Problemas TQ

TECNOLOGÍA QUÍMICA Relación de problemas curso 2015/2016

UNIVERSIDAD DE JAÉN Departamento Departamento de Ingeniería Química, Química, Ambiental y de los Materiales Materiales

1.-

En un evaporador se concentran 10000 kg/h de una disolución salina del 5 al 30% en peso. Calcular la cantidad de agua evaporada por hora.

2.-

Un cristalizador cristali zador se alimenta con 5600 kg/h de una disolución salina caliente calient e con 50% en peso de sal. Al enfriar cristaliza la sal y se separan una disolución fría saturada con 20% en peso de sal y unos cristales húmedos con 5% en peso de agua. Determinar el caudal de disolución de salida y la masa de cristales húmedos obtenidos por hora.

3.-

Se desea preparar una disolución al 50% en peso de una determinada sal por mezcla de dos disoluciones, una al 80% y otra al 98%, con agua. ¿Qué cantidades deben utilizarse para obtener 100 kg/h de la disolución al 50%, si de las disoluciones al 80% y al 98% se desea tomar igual cantidad?

4.-

Un evaporador se alimenta con 10000 kg/h de una disolución de KNO 3 al 20% en peso, la disolución concentrada que sale del evaporador con 50% en peso de KNO 3 se lleva a un cristalizador donde se enfría, cristalizando el KNO 3 y quedando unas aguas madres (disolución saturada fría con 0,6 kg de KNO 3 por kg de H 2O). La masa de cristales separados en el cristalizador contiene un 4% en peso de agua. Calcular los kg de sal húmeda producidos por hora.

5.-

El zumo de naranja fresco contiene un 12% (en peso) de sólidos y el resto de agua, mientras que el zumo de naranja concentrado contiene un 42% de sólidos. Se utilizó inicialmente un proceso de evaporación para concentrar el zumo, pero los componentes volátiles se escapaban con el agua, dejando el concentrado sin sabor. Se puede resolver este problema introduciendo una corriente de derivación con respecto al evaporador, de forma que una fracción del zumo fresco no pasa por dicha unidad. El zumo que entra al evaporador se concentra hasta que tiene un 58% en sólidos y el producto se mezcla con el contenido de zumo fresco de la corriente de derivación derivación para alcanzar la concentración final de sólidos deseada. Calcular: a) la cantidad de zumo concentrado producido por cada 100 kg/h de zumo fresco que se alimenta al sistema b) la fracción de la alimentación que se deriva del evaporador

6.-

En el proceso descrito en el problema 4, el porcentaje de KNO 3 de las aguas madres del cristalizador, 37,5%, es incluso superior al de la disolución que alimenta al evaporador, 20%, por lo que para un aprovechamiento integral del KNO 3 dicha corriente debe recircularse y mezclarse con la alimentación fresca del evaporador. Determinar los restantes caudales si se mantiene una alimentación de 10000 kg/h al sistema.

7.-

Suponga que en el proceso descrito en el problema 6 la alimentación alimentació n contiene una impureza del 1% en peso y que, para poder alcanzar el estado estacionario, es necesario, puesto que dicha impureza ni se evapora ni se cristaliza, derivar una corriente de purga de forma que, a la entrada del cristalizador, el porcentaje de impureza sea como máximo del 4%. ¿Cuáles serán las fracciones de purga y de recirculación respecto a la alimentación?

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UNIVERSIDAD DE JAÉN Departamento de Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales

8.-

Se quiere recuperar el benceno de una torta de filtrado que contiene el 20% de benceno y un 80% de sólidos inertes, calentándola con una corriente de nitrógeno en un secadero continuo en contracorriente. El nitrógeno entra seco y sale con 0,7 kg de benceno por cada kg de nitrógeno. Sabiendo que el sólido residual retiene el 4% en peso de benceno, determine los kg de nitrógeno que se utilizan por cada kg de sólido inerte y el porcentaje de benceno recuperado.

9.-

En una columna de destilación se obtiene etanol del 65% a partir de una disolución acuosa del 10% en etanol. Las corrientes de producto y alimentación están en una proporción 1:10 en peso. Determine la composición del residuo y el porcentaje de alcohol alimentado que se pierde en el residuo.

10.- Se desea preparar una disolución de sosa cáustica al 24% en peso, disolviendo NaOH sólido puro en agua. Debido al elevado calor de disolución de la sosa, se utiliza un sistema en dos etapas, como se muestra en la figura. Considerando que las pérdidas por evaporación en el primer tanque representan el 4% del agua que entra, calcule los kg de agua que entran al proceso por cada kg que se deriva a la segunda unidad. 11.- Un río que porta un caudal de 25 m 3/s y con una concentración en sales de 400 ppm recibe una descarga agrícola de 5 m 3/s con una concentración en sales de 2000 mg/l, que se mezcla y distribuye uniforme e instantáneamente. Una localidad situada aguas abajo toma el agua del río y la mezcla con un caudal de agua completamente libre de sales, para garantizar el suministro a la población de un agua con contenido en sales no superior a 500 ppm.¿Cuál deberá ser el coeficiente de mezcla entre el agua pura y la proveniente del río? 12.- En una fábrica de mermelada, la fruta triturada que contiene un 14% de sólidos solubles se mezcla con azúcar suficiente para dar una mezcla de 45 partes de fruta por 55 de azúcar, añadiéndose al mismo tiempo pectina, en una proporción de 210 g de pectina por cada 100 kg de azúcar. La mezcla se pasa a un evaporador intermitente, donde se elimina agua hasta que los sólidos solubles constituyen el 67% del producto. Calcular: a) los kg de mermelada que se obtienen por cada kg de fruta alimentada b) los kg de vapor que se eliminan en el proceso 13.- El efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales desemboca en un riachuelo. Las características de ambos se muestran en la siguiente tabla:

Parámetro Caudal DBO, mg/l Amoniaco, mg/l Nitratos, mg/l Cloruros, mg/l

Riachuelo 8640 m 3/día 25 7 10 15

Efluente 1,2 m3/s 2,1 0 3 5

Determinar las características del corriente resultante de la mezcla.

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14.- Un evaporador es alimentado continuamente con 25000 kg/h de una disolución que contiene 10% de NaCl, 10% de NaOH y 80% de H 2O (en peso). Durante la evaporación la disolución se satura de NaCl que cristaliza, quedando un concentrado que contiene 50% de NaOH, 2% de NaCl y 48% de H 2O. Calcular: a) kg de agua evaporados por hora b) kg de NaCl precipitados por hora c) kg de disolución concentrada producidos por hora 15.- Una columna de absorción de SO 2 se diseña para reducir el contenido de SO 2 en cierto aire desde el 60 al 30% en volumen, usando agua con un 5% en peso de SO 2 como líquido absorbente. La disolución acuosa sale de la columna con un 20% en peso de SO2. Si se emplean 1000 kg/h de disolución al 5%, ¿qué cantidad de gas será posible tratar? En caso de que parte de la disolución acuosa que abandona la columna se recircule, ¿con qué cantidad de agua deberá diluirse para obtener los 1000 kg/h de la disolución requerida al 5% de SO 2? 70% Aire 30% SO2

1000 kg/h 95% H2O 5% SO2

H2O

40% Aire 60% SO2

80% H2O 20% SO2

16.- En el proceso de fabricación de una vitamina se utilizan las etapas de centrifugación y filtración, con el objetivo de obtener un producto con una humedad del 4% en peso. A la salida de la centrífuga se obtiene agua y una corriente acuosa que contiene un 60% en peso de vitamina; por su parte, en el filtro se hace recircular una corriente, que contiene 0,4 kg de vitamina por cada kg de agua, que se mezcla con la alimentación fresca (1000 kg/h de una solución acuosa al 20% en peso en vitamina). Calcule la relación entre la recirculación y la alimentación fresca al sistema. 17.- En la fabricación de ácido nítrico se emplea una destilación como etapa final, en la que la concentración de ácido pasa del 60 al 99%. Para evitar la formación del azeótropo, que impediría la obtención de un ácido con concentración superior al 68%, es preciso utilizar ácido sulfúrico en la destilación, el cual se recupera y reutiliza, como se muestra en el esquema. Calcular, por cada 100 kg/h de ácido nítrico concentrado, los caudales del resto de las corrientes. Condensador HNO3, 60%

Columna de destilación

H2SO 4, 60% H2SO 4, 93%

-3-

HNO3, 99%

Evaporador

Agua



18.- Para recuperar la acetona contenida en una corriente de aire húmedo se utiliza un sistema formado por una columna de absorción y una torre de Agua Aire, C kg Destilado, D kg destilación. La absorción se realiza con A, kg Agua, 0,8% molar Acetona, 99% peso agua pura, de forma que, a la salida de esta unidad, la corriente acuosa Columna Columna contiene un 19% en peso de acetona, de de eliminándose por completo este absorción destilación componente de la corriente de aire. Residuo, E kg Acetona, 4% peso Posteriormente, la destilación produce un destilado y un residuo en los que las Aire, B kg concentraciones respectivas de Agua, F kg Acetona, 3% molar acetona son del 99 y del 4% en peso. Agua, 2% molar Acetona, 19% peso Calcule: a) El porcentaje de acetona recuperado en el destilado con relación a la cantidad que entra al proceso b) Los caudales de destilado y residuo por cada 100 kg/h de aire tratado Pesos moleculares: acetona, 58; agua, 18; aire, 29 g /mol 19.- Una columna de destilación se utiliza para separar 118,45 kmol/h de una mezcla que contiene 54,1% de benceno y el resto de tolueno (en moles). El producto recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene un 95% en peso de benceno, mientras que el residuo contiene un 96% en peso de tolueno. El caudal de vapor que entra al condensador es de 8000 kg/h; una fracción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, mientras que la otra constituye el destilado. a) Determine la relación entre la cantidad de reflujo y el destilado. b) ¿Qué tipo de balances ha empleado? Justifique la respuesta. Datos: Pesos moleculares: benceno, 78; tolueno, 92 g/mol 20.- En un reactor catalítico se deshidrogenan 5000 kg/h de butano según la reacción: C4H10 → C4H8 + H2 obteniéndose una conversión por paso del 5%. El reactivo sin consumir se recircula y mezcla con el butano fresco, mientras que se separan una corriente de buteno puro y otra de gas residual formada por un 15% de butano, un 10% de buteno y un 75% de hidrógeno. Determine: a) moles de gas residual por mol de alimentación fresca b) caudal molar de buteno obtenido c) moles recirculados por mol fresco alimentado 21.- El esquema de la figura muestra un proceso de obtención de NO en el que se utiliza la -4-



reacción entre amoniaco gaseoso y oxígeno en un exceso del 20% sobre el estequiométricamente necesario. La reacción que tiene lugar es: 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H 2O alcanzándose una conversión por paso en el reactor, referida al amoniaco, del 70%. Determine: a) moles de NO formados por cada 100 moles de alimentación fresca b) moles de NH 3 recirculados por cada mol de NO formado. R, NH3

A, NH3

B, H2O MEZCLADOR

REACTOR

20% exc. O2

SEPARADOR C, O 2

P, NO

22.- A una caldera se alimentan 100 mol/h de butano (C 4H10) y 5000 mol/h de aire. Suponiendo que la combustión es completa, determine el porcentaje en exceso de aire utilizado y la composición de los gases de salida en base seca. 23.- Se quema propano con aire en un exceso del 50% sobre el requerido para la combustión completa. Determine la composición de los gases de salida en base seca. 24.- En una planta industrial se obtienen 1000 kg/h de yoduro de metilo mediante la reacción: IH + CH3OH → CH3I + H2O La conversión por paso en el reactor es del 50% con respecto al IH. La mezcla que sale del reactor se separa por destilación en el producto final, de composición 81,6% en peso de CH3I y 18,4% de CH3OH, y en una corriente que contiene 82,6% en peso de IH y el resto H2O; esta última corriente en parte se recicla y en parte se purga con objeto de que no aumente la concentración de agua en el reactor. Determine el caudal másico de la corriente de recirculación. 25.- Puede obtenerse plata metálica por reacción entre el sulfato de plata y cobre, según la reacción: Ag2SO4 + Cu → CuSO4 + 2 Ag Posteriormente, el sulfato que no ha reaccionado se separa de los productos y se recircula. La conversión por paso en el reactor es del 75% y la corriente de producto contiene un 90% en peso de plata y un 10% en peso de cobre. a) Determine el porcentaje de exceso de Cu utilizado b) ¿Qué tipo de balances ha utilizado? Justifique la respuesta 26.- El benceno reacciona catalíticamente con cloro para formar una mezcla de mono y -5-



diclorobenceno. A partir de una tonelada de benceno puro se obtiene un producto que contiene un 49,2% en peso de mono y 29,6% de diclorobenceno, siendo el resto benceno sin reaccionar. El gas generado, que contiene 92% de HCl y 8% de Cl2 sin reaccionar, sale del reactor a 82ºC y 780 mm Hg. Calcular: a) El volumen de gas que sale del reactor en condiciones normales b) El peso del producto líquido c) El porcentaje en exceso del cloro añadido, basado en la producción de monoclorobenceno 27.- La planta que se representa en el esquema utiliza H 2 para reducir 1 Tm/h de Fe 2O3 a hierro metálico según la reacción: Fe 2O3 + 3 H2 ──── 3 H2O + 2 Fe Se supone una conversión del 100%; en el separador se elimina la totalidad del agua producida. La alimentación fresca conteniendo H 2 y CO2 se mezcla, antes de entrar en el reactor, con una corriente de recirculación, R, que contiene H 2 y CO2. Con el fin de evitar que se sobrepase el 2,5% de CO 2 a la entrada del reactor, se retira una corriente de purga, P. La relación de recirculación, R, a la alimentación fresca, F, es de 4 a 1. Calcular las cantidades y composiciones de las corrientes de purga y recirculación. Fe 2O 3 99 % H 2 1 % CO 2 F

97,5 % H2 2,5 % CO 2 F´

REACTOR

A B

SEPARADOR

H 2O

Fe P

R

28.- Una disolución de Na 2CO3 (14,88% de Na 2CO3, 0,59% de NaOH y 84,53% de H 2O) se convierte en cáustica por adición de una cal comercial parcialmente apagada. La cal contiene sólo CaCO 3 como impureza. La masa obtenida de la conversión a cáustica dio el siguiente análisis: CaCO3............ 13,48% Na2CO3 ........ 0,61% H2O .......... 75,27% Ca(OH)2 ........... 0,28% NaOH ........ 10,36% Calcular: a) El peso de la disolución cargada por cada 100 kg de masa convertida en cáustica. b) El peso de cal cargada por 100 kg de masa convertida en cáustica y la composición de la cal. c) El reactivo que está presente en exceso y su porcentaje de exceso. d) El grado de conversión de la reacción.

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29.- La reacción del tetrabromuro de etilo con cinc en polvo se lleva a cabo según el siguiente diagrama: R, C2H 2Br 4

A C2H 2Br 4

D, ZnBr 2 MEZCLADOR

REACTOR

B, Zn

SEPARADOR

E, C2H2

C, Zn

La reacción ajustada es: C 2H2Br 4 + 2 Zn → C2H2 + 2 ZnBr 2. En el reactor, que se alimenta con un 20% en exceso de Zn, se alcanza una conversión por paso del 80%. Determine, para una alimentación al reactor de 1000 kg/h de tetrabromuro de etilo: a) los moles recirculados por cada mol de alimentación fresca b) los kg/h de C 2H2 producidos c) los kg/h de Zn que se alimentan al reactor. 30.-

Una mezcla binaria ideal que contiene un 60% molar de componente más volátil y cuya volatilidad relativa puede admitirse constante e igual a 1,77, se somete a destilación simple continua o de equilibrio. Determine la composición del destilado y del residuo cuando se ha destilado el 50% de la alimentación.

31.-

En el hogar de una caldera se queman a presión atmosférica 1000 kg/h de un carbón que contiene un 92% de carbono y un 8% de hidrógeno (en peso), con aire seco que se introduce con un 10% en exceso sobre el requerido para la combustión completa. Si tanto el carbón como el aire entran en el hogar a la temperatura de 100ºC y los gases de combustión salen a 600ºC, calcule: a) la composición en base seca de los gases de salida b) el calor desprendido en el hogar de la caldera. c) el caudal de agua que se puede calentar desde 15 hasta 70ºC. DATOS: cp del carbono = 0,3 kcal/kg·ºC; c p del agua = 1 kcal/kg· ºC. Para otros datos necesarios utilice las tablas correspondientes.

32.-

Se dispone de una instalación de producción de vapor capaz de generar 5000 kg/h de vapor saturado a 8 kg/cm 2 de presión. Utilizando este vapor como agente de calefacción, se pretende concentrar por evaporación una disolución de NaOH desde el 10% en peso al 35% en peso. Sabiendo que el evaporador opera a la presión atmosférica y que la alimentación se encuentra a 20ºC, determine el caudal de disolución concentrada obtenido.

33.-

En el horno de una caldera de vapor se quema un gas combustible con la siguiente composición: CH 4 85%, C2H6 10%, N2 5%. Se utiliza un exceso de aire del 20% sobre el estequiométricamente necesario y se introduce, al igual que el gas, a 373 K; los gases de combustión abandonan la caldera a 873 K. Calcule la cantidad de calor -7-



desprendido. Datos para una temperatura de referencia de 273 K: CH4 C2H6 (373K) (373K)

N2 (373K)

N2 (873K)

O2 (373K)

O2 H2O CO2 (873K) (873K) (873K)

c p ,cal/(mol·K)

8,66

6,94

7,17

7,05

7,59

8,64

10,95

∆H R ,T

-191,8 -300,1

-

-

-

-

-

-

−

R

, kcal / mol

11,27

34.-

Un gas combustible que contiene 40% de metano (CH 4), 40% de etano (C 2H6) y el resto de nitrógeno se alimenta a 200ºC a una caldera en la que se quema con aire, que se introduce a 300ºC y en un exceso del 50% sobre el necesario. Los productos de la combustión salen a 600ºC. Determine la composición en base seca de los gases de salida y el calor desprendido.

35.-

Se desean concentrar 15000 kg/h de una disolución coloidal desde el 20% hasta el 60% en peso en un evaporador simple. La entalpía de la alimentación es 18,4 kcal/kg y la de la solución concentrada 45,35 kcal/kg. Considerando que la disolución no experimenta aumento apreciable en el punto de ebullición y que la presión absoluta en la cámara de evaporación es de 147 mm Hg, determine: a) el caudal de vapor de calefacción necesario, si entra como vapor saturado a 1,8 kg/cm2 y sale como líquido saturado b) el caudal de calor intercambiado

36.-

El sistema ciclohexano-n-heptano, cuya volatilidad relativa puede suponerse constante e igual a 1,65, se somete a una destilación continua o de equilibrio. Si se alimentan 150 kmol/h de una mezcla de composición 40%, en moles, de ciclohexano, determinar la composición del líquido residual cuando se evapora el 30% de la alimentación. En el caso de que se deseara obtener un vapor de composición 50% en moles de ciclohexano, ¿cuál sería el caudal molar de vapor disponible?

37.-

Una mezcla líquida de benceno y tolueno se somete a destilación súbita por expansión en una cámara adiabática a 360K y 1 atm. El alimento, que contiene un 70% en moles de benceno, se desdobla en una corriente de vapor (60%) con una fracción molar de benceno del 76% y otra líquida (40%), ambas en equilibrio. Calcular la temperatura de la corriente de alimentación.

Benceno Tolueno

Tª eb. (K)

λ, calor latente vap. (kJ/kg)

353,1 383,6

394,0 363,4

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cp (kJ/kg·K) (273-423K) Líquido 1,758 1,842

Vapor 1,298 1,423



38.- Un evaporador se alimenta con 15000 kg/h de una disolución al 10% en peso y se desea concentrarla hasta el 55% en peso. La temperatura de entrada de la alimentación es de 20ºC y la temperatura de ebullición de la disolución es de 120ºC. Si como fluido calefactor se emplea vapor de agua a 3 kg/cm 2 de presión absoluta, calcular el caudal de vapor necesario. Datos: se supone constante el calor específico de la disolución (0,7 kcal/kg·ºC) y que no existe aumento apreciable en el punto de ebullición de la disolución. Calor desprendido en el evaporador: 100 kcal/h. Calor latente de vaporización a la presión de 3 kg/cm2, 517 kcal/kg. Entalpía del vapor saturado a 120ºC (respecto de 0ºC), 646 kcal/kg. 39.- Un gas seco tiene la siguiente composición porcentual: CH 4, 55; C2H6, 5; H2, 10; N2, 10; CO, 10; CO2, 5; y O2, 5. Este gas se quema en un horno con un 20% en exceso, sobre el valor teórico para la combustión total, utilizando un aire enriquecido de composición 40% en O 2 y 60% de N2. Los productos de combustión contienen CO 2 y CO en razón molar 7:1. Calcule la composición volumétrica de los gases de salida. 40.- La reacción A→2B se lleva a cabo con una selectividad del 100% y una conversión por paso del 75%. La mezcla que abandona el reactor se separa en una corriente formada por un 5% en moles de A y otra corriente que contiene un 5% en moles de B. Esta segunda corriente se recircula y se mezcla con el reactivo A puro. Calcular el caudal de la corriente de recirculación por cada 100 moles/h de A puro fresco. 41.- Una disolución de un coloide orgánico se concentra en un evaporador de simple efecto. La alimentación (50.0000 kg/h con una concentración del 10%) se encuentra a 20ºC y tiene una capacidad caloríofica media de 0,9 kcak/kg·ºC. Para la evaporación se utilizan 30.000 kg/h de un vapor saturado a 5 kg/cm 2, mientras que en la cámara de evaporación la presión es de 114 mm Hg. No existe aumento apreciable en el punto de ebullición. Calcule la composición de la disolución concentrada a la salida del evaporador. 42.- Una mezcla ideal de dos componentes A y B, cuya volatilidad relativa puede considerarse constante e igual a 2, se somete a destilación continua de equilibrio. Si la mezcla alimento tiene una composición de 55% en moles de A y se introduce con un caudal de 60 kmol/h, calcule: a) la fracción de la mezcla alimento que debe destilarse para obtener un vapor de 65% en moles de A. b) si se deseara obtener un caudal de vapor de 30 kmol/h ¿cuál sería su composición? 43.- En un reactor catalítico tiene lugar la siguiente reacción: C4H8 →2C2H4 con una conversión por paso del 60%. La mezcla que abandona el reactor se separa en dos corrientes. Una contiene un 95% en peso de C 2H4 y un 5% de C 4H8. La otra corriente, formada por un 90% en peso de C 4H8, se recircula y se mezcla con la alimentación fresca. Determine el caudal de la corriente de recirculación por cada 100 mol/h de C4H8 de alimentación fresca. -9-

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