Fundamentos de Ingeniería Química
TEMA 9. BALANCES DE MATERIA 1. Se separan por destilación en dos fracciones, 1000 kg/h de una mezcla de benceno(B) y tolueno(T) que contiene 50% de benceno en masa. El flujo másico de benceno en la corriente superior es de 450 kg/h de benceno, y la de tolueno en la corriente inferior es de 475 kg/h de tolueno. La operación se lleva a cabo en régimen permanente. Calcular los flujos desconocidos de los componentes en las corrientes de salida. Solución: 25 kg/h tolueno en la fase vapor y 50 kg/h de benceno en la fase líquida
2. Una mezcla que contiene 45% de benceno (B) y 55% de tolueno (T) en peso, se alimenta a una torre de destilación. La corriente superior tiene una concentración de 95% de B en peso, mientras que 8% del benceno que se alimenta a la torre sale con la corriente inferior. El flujo de alimentación es de 2000 kg/h. Determinar el flujo de la corriente superior y los flujos másicos del benceno y tolueno en la corriente inferior. Solución: Caudal de vapor: 872 kg/h, Benceno: 72kg/h y Tolueno: 1056 kg/h
3. Supóngase que en una planta de desalinización de ósmosis inversa se tratan 4000 kg/h de una disolución salina con un 4% en peso de sal, y que las condiciones de operación son tales que se obtienen 1200 kg/h de agua desalinizada con un 0,3% en peso de sales. Se desea calcular el caudal másico y la salinidad de la salmuera de rechazo. Solución: 2800 kg/h, 5,6%
4. Sea el siguiente diagrama de flujo donde cada corriente contiene dos componentes- A y B- en diferentes proporciones. Calcular los flujos desconocidos y sus composiciones para las corrientes 1, 2 y 3. 40 kg/h 30 kg/h 0,9kg A/kg 0,1 kg B/kg
100kg/h 0,5kg A/kg 0,5 kg B/kg
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0,6 kg A/kg 0,4 kg B/kg
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30 kg/h 0,3 kg A/kg 0,7 kg B/kg
Solución: Q1: 60 kg/h, Q2: 90 kg/h, Q 3: 60 kg/h, x1: 0,233 kgA/kg, x 2: 0,255 kgA/kg, x 3: 0,083 kgA/kg
5. Cuatro mil quinientos Kg por hora de una solución que contiene contiene 33.3 % de cromato potásico potásico en peso, se une a una corriente de recirculación que contiene 36.4% de cromato, y la corriente combinada se alimenta a un evaporador. La corriente concentrada que abandona el evaporador contiene 49.4% de cromato; se alimenta esta corriente a un cristalizador donde se enfría (precipitando cristales de cromato) y luego se filtra. La masa retenida en el filtro consiste de cristales de cromato y una solución que contiene 36,4 % de cromato en peso, los cristales forman 95% de la masa total retenida. La solución que atraviesa el filtro, también de una concentración de 36.4% de cromato, es la corriente de recirculación. Calcular el peso del agua eliminada en el evaporador, la velocidad de producción de cristales de cromato, y la proporción (kg de recirculación/kg de alimentación fresca), y los flujos de alimentación del evaporador y el cristalizador. Solución: Agua eliminada: 2952 kg/h, velocidad de formación cristales: 1472 kg/h, Proporción: 1,26; alimentación evaporador: 10152 kg/h, alimentación cristalizador: 7201 kg/h.
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6. Se produce acrilonitrilo por reacción del propileno, amoniaco y oxígeno: C3H6 + NH3 + 3/2 O2
C3 H3 N + 3 H 2O
La alimentación contiene en kgmoles, 10% propileno, 12% de amoniaco y 78% de aire. a) ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿En qué porcentaje se encuentran los otros en exceso? b) Calcular los kgmoles de C3H3N producidos por kg-mol de NH 3 alimentados para una conversión de 30% del reactivo limitante. Solución: a) Reactivo limitante: C 3H6, 20% NH3 y 9,3% O2. b) 0,25 kgmoles
7. Una solución acuosa de NaOH contiene 20% de NaOH en peso. Se desea producir una solución de NaOH al 8%, diluyendo una corriente de la solución a 20% con una corriente de agua pura. a) Calcular las proporciones g.H 2O/g. de solución de alimentación y g.de solución de producto/g. de solución de alimentación. b) Determinar los flujos de alimentación de la solución a 20% y del agua de dilución necesarios para producir 2310 lbm/min. de la solución al 8%. Solución: a) 1,5 y 2,5. b) 924 lb/min de flujo de alimentación y 1386 lb/min de agua.
8. Se quema metano con oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. Se alimenta a un reactor 150 kg-moles/h de una corriente de alimentación que consiste de 20% de CH4, 60% de O2 y 20% CO2 (% molar), produciéndose una conversión de 90% del reactivo limitante. Calcular la composición molar de la corriente de producto. Solución: CH4: 2%; O2: 24%; CO2: 38%; H2O: 36%.
9. Se quema etano con un 50% de aire en exceso. La conversión porcentual del etano es de 90%; del etano quemado, 25% reacciona para formar CO y el resto forma CO2. Calcular la composición de los gases de chimenea y la relación que existe entre el agua formada y los gases de chimenea secos. Solución: C2H6: 0,40%; O2: 2,11%; N2: 79,40%; CO: 1,81%, CO 2: 5,43%; H2O: 10,85%. Relación: 0,12.
10. Ha de proyectarse un horno para quemar coque a razón de 200kg/h. El coque tiene una composición de 89% de Carbono y 11% de inertes. La eficiencia de la parrilla es tal que se quema el 90% del carbono presente en la carga. Se suministra aire en exceso del 30% sobre el necesario para la combustión completa de todo el carbono. Se supone que el 97% del carbono se oxida a CO2 y el resto a CO. Se desea saber: a) Composición del gas de salida. b) Caudal de los gases de salida. Solución: a) Composición molar: O 2: 6,7%; N2: 78,8%; CO2: 14,1%; CO: 0,43%
b) 92,01 kgmoles/n
11. Un gas pobre obtenido de coque tiene la siguiente composición en volumen: CO 28%, CO2 3,5%, O2 0,5% y N2 68%. Este gas se quema con una cantidad tal de aire que el oxígeno del aire se encuentra en un 20% en exceso del oxígeno neto necesario para la combustión completa. Si la combustión se completa en un 98%, calcular el peso y la composición en tanto por ciento en volumen del producto gaseoso formado por cada 100 lb/h de gas de salida del horno. Solución: O2: 1,95 lb; N 2: 70,8 lb; CO2: 26,5 lb; CO: 0,306 lb % volumen: O2: 1,9%; N2: 78,9%; CO2: 18,8%; CO: 0,34%
12. Al reactor catalítico de una planta de fabricación de amoníaco se debe alimentar una mezcla de nitrógeno e hidrógeno en la proporción 1/3, para alcanzar una conversión del 25% a amoníaco. El amoniaco formado se separa por condensación y los gases no convertidos se recirculan al reactor. La mezcla inicial N2/H2 contiene un 0,2% de Argón, por lo que es necesario eliminarlo del proceso, purgándose continuamente. Suponiendo que ha de mantenerse la concentración de Ar en la entrada al reactor en un valor máximo del 5%, se desea calcular la fracción de la corriente de
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Fundamentos de Ingeniería Química recirculación que debe eliminarse continuamente como corriente de purga. Las composiciones vienen dadas en % molar. Solución: 1,64%
13. Un fuel gaseoso tiene la siguiente composición (% molar) y se quema con 10% de exceso de aire: CO2 O2
5.5 % 0.1%
CO 38.3 % H2 52.8 %
CH4 0.4 % N2 2.9 %
Determinar la composición de los gases de combustión del horno, la relación aire/fuel en volumen (condiciones normales) y el volumen de gases de combustión (a 110 ºC y 2 atm) formado por m 3 de fuel seco suministrado a 25 ºC y 2 atm. Solución: % volumen: O2: 1,56%; N2: 65,6%; CO2: 14,8%; H2O: 18,1% . Relación aire/fuel =2,42. Relación gases/fuel= 3,82.
14. Una corriente de aire a 100 ºC y 5260 mmHg contiene 10% en volumen de agua. a) Calcular el punto de rocío del aire y los grados de sobrecalentamiento del vapor de agua, b) Calcular el porcentaje del vapor que condensa y la composición final de la fase gaseosa si se enfría el gas a 80ºC a presión constante, c) Calcular la condensación porcentual y la composición final de la fase gaseosa si en vez de enfriarse el gas se comprime isotérmicamente hasta 8500 mmHg. Solución: a) Temp rocío: 90 0C, Grados: 100C; b) 35%. Fracción molar agua= 0,0675; c) 12%, Fracción molar agua= 0,0894.
15. Se pone en contacto 100 lb-moles por hora de una mezcla SO2- aire, que contiene 45 % mol de SO2, con agua líquida en un absorbedor continuo a 30ºC. Se analiza el líquido y se encuentra que contiene 2 libras de SO2 por cada 100 libras de agua. Suponiendo que las corrientes líquida y gaseosa que abandonan el equipo se encuentran en equilibrio a 30ºC y 1 atm, calcular la fracción de SO2 entrante absorbida en el agua y el flujo de agua requerido. Datos: Presiones parciales de equilibrio de H2O y SO2, 31.6 mmHg y 176 mmHg, respectivamente. Suponed que el aire de entrada está libre de humedad. Solución: 61% SO2 absorbido; 4549 lbmol/h.
16. Ciento cincuenta kilogramos por hora de una solución saturada de AgNO3 a 100ºC se enfrían a 20ºC, eliminándose los cristales formados mediante una filtración. La masa retenida en el filtro, que contiene 80% de cristales sólidos y 20% de solución saturada en peso, pasa a un secador en el cual se elimina el agua restante. Calcular la fracción del AgNO3 en la corriente de alimentación finalmente recuperada como cristales secos, así como la cantidad de agua que debe eliminarse en la etapa de secado. DATOS.
Solubilidad AgNO3 (20ºC) = 2,2 g/ g H2O Solubilidad AgNO3 (100ºC) = 9,52 g/ g H2O
Solución: 89,9%; 8 kg H 2O
17. Se mezclan 200 cm3 de una mezcla acetona-agua, que contiene10% en peso de acetona con 400 cm3 de cloroformo a 25ºC, y luego se permite decantar a las dos fases. ¿Qué fracción de acetona se transfiere del agua al cloroformo? DATOS. Densidad (25ºC) Acetona 0,792 g/ cm3 Cloroformo 1,489 g/ cm3 Agua 1,000 g/ cm3 Constante de reparto (25ºC) =1,72 (expresada en fracciones másicas). Solución: 86,1%
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Fundamentos de Ingeniería Química 18. Una mezcla gaseosa de acetona y aire (1,5% en peso de acetona) se trata en un absorbedor con 360 Kg de agua, obteniéndose una disolución de acetona en agua y 3852 m 3/h de aire exento de acetona, medidos a 15ºC y 2,5 atm. La disolución obtenida se somete a destilación obteniéndose la corriente de cabeza con 99% de acetona y la corriente de fondo con 5% de acetona. Calcular el % de la acetona inicial recuperada en cabeza. Solución: 89%.
19. Un gas procedente de una planta de tostación de piritas, cuya composición en volumen es: 8% SO 2, 15% O2, 76% N2 y 1% H2O se lava con agua en una columna de absorción. El gas abandona la columna a 298 K, saturado de agua y con un contenido en SO 2 del 0,48% en volumen. Sabiendo que el gas de tostación se alimenta a 353K y presión atmosférica y que el agua efluente contiene un 2,5% en peso de SO 2. Calcular: a) La composición del gas de tostación efluente en base seca y en base húmeda. b) El volumen del gas efluente por cada m 3 de gas tratado. c) La cantidad de agua necesaria para tratar un m3 de gas de tostación. Suponed que el O2 y N2 son incondensables e insolubles en agua. Solución: a) % volumen en base húmeda: SO 2: 0,48%; O2: 15,9%; N2: 80,5%; H2O: 3,1% % volumen en base seca: SO2: 0,49%; O2: 16,4%; N2: 83,1%; b) 0,8 m3; c) 371 moles/h
20. Se queman 250 moles/h de gas de petróleo licuado, el cual contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de n-butano en peso, utilizándose un 45% en exceso de aire. El butano, propileno y 90% de propano se consumen, no se encuentran trazas de CO en el producto gaseoso. Determinar la relación (moles de agua/moles de gases secos de chimenea) y el % molar de propano en los gases de chimenea sobre una base seca. Solución: Relación=0,109; 0,2 % molar.
21. En el horno de una caldera de vapor, se quema gas natural con un 20% en exceso de aire. El gas natural utilizado tiene la siguiente composición (% en peso): CH 4 (87,5%), C 2H6 (8,5%), C3H8 (2%), C4H10 (1%) y N 2 (1%). Calcular el caudal másico de gases de combustión por kg de gas natural quemado, suponiendo un rendimiento del 100% para todos los gases, excepto para el metano que es del 75%. Solución: 21,3 kg gases/kg gas natural.
22. El proceso de obtención de ácido sulfúrico por el método de contacto consta de dos etapas. En la primera etapa se tuesta pirita de hierro de una pureza del 90% en peso (FeS 2 ), con un 20% de exceso de aire sobre el estequiométrico para convertir todo el azufre en dióxido de azufre y todo el hierro en óxido férrico, de acuerdo con la siguiente reacción: 2FeS2(s) + 11/2O2(g) 4SO2(g) + Fe2O3(s) En la segunda etapa los gases resultantes de la primera (gases de tostación), pasan a un reactor catalítico adiabático en el que el dióxido de azufre se oxida a trióxido de azufre con una conversión del 80%. Calcular a) La composición (% molar) de los gases de tostación que se alimentan al reactor. b) El flujo molar de la corriente de salida del reactor. Solución: a) O2: 3,71%, N2: 82,9%, SO2: 13,4%.b) 10,22 Kgmol/h
23. Un horno quema aceite con aire seco a 25ºC y 1 atm. Suponiendo que el aceite contiene sólo carbón (87,6% en peso) e hidrógeno y que se opera con un 21% de aire en exceso. Calcular: a) Composición (% volumen) de los gases de salida. b) m3 de gases de combustión/kg de aceite a 25ºC y 1 atm. c) El gas de salida sale a 290 o C ¿está saturado? Solución: a) CO2: 11,6%; O2: 3,5%; N2: 75,1%; H2O: 9,8% b) 15,39 m3/kg
c) No está saturado.
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