las técnicas operacionales, la tecnología, el desarrollo y la investigación de operaciones y el control estadístico de la calidad. Técnica operacional Operaciones efectuadas en un orden lógico para a la obtención del producto. Métodos de control de calidad Tienen como finalidad el control de calidad de: - Las materias primas - Los productos en proceso - El producto terminado Planta productiva Lugar donde se procesa la materia prima y se obtiene el producto final en una producción a gran escala. Producto Bien fabricado por la industria que se ajustará a los análisis de control de calidad para su aceptación o rechazo. Subproducto Son los productos secundarios que son parte de las materias primas, que no tienen las características del producto final. Producto recuperado Es aquel producto que no cumplió con los estándares de calidad y es reprocesado para elevar su calidad. Subproducto recuperado Es el subproducto que ha sufrido que ha sufrido una transformación en la planta piloto. Planta piloto Área de la empresa industrial que posee instalaciones y equipos de menor capacidad que la planta productiva. UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 3) Mencione la clasificación de las materias primas y escriba un ejemplo de cada una de éstas.

4) Mencione cómo se clasifican los productos y escriba un ejemplo.  De la planta productiva sale el producto propiamente dicho, éste se ajusta al análisis de control de calidad.  De la planta productiva también puede salir el subproducto, que no neceariamente tienen las mismas características del producto final.  Si el producto inicial no cumplió con los estándares de calidad, es reprocesado para elevar su calidad. UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL  También tenemos al subproducto recuperado, éste ha sufrido una transformación en la planta piloto. 5) Mencione y explique cómo se clasifican las empresas y escriba un ejemplo de cada una de éstas.

6) Indique cuáles son las diferencias entre un proceso físico, un proceso químico u un proceso fisicoquímico.


FISICOQUÍMIC O


7)

Explique en qué partes de la industria es necesario realizar control de calidad

El control de calidad se debe realizar en la planta; ya que de este depende que el producto sea aceptado o no; desde la recepción de la materia prima, el desarrollo del producto hasta el producto terminado.


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 8)

¿Cuál es la diferencia entre un subproducto y un desecho industrial?

SUBPRODUCTO

DESECHO INDUSTRIAL

-También conocido como producto secundario (parte de la materia prima que ha sido degradado o transformado y no contiene las características del producto final).

-E s todo lo que sale de la empresa y que no es económicamente aprovechadas ni de utilidad para la misma empresa pero posiblemente para otra empresa sí.

-Puede ser recirculado a la planta.

9)

Explique las diferencias que existen entre una empresa de extracción, una de explotación y una de transformación.

EXTRACCION -Se encarga de extraer la materia prima de la naturaleza que pueden o no ser transformadas para un producto final de servicio o consumo. -Se ubica en el mismo lugar de la materia prima.

EXPLOTACION - es la explotación de la materia prima que se encuentra en la mayoría de los lugares de concentración.

TRANSFORMACION -Son industrias que utilizan las materias primas de las industrias extractivas y se encargan de ponerle un valor agregado para el consumo final. -Se ubica mayormente cerca de la industrias de extracción (para minimizar el costo de transporte)

Después de leer el siguiente texto, correspondiente a la producción de jalea, indique la secuencia de pasos por bloques y responda las interrogantes que se formulan.

La fruta se limpia y se eliminan la dermis y los pedúnculos, luego se lava y se tritura; la fruta contiene 86% de agua y 14% de solidos solubles. Una vez triturada se mezcla con azúcar en una proporción de 45 a 55% en peso, en este paso también se agrega pectina y ácido cítrico, con lo que el pH alcanza un valor de 3,5. Luego, esta mezcla se somete a una evaporación de 80°C por 20-30 minutos, con lo cual se elimina agua y la concentración de sólidos en el producto resulta ser de 67% en peso.



86% agua 14% SS

PH= 3,5 33%

Agua, concentración de solidos (67%)

10)

¿Cuáles son las materia primas empleadas en el proceso productivo y como se clasifican estas por su origen y su composición?    

Fruta-vegetal-orgánica. Azúcar-mineral-sintética. Pectina-vegetal- orgánica. Ácido cítrico-vegetal-orgánica.

11)

¿Qué fenómenos físicos (operaciones unitarias) se llevan a cabo?   

12)

    13)

Trituración. Evaporación. ¿Qué desechos resultan del proceso? Dermis Pedúnculos Agua Materia(tierra de cultivo que vienen junto con la materia prima) ¿Cuáles son las condiciones de operación?

Una condición de operación es aquella actividad asignada por el fabricante al equipo o sistema de protección y basada en los valores asignados dados por el fabricante, podríamos decir que sería la limpieza, el tiempo


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL determinado de cada proceso y el control que se hace en cada área de cada proceso. 14)

¿En qué tipo de empresa se clasificara el proceso?

Analizando este tipo de proceso se llega a la conclusión de que es una empresa manufacturera, aquella que transforma la materia prima.

El proceso de fabricación de silicato sódico inicia con la eliminación de la humedad de todas

las materias primas: polvo de cuarzo fino, sulfato sódico y carbón

vegetal, en seguida éstas se

a un equipo en donde se mezclan en las siguientes

cantidades: polvo de cuarzo fino (100kg), sulfato sódico (70kg) y carbón vegetal (4kg); el equipo se pone en movimiento hasta que esté perfectamente combinado. Este material se introduce a u horno donde se obtienen silicato sódico, bióxido de azufre. El horno tiene un quemador que funciona con fuel-oil y su temperatura de funcionamiento es de 1500°C. Finalmente, una vez formado el silicato, se vacía y se enfría con agua. El material se reduce de tamaño y se le agrega agua. PROCESO DE FABRICACIÓN DE SILICATO SÓDICO INICIO: Eliminación de la humedad de todas las materias primas: POLVO DE CUARZO FINO SULFATO SÓDICO CARBÓN VEGETAL Estas materias primas se mezclan Polvo de cuarzo fino (100 Kg)

MEZCLA

+ Sulfato sódico (70

Kg)

Kg)

MEZC LA

+ Carbón vegetal (4

Después de combinar perfectamente las materias primas



HORNO El horno consta con un quemador que funciona con FUEL-OIL con una temperatura de 1500°C

Se obtienen: - SILICATO SÓDICO - BIÓXIDO DE CARBONO - BIÓXIDO DE AZUFRE Finalmente, teniendo formado ya el silicato sódico, se vacía y se enfría con agua, el material se reduce de tamaño y se le agrega agua. 15)

¿Cuáles son las materias primas o insumos?

 Polvo de cuarzo fino  Sulfato sódico  Carbón vegetal 16)

Identifique los suministros del proceso.

FUEL-OIL: Es el combustible más pesado de los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fuel oil se usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos. 17)

¿Cuáles son los subproductos?

 Bióxido de carbono  Bióxido de azufre 18)

Identifique los procesos físicos

-

19)

Eliminación de la humedad Mezcla de las materias primas Enfriamiento con agua Reducción de tamaño Agregación de agua

Identifique los procesos químicos

Introducción de la materia prima ya combinada al horno



En el proceso de hidrogenación del carbono, para obtener gasolina sintética, se alimenta carbón y un catalizador a un triturador y la descarga con aceite en un depósito. En seguida, una bomba toma la pasta, la comprime y la introduce en un horno en donde se realiza la reacción de hidrogenación a de 450 grados Celsius y 200 atmósfera. El producto caliente pasa por una centrifuga para separar la materia volátil, la cual se envía a una columna de destilación. El aceite pesado que se descarga de la centrífuga y de la columna del fondo, va hacia un depósito para recircularlo después de empastar más carbón. El destilado de la columna se lleva al horno de gasolina donde reacciona con hidrogeno en presencia de un catalizador granulado, a 200 atmósfera y 450 grados Celsius. El producto gaseoso de fondo es gasolina que se purifica con lejía alcalina (hidróxido de sodio).

Aceite

Carbón, catalizador S2

S1 Empastado

Triturador

S3 Bomba

S12 S3

S4 Horno de gasolina

S6 Centrifugado (Aceite) Recirc ulació n

S5 S7 Destilación (Aceite) S9

Horno de gasolina S10

Catalizador GASOLINA Producto Gaseoso S11

Destilación

Purificación

Gases licuables


DESECHO


20)

¿Cuáles son las materias primas que se utilizan en el proceso antes descrito? Clasifíquelas de acuerdo con su composición y origen. COMPOSICIÓN

ORIGEN

Carbón

inorgánica

vegetal

Aceite

orgánica

vegetal

Hidróxido de sodio Lejía

inorgánica inorgánico

-

21)

Mencione cuál es el producto, el subproducto y los desechos del proceso. o o o

PRODUCTO ---- Gasolina SUBPRODUCTO--- Propano DESECHO-------- Los residuos de la purificación del propano, vapor.

22)

Identifique las operaciones unitarias y los procesos unitarios que se llevan a cabo en este proceso de producción.

OPERACIONES UNITARIAS  Centrifugado  Empastado  Destilación  Trituración

PROCESOS UNITARIOS  Hidrogenación  Combustión

Durante el procesamiento del maíz se obtiene almidón y proteína mediante las siguientes operaciones: primero, se remoja el maíz en agua a una temperatura de 70°C, durante 1º 2 días. En seguida, se le añade 0.15% de

para su

fermentación, posteriormente el grano húmedo se tritura para obtener una suspensión que contiene gérmenes, salvado, almidón y gluten. El germen se prepara UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


de la pasta líquida mediante separadores neumáticos (ciclones) para líquidos. Los gérmenes lavados y secos pasan al proceso de extracción del aceite de maíz. Mediante una molienda y un tamizado que se repite varias veces, el salvado se separa de las demás fibras. El resto de la pasta líquida contiene de 5 a 8% en peso de proteína, la cual se concentra separándose el almidón más denso del gluten y el primero se filtra, se lava y se seca. El gluten se seca y se utiliza en la elaboración de alimentos para el ganado.

23)

¿Cuáles son las materias primas en el proceso antes descrito?

Clasifíquelas de acuerdo con su composición y origen. Composició

Materia

n Química Orgánica

Prima Maíz

Origen

Materia Prima

Vegetal

Maíz

Inorgánica

24)

Mencione cuál es el producto, el subproducto y los desechos

del proceso. o PRODUCTO: almidón. o SUBPRODUCTO: gérmenes, gluten. DESECHOS DEL PROCESO: aguas residuales. 25)

Identifique las operaciones unitarias y los procesos unitarios

que se llevan a cabo en este proceso de producción. Operaciones

Procesos Unitarios

Unitarias (procesos

(procesos

físicos) Secado.

químicos) Fermentación.

Tamizado. Filtración. Trituración. Molienda.

26)

Elabore el diagrama de bloque en donde se distinga la

secuencia del proceso de producción UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


Maíz

FERMENTACIÓN

TRITURACIÓN

MOLIENDA Y TAMIZADO

Gérmenes maíz

aceite de

Salvado

Alimento de Ganado FILTRACIÓN

Gluten

SECADO

Almidón



Identifique lo que se pide en las preguntas 27 a 33 en el siguiente proceso industrial (véase figura 1.12): Proceso de industrialización del azúcar 3000 kg de caña de

Almacenami ento

H2O

Lavado

Trituración

Carbó n activa

Ca3(PO )2 Tierra diatom ea

H2O

27)

   28)



Prensado

Baga zo

Clarificación

Pasta

Centrifugaci ón

Melaza s

Secado

Azúc ar more

H2O

Combustib le Alimento para ganado Elaboraci ón de papel Fertiliza nte Alimento para ganado Fermenta ción Alcoh ol

Azúcar morena Refinación

Azúcar blanca

Materias primas. Caña de azúcar Azúcar morena Melazas Clasifique las materias primas. Por su composición química:  Orgánica: caña de azúcar, azúcar morena, melazas UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL




Por su origen:  Vegetal: caña de azúcar, azúcar morena, melazas

29)

Servicios.

No se presentan servicios. 30)

  31)

   

Productos obtenidos. Azúcar blanca Alcohol Subproductos y sus aplicaciones. Azúcar morena, se refina para obtener azúcar blanca Melazas, se fermenta para obtener alcohol Bagazo; se utiliza como combustible, alimento para ganado, elaboración de papel Pasta; se utiliza como fertilizante y alimento para ganado

32)

Procesos físicos y procesos químicos.

PROCESOS FÍSICOS

PROCESOS QUÍMICOS

Almacenamiento

Clarificación

Lavado

Fermentación

Trituración Prensado Centrifugado Secado Refinación

33)

  



Concepto de cada término de los incisos Almacenamiento: operación industrial que consiste en almacenar tanto materia prima, insumos, productos terminados, etc. Lavado: operación industrial que consiste en la purificación de impurezas de diversas materias. Trituración: para reducir el tamaño de las partículas de una sustancia por la molienda, como por moler los polvos en un mortero con un mazo. En química orgánica, la trituración es un proceso utilizado para purificar los compuestos químicos brutos que contienen impurezas solubles. Prensado: El prensado o exprimido es la separación de líquido de un sistema de dos fases de sólido-líquido mediante la compresión, en condiciones que permiten que el líquido escape al mismo tiempo que se retiene el sólido entre las superficies de compresión. UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL  

 



Centrifugado: método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza giratoria. Secado: método de conservación de alimentos consistente en extraer el agua de estos, lo que inhibe la proliferación de microorganismos y dificulta la putrefacción. Refinación: proceso de purificación de una sustancia química obtenida muchas veces a partir de un recurso natural. Clarificación: Método tradicional para dar nitidez a un vino, mediante la adición de distintas sustancias, como clara de huevo, gelatina, etc., que precipitan las proteínas del vino y las partículas en suspensión. Fermentación: proceso catabólico de oxidación incompleta, que no requiere oxígeno, y el producto final es un compuesto orgánico.

CUESTIONARIO 1) Al conjunto de conocimientos ciertos de las cosas por sus principios y causas se les conoce como: ciencia. 2) La planta piloto está constituida por instalaciones y equipo de menor capacidad que la planta productiva. 3) La economía de la industria es fundamental como la ciencia, ya que una de las finalidades de la i9ndustria es obtener el producto al mínimo costo posible con la máxima eficiencia. 4) Un proceso físico consiste en operaciones mecánicas sobre las materia pueden cambiar su estado físico, pero no alterar sus propiedades físicas ni químicas. 5) Un proceso químico consiste en reacciones químicas que se efectúan con las materias primas y cambian las propiedades físicas y químicas de las sustancias. 6) Un ejemplo de proceso unitario es la fermentación. 7) Producto final es aquel se ha elevado la calidad y es aceptado por el laboratorio de control de calidad. 8) Un subproducto también es llamado producto secundario. 9) La planta química productiva es la fábrica en donde se llevan a cabo los procesos físicos, químicos y fisicoquímicos para transformar la materia prima en producto terminado. 10) El laboratorio analítico de control de calidad vigila la aceptación de las materias primas y la salida del producto terminado. 11) El producto final es la sustancia fabricada en la planta productiva que ha sido aceptado por el laboratorio de control de calidad. 12) La tecnología es el conjunto de conocimientos propios de una industria en particular. 13) La administración está constituida por los diferentes niveles del organigrama de la empresa, para ejecutar, planear, modificar y ampliar las políticas de la empresa. 14) La empresa industrial optimiza el uso de materias primas, lo cual influye en su inventario. 15) La técnica operacional la constituyen las operaciones efectuadas en un orden lógico para obtener un producto. UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 16) Los procesos fisicoquímicos son operaciones combinadas de manipulaciones físicas y reacciones químicas. 17) En el diagrama de bloques de una industria, se muestra las relaciones que existe entre las áreas de la empresa, la organización y los recursos con los que cuenta esta. 18) Las materias primas derivadas del carbón son de origen mineral o son reactivos químicos. 19) El producto rechazado es aquel que no cumple con lo especificado por las normas oficiales y que puede ser recuperado elevando su calidad. 20) La materia prima es toda aquella sustancia que entra como constituyente directo o indirecto del producto terminado.

TEMA DE ACTUALIDAD “…Me llaman tequilera, como si fuera nombre de pila, porque a mi me bautizaron con un trago de tequila…”







CAPÍTULO II SISTEMA DE UNIDADES Y SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (PAG. 62-64) Con la siguiente información constaste lo que se le pide: Una fábrica que produce pulpa de frutas tiene el siguiente plan de producción: Producto (pulpa) Piña

Consumo materia prima 500 kg/h

Funcionamie nto 96 días/año 1 turno de 8 h/día

Durazno

900 lb/min

Densidad=1,8 g/cm3

250 días/año

Envases utilizados

Recipiente de vidrio de 750 g

Recipientes de diámetro= 2,76 in Altura= 0,39 ft

El producto terminado se contiene en un 75% respecto a la cantidad de materia prima utilizada y la temperatura del proceso es de 11°C. Con base al plan de producción, calcule: 1) a) El producto elaborado den Ton/h de piña y durazno. -PIÑA

El producto terminado se contiene en un 75% respecto a la cantidad de materia


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Ahora a Ton/h:

-DURAZNO


Ahora a Ton/h:

b) El producto elaborado en kg/año de piña y durazno. -PIÑA




-DURAZNO


2) La cantidad de envases/año. Para el durazno efectúe el cálculo considerando el contenido en cm3. -PIÑA

-DURAZNO Volumen del envase:

Producto elaborado = 36774000 kg/año N° envases

Densidad = 1,8 g/cm3 Entonces:



3) Exprese la temperatura del proceso en °F

Una empresa desea adquirir un generador de vapor para su proceso y tiene las siguientes opciones: Tipo de generado r de vapor

Combusti ble

Consumo

Capacida d calorífica

Costo del combusti ble

Densidad

1

Gas

1,3 lb/h

11650 kcal/kg

1,55 $/lb

1,2 g/L

2

Gasolina

0,8 m3/turno

42,3 BTU/g

15 $/gal

0,85 g/cm3

3

Diésel

1350 L/día

42,49 cal/g

90 $/ft3

0,91 g/cm3

Nota: La empresa trabaja un turno de 8 horas por día. 4) La cantidad de energía en forma de calor que genera cada equipo en 3 horas de trabajo. Exprese sus resultados en BTU (considere que calor= masa x capacidad calorífica). GAS

Convertimos a BTU: UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


Entonces en 3 h de consumo, la energía será:

GASOLINA

---En masa:

42,3 BTU/g


DIESEL

Convertimos a BTU: UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL



6) Si se requieren 1,55 x 106 kcal en el proceso, ¿cuál sería la opción más adecuada?

7) Según los cálculos anteriores, ¿Cuál sería la mejor opción a elegir? La mejor opción es la GASOLINA. Con la siguiente información resuelva lo que se le pide: Una empresa que fabrica empaques automotrices trabajan 7 horas efectivas cada día (un turno) y durante la operación presenta los siguientes consumos de energía con esta información determine: Energía o Energético Gasolina

Consumo 10 gal/semestre

Costo

Gas

5 kg/día

2,50 $/

Electricidad

10 kW h/día

0,003 $/

130 $/

8) Costo de operación de la fábrica durante 15 días hábiles.

a) x(

b)



c) 9) Si la gasolina tiene un poder calorífico de 11,83 de

, ¿Cuál será la cantidad en

y el gas

utilizado durante 5 días

de trabajo por concepto de utilizar gasolina, gas y electricidad? a)

10)

Proporcione las dimensiones para la

Número de Reynold.

= Diámetro,

Densidad,

donde Velocidad,

= viscosidad (centiPoise).

ADIMENSIONAL 11) ¿Cuánta energía potencial en ft lb, tiene un tambor de 100lb suspendido 10ft sobre la superficie de la Tierra con referencia a dicha superficie? Tambor: - Masa: - Altura: Conversión:

��=45.35 ��×9.8 ��2 UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


12)

Cien libras de agua fluyen por una tubería a razón de

¿Cuánta energía cinética tiene el agua en

,

?

- Masa: - Velocidad: 10

-

Conversión:



50,303 cal = A ft lb 13) Convierta 130

a) K

c) R

14) La conductividad térmica del aluminio a 32

es 117

calcule el valor equivalente a 0°C en términos de

,

.



117

=117

=

15) La capacidad calorífica del relación

dada y está dada por la , donde

se expresa en

.Modifique la fórmula de modo que la expresión resultante tenga asociadas las unidades

.

Conversión:

16) Un cubo de hierro mide 2cm por lado y tiene masa de 62,9g. Calcule se densidad en kg/m3.


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 18) La torre Eiffel tiene 984 pies de altura, exprese esta unidad en : a) m

b) cm

c) yd

19) ¿Cuál es la dimensión del lado de un cubo cuyo volumen d de 3 375cm3?

20) ¿Cuál es el volumen en galones de un tanque d dimensiones: largo = 2m, ancho= 0.50yd, y alto = 5in?

21)

Un estudiante hizo tres mediciones de peso de un objeto:

19.17 oz, 9.15 g, 18.4 lb. ¿Cuál es el promedio en peso del objeto en mg?

 19.17 oz

 9.15 g

 18.4 lb



PROMEDIO

PROMEDIO 22)

La densidad del alcohol es de 0.8

. ¿Cuál es el peso de 5

galones de esta sustancia?





23)

Calcule la densidad de un bloque de madera en

pesa

y tiene las dimensiones de

,

, el cual por

.

 


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 

24)

La capacidad calorífica a presión constante del agua a 200°F

es de

. Calcule el 

25)

en

.



El valor de la constante R de los gases ideales es

, exprese el valor en

.



26) Una ecuación simplificada para la trasmisión de calor de un tubo de aires es trasferencia de calor cantidad de calor en

, donde en

es el coeficiente de ,

es el área, Q es la

es la diferencia de temperaturas en



a)

b)

27) Una unidad muy empleada para medir presiones es el bar , ¿Cuál sería la presión en la Ciudad de México en dicha unidad?



= 34)

De la ecuación

está en dinas, ,

obtiene la unidad conocida como gauss equivalencia entre un tesla

se

. Obtenga la

y un gauss.


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 29) La densidad del aluminio metálica es de 2,7cm -3Sabiendo que un mol

de átomos tiene una masa de 26,91815g

(peso atómico): a) Calcule el volumen que ocupa cada átomo de aluminio

b) Obtenga el radio de una esfera con ese volumen en cm, m yA

30)

Si un avión viaja al doble de la velocidad del sonido , ¿Cuál es su velocidad en millas por hora y en

TEMA DE ACTUALIDAD: CAPÍTULO 2 • “El problema lo hice bien, pero me equivoqué en las unidades.” Esta disculpa es habitual en los alumnos que confunden horas con segundos o kilómetros con UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


metros y terminan calculando que un futbolista es capaz de patear la pelota a 500 metros de distancia o que un avión puede cruzar el océano en quince minutos. • Pero estos problemas con las unidades de medida no son exclusivos de los cursos escolares. Aparecen en todo momento, a veces con consecuencias peligrosas.

UNA CUESTION DE PESO En 1983, un Boeing 767 de Air Canadá, con sesenta y un pasajeros a bordo, se quedó sin combustible en pleno vuelo. Afortunadamente, el UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


comandante del avión también era piloto de planeadores, de modo que, aplicando técnicas de vuelo sin motor, logró aterrizar el avión con todos sus ocupantes a salvo. ¿Cómo pudo pasarle algo así a un avión tan moderno? En esa época, Canadá comenzaba a adoptar el sistema métrico decimal y los técnicos todavía no estaban familiarizados con las nuevas unidades. En algún momento alguien preguntó: “¿cómo se hace para pasar los litros a kilogramos?”. Y le contestaron “hay que multiplicar por 1,77”.

CONCLUSION • Si bien el error es humano y nada tiene que ver con el SIS. Es necesario adaptarnos y adaptar nuestro trabajo de una manera uniforme ya que de otra manera no estaremos exentos de cometer errores que pueden repercutir de manera alarmante. • Otra solución sería mejorar la comunicación entre las partes que trabajan por un objetivo común.



EJERCICIO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA (L3) JOSÉ LUIS RODRIGUEZ NUÑEZ EDWIN MACAVILCA T.

UNJFSC HUACHO

PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


BALANCE DE MASA (PAG. 32) 1) Un lote de 1350 kg de maíz con 13% de humedad se seca hasta reducir su contenido de humedad a 60 g por kilogramo de materia seca.  ¿Cuál es el peso del producto final?  ¿Cuál es la cantidad de agua eliminada por kilogramo de maíz?

Datos: E= A1 + M1 A1= A2 + A3 M1=M3 S1= A3 + M3 S2= A2 Procedimiento: A1= 13% 1350 kg= 175,5 kg M1= M3= 1174,5 kg A3= 0,06 C = 70,47 kg

A1= A2 + A3 A2= A1 - A3 A2= 175,5 kg – 70,47 kg A2=105,03 kg 

Peso del producto final = S1 UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL




S1= A3 + M3 S1= 70,47 kg + 1174,5 kg S1= 1244,97 kg Cantidad de H2O eliminada (S2) por kg de maíz

Se ha eliminado 89,43 g de agua por cada kg de maíz seco. 2) Se tiene papas secas (A) con 10% de humead y se mezclan con pasas secas (B) que tiene 24% e humedad, la mezcla (P) al final tiene 16% de humedad. Determinar los porcentajes de A y B para que cumpla con la humedad final del producto.

Datos: E= H1+ M1+ H2+ M2 S= H3+ M3 H3= H1 + H2 M3= M1 + M2 A+B=P

H1=0,1 A M1 = 0,9 A H2= 0,24 B M2=0,76 B

Procedimiento:

H3= 0,16 P

A+B=P H3= H1 + H2

M3= 0,84 P 

M3= M1 + M2 

C: constante



Porcentaje de (A) y (B) en (P)



3) El agua de mar contiene aproximadamente 3.5% en peso de sólidos, un evaporador que produce 100 kg/h de agua pura para beber, descarga una corriente residual que contiene 15% en peso de sólidos. ¿Cuál debe ser la velocidad de alimentación al evaporador?

a) Cuál debe ser la velocidad de alimentación al evaporador Datos: E= S1 + S2 H1= H2+ H3 P1= P2 Desarrollo: Los pesos en sólidos 0,035 E= 0,15 S1

P1= P2

E= S1 + S2 30C= 7C + S2 S2= 23C S2= H3  23C= 100 kg La velocidad de alimentación (E) E= 30C E= 130,435 kg/h 4) Tenemos un proceso que se lleva a cabo en las siguientes condiciones: Una alimentación de harina de pescado/h con 8% de humedad en peso y un producto en peso y un producto final con un 14% de humedad en peso, y se usa aire caliente con la siguiente composición: 1 kg de agua /m3 de aire caliente Calcular la composición porcentual del aire salida si se sabe que se utiliza un flujo de 300 m3/h.



AIRE CALIENTE

E 1200 kg

DATOS:

Salida del aire caliente Flujo – Utiliza Flujo = 300

Balanceando masas

Trabajando con la humedad (H)

Si se usa 1 kg H/

83,72 kg (H)

Aire de salida = Flujo - Utiliza

Aire de salida =



5) Después del secado se determinó que un lote de pescado pesaba 900 lb conteniendo 7% de humedad. Durante el secado el pescado perdió el 59.1% de su peso inicial ( cuando estaba húmedo) Calcular:  El peso del pescado totalmente seco antes del secado.  Cantidad de agua eliminada por libra de pescado totalmente seco ( Lb agua/ Lb pescado tot. Seco )

E

SECADO

=900 lb

=59,1%(E) DATOS:

=0,591(E)

E=

Balanceando humedad:

0,491

E=

*El peso totalmente seco es



*Cantidad de agua eliminada por cada libra de pescado seco

6) Como resultado de un proceso tenemos un tanque con 800kg de una solución que contiene agua, 9% de sólidos solubles (azúcar), 3% de fibra en suspensión y 3% de minerales (% en peso) Para someterlo a un proceso de ensilado se le agrega una solución que contiene 30 kg de azúcar por cada 100kg de agua hasta que la solución del tanque tenga 15% de sólidos solubles (azúcar).  Hacer un balance de materia en el proceso.  Calcular el peso de la mezcla obtenida indicando en % y en peso de cada componente.

6.-

800 kg

E

S

Agregar *azúcar=

*agua=

*c=

constante



*Solución soluble= 15% = DATOS: 24kg=

Balance de sólidos solubles

0,15 (S)= 72 kg + 3c ….( )

* De ( (-0,16)( (0,15) (S= 72 kg + 3c) 0 = -48+1,05(C) C= 45,714

S=E+

+

S =1394,282 kg %

= 15%

%



7) Se tiene un jugo con 8% de sólidos solubles, se tiene un concentrador que produce 800kg/h de jugo concentrado con 15% de sólidos solubles. ¿Cuál debe ser la velocidad de alimentación?

E

S

Datos: Base, h S =800 kg

Balanceando sólidos solubles

Velocidad de alimentación

de jugo

14). Se tiene maíz con 37,5% de humedad que luego se somete a un secado con aire caliente recirculado, se seca hasta reducir su humedad al 8%. El secador tiene las siguientes características: 

Corriente de alimentación: 0,001kg de agua/kg de aire seco



Corriente de recirculación: 0,10kg de agua/kg de aire seco



El aire mezclado (alimentación + recirculación) 0,03 kg de agua/kg de aire seco UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Calcular para 1000kg de maíz: cantidad de agua perdida por el maíz, cantidad de aire recirculado, cantidad de aire de alimentación.

Datos: H1= H2+ H3 Corriente de alimentación= 0,01 kg agua/kg aire Corriente de recirculación= 0,10 kg agua/kg aire Aire mezclado (alimentación + recirculación) = 0,03 kg agua/kg aire Resolución: Para maíz 1000 kg H1= 0,375(1000)= 375 kg de agua M1=0,625(1000)= 625 kg de maíz seco = M2 625 kg= 0,92(S) 54,35 kg S= 679,25 kg H2= H1 - H3 H2= 375 kg – 54,35 kg H2= 320,65 kg 





H 2= 0,08(S)=

Cantidad de agua perdida (H3) H3= 320,65 kg de agua Corriente de alimentación= 0,01 kg de agua/ kg de aire de alimentación 0,01 kg de agua ------------------ kg de aire 320,651 kg de agua ------------------ X1 X1= 32065 kg de aire de alimentación Corriente de recirculación= 0,10 kg de agua/ kg de aire de recirculación 0,10 kg de agua -------------------- kg de aire 320,65 kg de agua -------------------- X2 X2= 3206,5 kg de aire recirculado

13). En un proceso se produce KNO3, el evaporador se alimenta con 1000 kg/ h de una solución que contiene 20% de KNO3 al 50% de sólidos en peso. Esta solución se alimenta a un a un UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL cristalizador a 311°K de donde se obtienen cristales de KNO 3 al 96% de sólidos en peso. La solución saturada que también sale del cristalizador contiene 0,6 kg de KNO3/kg de agua y recircula al evaporador. Calcular: - La cantidad de corriente de recirculación en kg/h - La corriente de salida de cristales en kg/h

Datos: E= S1 + S2 H2= H3 S1= S3+ S4 M1= 200 kg =M2 2000 kg=0,5 x S1 400 kg= S1

C: constante

S2= E - S1 S2= 1000 – 400 S2= 600 kg M1= M3 200 kg= 0,96 x S3 S3= 208,33 kg H3= 0,84xS3=8,33 kg

De

:







Corriente de recirculación (S4) S4/h= 314,53 kg de cristales/h Corriente de salida de cristales (S3)

S3/h=85,47 kg de corriente de recirculación

16) Una mezcla de combustible (hidrogeno y metano) se quema completamente en una caldera que usa aire. El análisis de los gases de la chimenea son: 83,4%de N 2, 11,3% de O2, y 5,3% de CO2 (en base seca, sin agua). Reacción: CH4 + O2 → CO2 + H2O H2 + O2 → H2O a) Cual es los porcentajes combustible ( H2 y CH4)

de

la

mezcla

de





Balanceando masas:



b) Cuál es el porcentaje de exceso del aire

19) El estándar de identidad para mermeladas y conservas especifica que la proporción de fruta y azúcar a agregar en la formulación es 45 partes de fruta por 55 partes de azúcar a agregar en la formulación es 45 partes de fruta por 55 partes de azúcar. Una mermelada también debe tener un contenido soluble de cómo mínimo 65% para producir un gel satisfactorio. El estándar de identidad requiere sólidos solubles de un mínimo de 65% para conservas de frutas de albaricoque, durazno, pera, arándano, guayaba, nectarín, ciruela, uva espina, higos, membrillo y grosellas. El proceso de elaboración de conservas de fruta involucra mezclar la fruta y azúcar en la proporción requerida adicionando pectina y concentrando la mezcla por ebullición bajo vacío y en caldero con chaqueta de vapor hasta que el contenido de UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL sólidos solubles sea como mínimo 65%. La cantidad de pectina adicionada es determinada por la cantidad de azúcar usada en la formulación y por el grado de pectina (un grado de pectina de 100 es el que formará un gel satisfactorio en una proporción de 1kg de pectina por 100kg de azúcar).Si la fruta contiene 10% de sólidos solubles y un grado de 100 pectina es usado, calcular el peso de la fruta, azúcar y pectina necesaria para producir 100kg de conserva de fruta. Para fines de control de calidad, los sólidos solubles son aquellos que cambian el índice de refracción y pueden ser medidos en un refractómetro. Así, solos los sólidos solubles de la fruta y el azúcar son considerados sólidos solubles en este contexto; la pectina es excluida. Una formulación de salchicha será hecha de los siguientes ingredientes: Carne de vacuno → 14% de grasa, 67% de agua, 19% de proteína Gras de cerdo → 89% de grasa, 8% de agua, 3% de proteínas Proteína aislada de soya → 90% de proteínas, 8% de agua

FRUTA +AGUA 45%

55%











20) Se necesita agua para ser añadida (usualmente en forma de hielo) para conseguir la humedad deseada del contenido. La proteína aislada adicionada es el 3% del peso total de la mezcla. ¿Cuánta carne de vacuno magra, grasa de cerdo, agua y soya aislada se necesitará para obtener 100kg de una formulación teniendo la siguiente información? : Proteína -15%; humedad – 65%; grasa - 20%





 



(2)-(1):



21) Si 100kg de azúcar cruda, conteniendo 95% de sacarosa, 3% de agua y 2% de salidos solubles inertes no cristalizables, son disueltos en 30kg de agua caliente y enfriados a 20ºC, calcular: La cantidad de sacarosa (en kg) que queda en la solución, la cantidad de sacarosa cristalina, la pureza de la sacarosa (en %) obtenida después de la centrifugación y deshidratación a 0% de humedad. La se solida contiene 20% de agua después de la separación fe la fase liquida en la centrifuga. Una solución saturada de sacarosa a 20ºC contiene 67% de sacarosa (P/P).



Cantidad de sacarosa (kg) que queda en la solución:



Cantidad de sacarosa cristalina:



La pureza de la sacarosa (en %):

22) Un jugo de tomate que fluye a través de un tubo a una proporción de 100kg/min, es salada agregándole sal saturada (26% sal) a la tubería a una proporción constante. ¿A qué


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL porcentaje la solución saturada de sal deberá ser agregada para obtener 2% de sal en el producto?

Sal saturada: Sal=26% M=74% 

a=0,26S 3,85a=S





3,85a=S S=3,85(2,167kg)=8,34kg

23) Si un jugo de manzana fresco contiene 10% de sólidos, ¿Cuál debe ser el contenido de sólidos del concentrado que produzca jugo puro después de diluir una parte del concentrado con tres partes de agua? Asumir que las densidades son constantes y son equivalentes a la densidad del agua.





24) En un proceso de deshidratación, el producto, el cual estuvo a 80% de humedad inicialmente, ha perdido la mitad de su peso durante l proceso. ¿Cuál es la humedad final contenida? E DESHIDRATACIÓN

Datos base: 100kg

Perdió: La humedad final:

25) ¿Cuánta agua es requerida para alcanzar el volumen de humedad de 100kg de un material desde 30% a 75%? 

Base: 100kg



Requerido:

BALANCE DE ENERGÍA (PAG. 41)


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 1. Un proceso de calentamiento de alimentos con vapor a temperaturas por debajo del punto de ebullición del agua se da con vacio ¿A qué vacío operará un sistemas para calentar un material con vapor saturado a 150ªF?

H 2O

*Temperatura en

2. Si un barómetro indica una presión de 15psig pero el termómetro registra sólo 248ªF, ¿qué significa esto?

BAROMETRO Termometro

Pgenerada

*1483,,69 mmHg


UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 3. Una libra de vapor a 26ºF contiene 80% de vapor y 20% de agua líquida ¿Cuánto calor debe liberarse del vapor cuando este se condense a agua a 200ºF? 1 lb= 454 g 80%V

80% 454 = 363,2 g

VH 2O

= 90,8 g H2O

Q2 Q

Q

3

Qt = Q1 + Q2 + Q3

4. ¿Cuánto vapor a

se requerirá para calentar 10 lb

de agua de 70 a

en un calentador de inyección

directa de vapor?

Q Q

Q

4

3

2

Q

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL m


4540 g

Qganado = Qperdido

MÉCANICA DE FLUIDOS (L2)



MECANICA DE FLUIDOS 2.- Calcule la densidad y peso específico del bióxido de carbono a 300kN/

absolutos y 60°C.

CO2

PV = RT

P.

300.103 pa . 44g =

. 8,31 .

=



Peso especifico

4,77

3.- Calcule la densidad y peso especifico del metano a una presión absoluta de 500kN/

absolutos y temperatura de 60°C

MEZANO = CH4

P

2,89

=

PESO ESPECIFICO =

.

= 2,89 x 9,81 = 28,3509 6.- ¿Cuál es el peso de un tanque de oxigeno de 4 f si el oxigeno esta presurizado a 200 psi, el tanque en si pesa 100lbf y la temperatura es de 50°F?

1ft = 0.3048 m 1 atm = 14,6959 psl

f

= 0,283 200 psi = 609 atm

Wtanque = 100 lbf UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL


1 u = 0,453 Kg

50

= 10

100 lb = 45,3 Kg

= 283 K

pv =rtn

,

Wtotal = Wtanque + Wo Wtotal = 45,5985 Kg


Problemas Resueltos del Libro Balance de Materia y Energía

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