PRIMER p. VACACIONAL DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

1. Una serie de dos evaporadores de azúcar opera con 120 toneladas de azúcar puro por cada 24 hr, las cuales se cargan a los evaporadores en la forma de una solución al 38% y se descargan a modo de una solución al 74% (VALOR 1.5).

a. ¿Qué cantidad de agua evaporan estas unidades por día, si el segundo evaporador evapora el doble del primero?

b. ¿Cuál es la concentración de azúcar en la corriente intermedia?

2. Un gas que contiene partes iguales (sobre una base molar) H2, N2 y H2O, pasa a través de una columna de pastillas de cloruro de calcio que absorben el 80% del agua y ninguno de los otros gases. El empaque de la columna se encontraba inicialmente seco y tenía una masa de 2 Kg. Después de 7 horas de operación continua se vuelven a pesar las pastillas y se encuentra que tienen una masa de 2.21 Kg (VALOR 2).

a. Calcula la velocidad de flujo molar (mol/h) del gas de alimentación. b. La fracción mol del vapor de agua en el producto gaseoso.

3. La alimentación a un sistema de destilación de dos columnas es de 30000 lb/h de una mezcla que contiene 50% de benceno (B), 30% de tolueno (T) y 20% de xileno (X). La alimentación se introduce a la columna I y resulta en un destilado con 95% de benceno, 3% de tolueno y 2% de xileno. Los fondos de la columna I se alimentan a la segunda columna, de la cual se obtiene un destilado con 3% de benceno, 95% de tolueno y 2% xileno. Suponga que 52% de la alimentación aparece como destilado en la primera columna y que 75% del benceno alimentado a la segunda columna aparece en el destilado de ésta (VALOR 1.5).

a. Calcule las composiciones de los fondos de la I y II columnas.b. Calcule todos los flujos de las corrientes.

PRIMER P. VACACIONAL DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Un flujo de alimentación debe consistir en 1000 Kg/h de un gas que contiene 25% en mol de N2 y el resto H2. El flujo se obtiene mezclando los gases de dos tanques A y B. Los gases en ambos tanques son mezclas de nitrógeno e hidrogeno con fracciones molares de nitrógeno XA y XB respectivamente. Supóngase que XA = 0.10 y XB = 0.50. Calcule las velocidades de flujo molar requeridas (Kmol/h) de las dos mezclas de gases. (VALOR 1.5).

2. El hipoclorito de sodio se forma de acuerdo con la reacción

2NaOH + Cl2 NaOCl + NaCl + H20

en un reactor continuo, burbujeando Cl2 a través de una solución concentrada (40% en masa) de NaOH. La corriente de salida en el reactor entra a un sistema de separación, donde se separa todo el cloruro de sodio y el agua. Suponga que la solución de NaOH en H20 se alimenta a razón de 1000 Kg/h y el gas Cl2 a razón de 10 Kgmol/h.(VALOR 1.5)

a. Calcule los grados de libertad, suponiendo que se especifica la conversión.(0.5)

b. Determine cual es el reactivo limite.(0.5)c. Calcule la composición de salida del reactor al igual que las

composiciones en las corrientes de salida del separador para una conversión del 65% del reactivo limitante.(1)

3. Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 90% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 2)

SEGUNDO P. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. El ácido fluorhídrico (HF) se puede fabricar tratando fluoruro de calcio (CaF2) con ácido sulfúrico (H2SO4). Una muestra de fluorospato (la materia prima) contiene 75% en peso de CaF2 y 25% de materiales inertes (no reactivos). El ácido sulfúrico puro que se emplea en el proceso representa el doble de la cantidad de fluoruro de calcio. La mayor parte del HF producido sale de la cámara de reacción en forma de gas, pero también se saca de la cámara una torta sólida que contiene el 5% del HF formado, además de CaSO4, materiales inertes y ácido sulfúrico, que no reaccionó. Para 1000 Kg de fluorospato (VALOR 1.5)

a. ¿Cuántos kilogramos de torta sólida se producen?b. Determine la concentración de la torta

2. Se están contemplando combustibles distintos de la gasolina para los vehículos de motor porque generan niveles más bajos de contaminantes que la gasolina. Se ha sugerido el propano comprimido como fuente de potencia económica para vehículos. Suponga que en una prueba se queman 20 kg de C3H8, con 400 kg de aire (O2= 21%; N2= 79%) para producir 12 kg de CO (Solo se produce cuando la combustión no es completa). (VALOR 2.0)

a. ¿Cuál fue el porcentaje de oxigeno en exceso?b. Determine la composición de los flujos de salida

3. La generación de biogas rico en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos, y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. Es más, en la Comunidad Europea (CE) las plantas de biogas están exentas de los impuestos de energía y de carbón, lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial. Consideremos sólo la combustión del metano. La figura muestra un proceso de combustión simple, cuyos detalles mecánicos podemos ignorar. (VALOR 1.5)

a. Determinar las variables desconocidasb. Determinar la cantidad de oxigeno en exceso utilizado

"Los grandes hombres se forman a partir de sus grandes pensamientos". Anónimo.

T. P. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Un material que contiene 75% de agua y 25% de sólidos se alimenta a un granulador a razón de 4000 kg/h. La alimentación se mezcla en el granulador con producto reciclado de una secadora que sigue al granulador (a fin de reducir la concentración de agua en el material del granulador a 50% de agua, 50% de sólido). El producto que sale del secador tiene 16.7% de agua. En el secador, se hace pasar aire sobre el sólido que se esta secando. El aire que ingresa en el secador contiene 3% en peso (masa) de agua, y el aire que sale del secador contiene 6% en peso (masa) de agua (Valor 1.5).

a) ¿Cuál es la razón de reciclaje al granulador?b) ¿Cuál es la velocidad de flujo de aire al secador en base seca?

2. En un proceso catalítico para síntesis de un gas rico en hidrocarburos, se convierte un gas (cuya composición es 0.8 % de CH4, 7.6% de CO2, 35.2% de CO, 51.9% de H2, 4.0% de N2 y 0.5% de O2), a otro gas que contiene 15% de CO2 y 0.1% de CO, y que contiene además CH4, H2, N2 y H2O. Calcule la composición del gas producto (Valor 2.0).

3. Se quema con aire una corriente de desperdicio, de composición (en base molar): 25% de A3D3, 15% de HD, 10% de A2B, y el resto HAD2. Si los productos estables de la combustión son H2O, AO2, DO2 y BO, (Valor 1.5).

a) Calcule la cantidad de aire necesario para 100 moles de corriente de desperdicio.b) Calcule la composición de los productos de combustión.

SUPLE. T. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Un combustible de composición desconocida se quema con aire. Se analiza el gas de combustión y se encuentra que contiene 8.4% de CO2, 1.2% de CO, 4.2% de O2 y el resto N2. La cantidad de aire equivale a 4 veces la cantidad de agua producida en la reacción. Si se sabe que el combustible contiene metano, etano y N2, calcule (VALOR 2.0):

a) La cantidad de aire utilizadob) La composición del combustible

2. Un gas que contiene 30% de CS2, 26% de C2H6, 14% de CH4, 10% de H2, 10% de N2, 6% de O2 y 4% de CO, se quema con aire. El gas de combustión contiene 3% de SO2, 2.4% de CO y cantidades desconocidas de CO2, H2O, O2

y N2 (VALOR 1.5).

a) Calcule la cantidad de aire utilizadob) Halle la composición de los gases de combustión faltantes.

3. En el procesamiento del pescado, una vez que se extrae el aceite, la torta de pescado se seca en secadores de tambor rotatorio, se muele finamente y se empaca. En un lote dado de torta de pescado que contiene 80% de agua (el resto es torta seca), se eliminan 100 kg de agua, y se determina entonces que la torta de pescado tiene 40% de agua (VALOR 1.5).

a) Calcule el peso de la torta de pescado que se introdujo originalmente en el secador.b) Si el porcentaje proteína presente en la parte sólida es del 65%, calcule el valor de ésta para el producto seco.

C. P.DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Se permite que el contenido de un tanque (que corresponde a 1 Kg de vapor a 600 ºC y 15 bar) fluya hacia un tanque inicialmente vacío, de igual capacidad, hasta que la presión en ambos tanques es la misma. El proceso ocurre isotérmicamente (VALOR 2.0).

a) Calcular la presión final en el sistema combinado de dos tanques.b) Calcular la cantidad de calor necesario.

2. Un tanque cuyo volumen se desconoce se divide en dos partes por medio de una separación. Un lado del tanque contiene 0.01 m³ de agua que es un líquido saturado a 0.8 Mpa, en tanto que se vacía al otro lado. Después se elimina la separación y el agua llena todo el tanque. Si el estado final del agua es 47 ºC y 0.01 Mpa, determine el volumen del tanque (VALOR 1.5).

3. Un proceso antiguo para la producción de ácido clorhídrico requiere de calentar una mezcla de NaHSO4 y NaCl en un horno especial. Cuando se ha efectuado la reacción, el Na2SO4 residual permanece como sólido, en tanto que el HCl se recupera en forma gaseosa. Si la reacción sigue la estequiometría (VALOR 1.5)

NaHSO4 + NaCl → Na2SO4 + HCl

y se alimentan los reactivos en proporciones estequiométricas, calcule

a) La cantidad y composición de los sólidos residuales.b) La cantidad de ácido clorhídrico que se evapora.

“El que posee entendimiento ama su alma; el que guarda la inteligencia hallará el bien” Proverbios 19:8

HABILITACIÓN DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

Tanque 1 Tanque 2V1 =V2

AguaV = 0.01 m³P = 0.8 MPa Evacuado

1. La acetona se utiliza en la fabricación de muchas sustancias químicas y también como disolvente. En esta última aplicación, la liberación de vapor de acetona al ambiente está sujeta a muchas restricciones. Se nos pide diseñar un sistema de recuperación de acetona con un diagrama de flujo como el de la figura. Todas las concentraciones que se muestran en esa figura, tanto para gases como para líquidos, se especifican en porcentaje en peso en este caso en especial a fin de simplificar los cálculos. Calcule A, F, K, B y D por hora, sí la cantidad de aire de entrada (G) es de 1400 Kg (VALOR 1.0).

2. El azúcar refinada (sacarosa) se puede convertir en glucosa y fructosa mediante el proceso de inversión

La combinación de glucosa y fructosa se denomina azúcar invertido. Si ocurre una conversión del 90% de la sacarosa en una pasada por el reactor, ¿cuál será el flujo de reciclaje por cada 100 Lb de alimentación nueva de la disolución de sacarosa que entra en el proceso como se muestra en la figura? ¿Cuál será la concentración de azúcar invertido en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto? Las concentraciones de los componentes en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto son las mismas (VALOR 1.5).

3. Vapor de agua (que sirve para calentar una biomasa) entra en la cámara de vapor de agua (que esta separada de la biomasa) de un reactor a 250 ºC, saturado, y se condensa por completo en la cámara. La velocidad de pérdida de calor de la cámara de vapor de agua hacia el entorno es de 1.5 kJ/s. Los reactivos se colocan en el recipiente a 20 °C y al final del calentamiento el material está a 100 °C. Si la carga consiste en 150 kg de material con una capacidad calorífica media de Cp = 3.26 J/(g)(K), ¿Cuántos kilogramos de vapor de agua se necesitan por kilogramo de carga? La carga permanece en el recipiente de reacción durante 1 h (VALOR 2.5).

PRIMER P. V. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1

23

4A 40%K

A W

A K

A 4%W

1. Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semilla de algodón, usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias (Ver figura). Conociendo una alimentación de semilla de algodón cruda que consiste (en peso) en: 14% de material celulósico, 37% de pasta y 49% de aceite. Calcular la composición del extracto de aceite que se obtendrá utilizando 3 Lb de hexano por cada Lb de semilla cruda.

2. Se procesa una mezcla de alcohol y acetona (que contiene 40% de alcohol) con lavados sucesivos de agua para eliminar el alcohol. El agua de lavado utilizada contiene 4% en peso de alcohol. El agua y la acetona son mutuamente insolubles. La distribución de alcohol (A) entre las corrientes de cetona (K) y agua (W) está dada por:

Si se utilizan 150 lb de la corriente 2 por cada 200 lb de mezcla de alimentación, calcule ¿Cuántos lavados se necesitan para eliminar el 98% del alcohol original (Ver figura)

3. Como se muestra en el diagrama de flujo de la figura, en un molino de papel Kraft se utiliza un espesador a contracorriente que consiste en tres etapas para lavar un lodo “lodo blanco” que contiene 35% de sólidos (CaCO3) y 17% de NaOH en agua. Se utilizan dos corrientes de lavado: la primera (corriente 5) contiene 4% de sólidos en suspensión, 6% de NaOH y el resto agua, mientras que la segunda (corriente 8) no lleva sólidos, contiene 2% de NaOH y el resto agua. Los líquidos claros de las etapas I y II contienen 0.5% de sólidos en suspensión; el líquido claro de la etapa III 0.4% de sólidos. El flujo del líquido de lavado a la etapa II (corriente 5) es 1.5 veces mayor que el flujo del lodo de alimentación (corriente 1), y el lodo lavado de la etapa II contiene una tercera parte de sólidos. El lodo lavado de la tercera etapa

Semillas crudas

Hexano

Extracto de aceite Aceite Hexano

Pasta pura de

Material

Proceso

(corriente 9) contiene 32.5% de sólidos y 2.5% de NaOH, y los flujos de las corrientes 7 y 9 son iguales. Todas las composiciones están dadas en base masa: Supóngase que en cada etapa, la solución clara y la solución acarreada en el lodo lavado tiene la misma concentración.

SEGUNDO P.V. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. El solvente éter etílico se fabrica industrialmente mediante la deshidratación del alcohol etílico, usando ácido sulfúrico como catalizador (ver figura):

2C2H5OH → (C2H5)2O + H2O

Suponiendo que la recirculación es la mitad de la alimentación al proceso, que el flujo de alimentación es de 1000 kg/h de solución de alcohol (que contiene 85% en peso de alcohol), y que la solución de alcohol recirculada tendrá la misma composición que la alimentación, calcule la velocidad de producción de éter, las pérdidas de alcohol en la corriente 6, la conversión en el reactor y la conversión para el proceso.

2. El superfosfato se produce por la reacción de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, de acuerdo con

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 → CaH4(PO4)2 + 2CaSO4

REACTOR

Recuperación de producto

Recuperación de reactivos

Éterpuro

85% Alcohol15% H2O

1% Alcohol99% H2O

1

21

3

4

5

6

Si se hacen reaccionar 20000 kg/día de fosfato de calcio crudo (que contienen 14% de impurezas inertes) con 15000 kg/día de H2SO4 al 92%, determine la velocidad de producción, suponiendo que la reacción se completa en 95% ¿Cuál el reactivo limitante? ¿Determinar las variables del proceso?

3. La generación de biogás rico en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos, y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. Es más, en la Comunidad Europea (CE) las plantas de biogás están exentas de los impuestos de energía y de carbón, lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial. Consideremos sólo la combustión del metano. La figura muestra un proceso de combustión simple, cuyos detalles mecánicos podemos ignorar.

Determinar las variables desconocidas

P. p. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Un gas que contiene partes iguales (sobre una base molar) H2, N2 y H2O, pasa a través de una columna de pastillas de cloruro de calcio que absorben el 97% del agua y ninguno de los otros gases. El empaque de la columna se encontraba inicialmente seco y tenía una masa de 2 Kg. Después de 6 horas de operación continua se vuelven a pesar las pastillas y se encuentra que tienen una masa de 2.21 Kg (VALOR 1).

a. Calcula la velocidad de flujo molar (mol/h) del gas de alimentación. b. La fracción mol del vapor de agua en el producto gaseoso.

2. Una unidad de destilación que consiste en dos columnas se alimenta con una mezcla liquida que contiene 30% en mol de benceno, 25% de tolueno y el resto xileno, a una velocidad de 1275 kmol/h. El producto inferior de la primera columna contiene 99% en mol de xileno y nada de benceno; en este flujo se recupera el 98% del xileno de la alimentación. El producto superior de la primera columna alimenta la segunda columna. El producto superior de la segunda contiene 99% en mol de benceno y nada de xileno. El benceno recuperado en este flujo representa el 96% del benceno en la alimentación de esta columna (VALOR 1.5).

a. Calcule el flujo de fondos de la segunda columna y sus respectivas fracciones.b. Calcule el flujo superior de la primera columna y sus respectivas fracciones.

3. Como se muestra en el diagrama de flujo de la figura, en un molino de papel Kraft se utiliza un espesador a contracorriente que consiste en tres etapas para lavar un lodo “lodo blanco” que contiene 35% de sólidos (CaCO3) y 17% de NaOH en agua. Se utilizan dos corrientes de lavado: la primera (corriente 5) contiene 4% de sólidos en suspensión, 6% de NaOH y el resto agua, mientras que la segunda (corriente 8) no lleva sólidos, contiene 2% de NaOH y el resto agua. Los líquidos claros de las etapas I y II contienen 0.5% de sólidos en suspensión; el líquido claro de la etapa III 0.4% de sólidos. El flujo del líquido de lavado a la etapa II (corriente 5) es 1.5 veces mayor que el flujo del lodo de alimentación (corriente 1), y el lodo lavado de la etapa II contiene una tercera parte de sólidos. El lodo lavado de la tercera etapa (corriente 9) contiene 32.5% de sólidos y 2.5% de NaOH, y los flujos de las corrientes 7 y 9 son iguales. Todas las composiciones están dadas en base masa: Supóngase que en cada etapa, la solución clara y la solución acarreada en el lodo lavado tiene la misma concentración.

a. Calcúlese la concentración de NaOH en la corriente 4. Explicar la estrategia de resolución (VALOR 2.5).

SEGUNDO p. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Agua de mar, que contiene 4% en peso de sal, pasa a través de una serie de cinco (4) evaporadores. En cada una de las etapas se evapora la misma cantidad de agua, que después se condensa y se combina para obtener un flujo de productos que es agua pura. La salmuera a la salida del último evaporador contiene 7% en peso de sal. Si el proceso se alimenta con 35000 Kg/h de agua de mar, calcula (VALOR 2.0):a. El rendimiento fraccionario de agua purab. El porcentaje en peso de sal que sale del tercer evaporador

2. En la producción de aceite de fríjol se alimenta un tanque de agitación con frijoles triturados que contienen 10% en peso de aceite y 90% de sólidos, suspendidos en n-hexano líquido. El cociente de alimentación es de 3 Kg de hexano/kg de fríjol. El hexano extrae casi todo el aceite de los frijoles. El flujo de salida del tanque de agitación pasa a un filtro. El precipitado contiene 75% en peso de frijoles sólidos, y el resto aceite de fríjol y hexano, estos últimos en la misma relación con que salieron del tanque de agitación. El precipitado se desecha, y el filtrado se alimenta a un evaporador al vacío, donde se evapora el hexano y, por lo tanto, se separa el aceite. Posteriormente, el vapor de hexano se condensa, se envía y mezcla con el hexano fresco cargado al tanque de agitación (VALOR 1.5).

a. Calcula el rendimiento de aceite de fríjol (Kg de aceite/kg de fríjol en la alimentación)b. La alimentación de hexano puro (kg de hexano/kg de fríjol en la alimentación)

3. En el procesamiento del pescado, una vez que se extrae el aceite, la torta de pescado se seca en tres (3) secadores de tambor rotatorio, se muele finamente y se empaca. El segundo evaporador elimina el doble de agua del primero y el tercero elimina la misma cantidad del primero. En un lote dado de torta de pescado que contiene 80% de agua (el resto es torta seca), se eliminan 100 kg de agua, y se determina entonces que la torta de pescado tiene 40% de agua (VALOR 1.5).

a) Calcule todas las variables desconocidas en el proceso.b) Si el porcentaje proteína presente en la parte sólida es del 65%, calcule el valor de ésta para el producto seco.

T. P.DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. El azúcar refinada (sacarosa) se puede convertir en glucosa y fructosa mediante el proceso de inversión

La combinación de glucosa y fructosa se denomina azúcar invertido. Si ocurre una conversión del 90% de la sacarosa en una pasada por el reactor, ¿cuál será el flujo de reciclaje por cada 100 Lb de alimentación nueva de la disolución de sacarosa que entra en el proceso como se muestra en la figura? ¿Cuál será la concentración de azúcar invertido en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto? Las concentraciones de los componentes en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto son las mismas (VALOR 1.5).

2. Dos combustibles se mezclan y se queman con 200 kg de aire para producir un gas de combustión que contiene 7% de CO2, 1% de CO, 7% de O2

y el resto N2. Si las composiciones de los combustibles son: 80% de CH4 y 20% de N2; y 60% de CH4, 20% de C2H6 y 20% de N2, calcule en que proporción se alimenta uno de los combustibles con respecto al otro. Las composiciones están en base mol (VALOR 1.5)

3. La glucosa isomerasa imnobilizada se emplea como catalizador en la producción de fructosa a partir de glucosa en un reactor de lecho fijo (el disolvente es agua). Para el sistema de la figura, ¿qué porcentaje de conversión de glucosa tiene lugar en una pasada por el reactor si la razón entre el flujo de salida y el flujo de reciclaje en unidades de masa es igual a 8.33? El diagrama es

La composición del flujo de salida y reciclaje son las mismas. Todos los porcentajes son en base másica (VALOR 2.0).

“Si eres sabio, tuyo será el provecho; si eres insolente, tuya será la responsabilidad” Proverbios 9:12

C. P. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Se utiliza vapor de agua para precalentar 500 Kg/h de agua procesada a 6 bar, desde 55 ºC hasta 160 ºC, usando un intercambiador de calor de doble tubo. Se dispone de vapor a 12 bar, saturado. El condensado se descarga en forma de liquido saturado. Calcule el flujo requerido de vapor (Valor 1.5).

2. 100 Kg de vapor a 250 ºC y 20 bar se calienta a presión constante hasta que se han agregado 23700 KJ. Después se calienta el vapor hasta 600 ºC a volumen constante. Calcule ∆U, ∆H, Q y W para cada paso (Valor 1.5).

3. Un inventor solicita registrar una patente de un aparato llamado inyector, representado en la figura. De acuerdo con lo que el inventor sostiene, el equipo es adiabático y opera en régimen estacionario. Emplea vapor a 3 bar y 250 °C para bombear agua líquida a 1 bar y 20 °C. Afirma que la relación de caudales entre las corrientes es m2/m1=10. Las dos corrientes se mezclan y salen del aparato como una única corriente a 5 bar (Valor 2.0).

(a) Determinar el estado de la corriente de salida, suponiendo que el equipo opera como afirma su inventor.

(c) El funcionario de patentes, tras echar un vistazo a la solicitud, asegura que es imposible mezclar dos corrientes, ambas a baja presión, y obtener otra corriente a mucha mayor presión, sin que eso requiera el aporte de trabajo desde el exterior. Sin embargo, como es un burócrata prudente y experimentado, ha decidido contratarle a usted como Ingeniero Consultor antes de rechazar la patente. ¿Cuál sería su informe para un caudal de 100 kg de vapor en la entrada del aparato? Indique si el invento es posible o no, y por qué.

“Entonces dije yo: Mejor es la sabiduría que la fuerza, aunque la sabiduría del pobre sea menospreciada, y no sean escuchadas sus

palabras” Eclesiastés 9:16

S. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Se quema con aire una corriente de desperdicio, de composición (en base molar): 25% de A3D3, 15% de HD, 10% de A2B, y el resto HAD2. Si los productos estables de la combustión son H2O, AO2, DO2 y BO2 (Valor 2.5).

a) Calcule la cantidad de aire necesario para 200 moles de corriente de desperdicio.b) Calcule la composición de los productos de combustión.

2. Se propone producir óxido de etileno ((CH2)2O) por oxidación de etano (C2H6) en fase gaseosa

C2H6 + O2 → (CH2)2O + H2O

La razón entre el aire y el C2H6 en la alimentación bruta al reactor es de 10 a 1, y la conversión de C2H6 en una pasada por el reactor es del 18%. El etano que no reaccionó se separa de los productos del reactor y se recicla como se muestra en la figura. ¿Cuál es la razón entre el flujo de reciclaje y el de alimentación, y qué composición tiene el gas que sale del reactor? (Valor 2.5)

“Si eres sabio, tuyo será el provecho; si eres insolente, tuya será la responsabilidad” Proverbios 9:12

HABI. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Se dispone de una corriente de agua saturada a 10 bar, para intercambiar calor con una solución de salmuera a 1 bar y 50 ºC. Si el flujo de salmuera es el doble del flujo del agua, y si puede enfriarse la corriente de agua hasta 75 ºC, calcule la temperatura hasta la que puede calentarse la salmuera y su volumen especifico. Puede suponerse que la salmuera tiene las mismas propiedades del agua y que la presión tanto para el agua como para la salmuera se mantiene constante (Valor 1.5).

2. Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semilla de algodón, usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias (Ver figura). Conociendo una alimentación de semilla de algodón cruda que consiste (en peso) en: 14% de material celulósico, 37% de pasta y 49% de aceite. Calcular la composición del extracto de aceite que se obtendrá utilizando 10 Lb de hexano y 4 Lb de semilla cruda (Valor 1.5).

3. La reacción 2A + 4B → 3C + 4D se efectúa en una reactor con 50% de conversión de B. La mayor parte de B que no reacciona se recupera en un separador y se recircula al reactor. La alimentación fresca al reactor contiene A y B; el A fresco está presente con un exceso de 30% sobre la cantidad estequiométrica necesaria para reaccionar con el B fresco. Si la conversión global de B en el proceso es de 95%, calcule los flujos de producto y recirculación, necesarios para producir 200 moles/h de C (Valor 2.0).

Semillas crudas

Hexano

Extracto de aceite Aceite Hexano

Pasta pura de

Material

Proceso

“El comienzo de la sabiduría es el temor del Señor; conocer al Santo es tener discernimiento” Proverbios 9:10. NVI

SUPLETORIO PRIMER PARCIAL VACACIONAL DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Una serie de dos evaporadores de azúcar opera con 120 toneladas de azúcar puro por cada 24 hr, las cuales se cargan a los evaporadores en la forma de una solución al 32% y se descargan a modo de una solución al 83% (VALOR 1.5).

c. ¿Qué cantidad de agua evaporan estas unidades por día, si el segundo evaporador evapora el doble del primero?

d. ¿Cuál es la concentración de azúcar en la corriente intermedia?

2. Un flujo de alimentación debe consistir en 100 Kg/h de un gas que contiene 30% en mol de N2 y el resto H2. El flujo se obtiene mezclando los gases de dos tanques A y B. Los gases en ambos tanques son mezclas de nitrógeno e hidrogeno con fracciones molares de nitrógeno XA y XB respectivamente. Supóngase que XA = 0.15 y XB = 0.54. Calcule las velocidades de flujo molar requeridas (Kmol/h) de las dos mezclas de gases. (VALOR 1.5).

3. Un material que contiene 75% de agua y 25% de sólidos se alimenta a un granulador a razón de 1000 kg/h. La alimentación se mezcla en el granulador con un producto reciclado de una secadora que sigue al granulador (a fin de reducir la concentración de agua en el material del granulador a 50% de agua, 50% de sólido). El producto que sale del secador tiene 16.7% de agua. En el secador, se hace pasar aire sobre el sólido que se esta secando. El aire que ingresa en el secador contiene 3% en peso (masa) de agua, y el aire que sale del secador contiene 6% en peso (masa) de agua (Valor 2.0).

a) ¿Cuál es la razón de reciclaje al granulador?b) ¿Cuál es la velocidad de flujo de aire al secador en base seca?

SEGUNDO PARCIAL VACACIONAL DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Se propone producir óxido de etileno ((CH2)2O) por oxidación de etano (C2H6) en fase gaseosa

C2H6 + O2 → (CH2)2O + H2O

La razón entre el aire y el C2H6 en la alimentación bruta al reactor es de 8 a 1, y la conversión de C2H6 en una pasada por el reactor es del 20%. El etano que no reaccionó se separa de los productos del reactor y se recicla. ¿Cuál es la razón entre el flujo de reciclaje y el de alimentación, y qué composición tiene el gas que sale del reactor? (Valor 2.5)

2. En el famoso proceso Haber para fabricar amoniaco, la reacción se lleva a cabo a presiones de 800 a 1000 atm y a 500-600°C empleando un catalizador apropiado. Sólo una pequeña fracción del material que ingresa en el reactor reacciona en una pasada, por lo que se requiere reciclaje. Además, como el nitrógeno se obtiene del aire, contiene casi 1% de gases raros (principalmente argón) que no reaccionan. Los gases raros se irían acumulando en el reciclaje hasta tener un afecto adverso sobre el equilibrio de la reacción, así que se utiliza un pequeño flujo de purgado.Como se muestra en la figura, la alimentación nueva de gas que contiene 75.16% de H2, 24.57% de N2, y 0.27% de Ar, se mezcla con el gas reciclado e ingresa en el reactor con una composición de 79.52% de H2. El flujo de gas que sale del separador de amoniaco contiene 80.01% de H2 y nada de amoniaco. El amoniaco producido no contiene gases disueltos. Por cada 100 moles de alimentación nueva (VALOR 2.5):a) ¿Cuántos moles se reciclan y purgan?b) ¿Cuál es el porcentaje de conversión del hidrógeno por pasada?

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 94% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 90% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 90% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 94% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 94% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 90% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 94% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 90% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

Una mezcla de gas de petróleo que contiene 65% de propano, 25% de propileno y 10% de butano (porcentaje en mol), se quema con aire. Se consume todo el butano y propileno y 90% del propano. En el gas de salida no hay CO. Calcule la composición de los gases de combustión en base seca, suponiendo una mol de mezcla de petróleo.(VALOR 5)

CUARTO PARCIAL VACACIONAL DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

1. Un evaporador es un tipo especial de intercambiador de calor en el que se utiliza vapor para calentar una solución, con el propósito de eliminar algo de solvente por evaporación. En el evaporador ilustrado en la figura, se alimenta una salmuera que contiene 1% en peso de sal en agua, a una presión de 1 bar y 50ºC. La salmuera de descarga contiene 2% en peso de sal y esta en forma de líquido saturado a 1 bar. Si se utiliza vapor saturado a 2 bar como fuente de calor, y si el condensado producido se supone líquido saturado a 2 bar, calcule los kilogramos de vapor de 2 bar que se requieren por kilogramo de agua evaporada. Supóngase que la salmuera tiene las mismas propiedades del agua liquida (VALOR 2.0)

2. Vapor de agua (que sirve para calentar una biomasa) entra en la cámara de vapor de agua (que esta separada de la biomasa) de un reactor a 25ºC, saturado, y se condensa por completo en la cámara. La velocidad de pérdida de calor de la cámara de vapor de agua hacia el entorno es de 1.5 kJ/s. Los reactivos se colocan en el recipiente a 20°C y al final del calentamiento el material está a 100°C. Si la carga consiste en 150 kg de material con una capacidad calorífica media de Cp = 3.26 J/(g)(K), ¿cuántos kilogramos de vapor de agua se necesitan por kilogramo de carga? La carga permanece en el recipiente de reacción durante 1 h (VALOR 1.5).

3. Un recipiente de 0.25 litros inicialmente lleno con 0.225 kg de agua a una presión de 20 atm se enfría hasta que la presión dentro del recipiente es de 100 kPa (VALOR 1.5).

a) ¿Cuál es la temperatura inicial y final del agua?b) ¿Cuánto calor se transfirió desde el agua para llegar al estado final?

1 barSalmuera al 1%

1 bar50ºC

Salmuera al 2%1 bar

(Liquido saturado)

Vapor saturado1 bar

Vapor saturado2 bar

Condensado saturado

2 bar

P. P. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Un fabricante tiene un contrato para producir carbón artificial para asar carne con un contenido máximo garantizado de 10% de humedad y 10% de ceniza. El material básico que usan tiene el análisis: humedad 12.4%, material volátil 16.6%, carbono 57.5% y ceniza 13.5%. A fin de satisfacer las especificaciones (en sus límites), el fabricante planea mezclar con el material base una cierta cantidad de coque de petróleo que tiene el análisis: material volátil 8.2%, carbono 88.7% y humedad 3.1%. ¿Cuanto coque de petróleo deberán agregar a cada 100 libras del material base? (VALOR 1.5)

2. En la figura se muestra un proceso de destilación. Se le pide obtener todos los valores de velocidad de flujo y composición. Muestre todos los detalles del razonamiento que siguió para tomar su decisión. Para cada flujo, los únicos componentes son los que se indican debajo del flujo. (VALOR 1.5)

3. En 1988, La (CMA) Chemical Manufacturers Association de Estados Unidos inicio una labor de mejoramiento ambiental ambiciosa y muy completa: la iniciativa de Cuidado Responsable. Esta iniciativa comprometió a los 185 miembros de la CMA a asegurar un mejoramiento continuo en las áreas de salud, seguridad y calidad ambiental, así como a determinar y responder a las preocupaciones del público relacionadas con sus productos y operaciones. El corazón de la iniciativa de Cuidado Responsable radica en sus seis Códigos de Prácticas Gerenciales. Estos códigos exigen a las compañías

miembros establecer metas y programas específicos para mejorar su desempeño a lo largo de todo el ciclo de vida de sus productos químicos: desde la investigación a la producción, manejo de desechos, transporte del producto, uso y, finalmente, disposición. Uno de los códigos, Prevención de la Contaminación, aborda un problema que el público ha mencionado como una de sus principales preocupaciones en lo tocante a la industria: el manejo de desechos peligrosos. El código obliga a las compañías a establecer metas específicas para reducir su generación de desechos, peligrosos o no. Una de las mejores formas de reducir o eliminar los desechos peligrosos es por medio de la reducción de las fuentes. En general, esto implica usar diferentes materias primas o rediseñar el proceso de producción a fin de eliminar la generación de subproductos peligrosos.

Por ejemplo, consideremos el siguiente proceso de extracción a contracorriente para recuperar xileno de un flujo que contiene 10% de xileno y 90% en peso de sólidos. El flujo del que se extraerá xileno ingresa en la unidad 2 con una tasa de flujo de 2000 kg/h. A fin de contar con un disolvente para la extracción, se alimenta benceno puro a la unidad 1 con una velocidad de flujo de 1000 kg/h. Suponga que el líquido que fluye con los sólidos que salen de una unidad tiene la misma composición que el flujo líquido que sale de la misma unidad. La corriente de producto en la segunda unidad tiene una concentración de benceno del 80%. La corriente de sólidos que sale de la segunda unidad contiene 9% de xileno. (VALOR 2.0)

a. Determine las concentraciones de xileno y benceno en todos los flujos. b. ¿Cuál es el porcentaje de recuperación del xileno que ingresa en el proceso en la unidad 2?

S. P. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1. Una columna de destilación separa 10,000 kg/h de una mezcla de 50% benceno y 50% tolueno. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de benceno, y la cola W de la columna contiene 96% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D) y del reflujo (R) es idéntica porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído (D) (VALOR 1.0).

2. En el famoso proceso Haber para fabricar amoniaco, la reacción se lleva a cabo a presiones de 800 a 1000 atm y a 500 – 600 °C empleando un catalizador apropiado. Sólo una pequeña fracción del material que ingresa en el reactor reacciona en una pasada, por lo que se requiere reciclaje. Además, como el nitrógeno se obtiene del aire, contiene casi 1% de gases raros (principalmente argón) que no reaccionan. Los gases raros se irían acumulando en el reciclaje hasta tener un afecto adverso sobre el equilibrio de la reacción, así que se utiliza un pequeño flujo de purgado. Como se muestra en la figura, la alimentación nueva de gas que contiene 75.16% de H2, 24.57% de N2, y 0.27% de Ar se mezcla con el gas reciclado e ingresa en el reactor con una composición de 79.52% de H2. El flujo de gas que sale del separador de amoniaco contiene 80.01% de H2 y nada de amoniaco. El amoniaco producido no contiene gases disueltos. Por cada 100 moles de alimentación nueva (VALOR 2.5):a) ¿Cuántos moles se reciclan y purgan?b) ¿Cuál es el porcentaje de conversión del hidrógeno por pasada?

REACTOR DESTILADOR

Si (s)

HCl (g)

HSiCl3 = 21.42 % (Mol)SiCl4 = ?H2 = ?

HSiCl3 = 100 %

3. El silicio de grado metalúrgico se purifica a grado electrónico para su uso en la industria de los semiconductores haciendo una separación química de sus impurezas. El Si metálico reacciona en diversos grados con cloruro de hidrógeno gaseoso a 300°C para formar diversos silanos policlorados. El triclorosilano es líquido a temperatura ambiente y se separa fácilmente por destilación fraccionada de los demás gases. Si 100 kg de silicio reaccionan como se muestra en la figura, ¿cuánto triclorosilano se produce? (VALOR 1.5)

En la figura se muestra un proceso de destilación. Se le pide obtener todos los valores de velocidad de flujo y composición. ¿Cuántas incógnitas hay en el sistema? ¿Cuántas ecuaciones independientes de balance de materia puede escribir? Explique cada respuesta y muestre todos los detalles del razonamiento que siguió para tomar su decisión. Para cada flujo, los únicos componentes son los que se indican debajo del flujo.

PRIMER P. V. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIAING. ADOLFO JAVIER DE ORO TORRES

1. Un gas que contiene partes iguales (sobre una base molar) H2, N2 y H2O, pasa a través de una columna de pastillas de cloruro de calcio que absorben el 80% del agua y ninguno de los otros gases. El empaque de la columna se encontraba inicialmente seco y tenía una masa de 2 Kg. Después de 7 horas de operación continua se vuelven a pesar las pastillas y se encuentra que tienen una masa de 2.21 Kg (VALOR 1.0).

a) Calcula la velocidad de flujo molar (mol/h) del gas de alimentación. b) La fracción mol del vapor de agua en el producto gaseoso.

2. La caña de azúcar se alimenta a un molino donde se extrae jarabe por trituración; el “bagazo” resultante contiene 70% de pulpa. El jarabe (E) (que contiene 13% de azúcar y 14% de pulpa) que contiene fragmentos finamente divididos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa con cantidades pequeñas de agua (95% de pulpa) y produce un jarabe transparente (H) que contiene 15% de azúcar y 85% de agua. El evaporador produce un jarabe “pesado” con una concentración de azúcar del 40% y el cristalizador produce 1000 Lb/h de cristales de azúcar. La composición de la caña alimentada al sistema es 16% azúcar, 25% agua y el resto pulpa (VALOR 1.5)

a) Determine el agua eliminada en el evaporador en Lb/hb) Determine las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho (G)c) Determine la tasa de alimentación de caña de azúcar a la unidad en Lb/hd) Del azúcar que entra con la caña, ¿que porcentaje se pierde con el bagazo?

3. Observe la figura y determine las variables desconocidas (VALOR 1.0)

Cristalizador

EvaporadorAlimentación

10000 kg/h de KNO3 al 20%

ReciclajeDisolución saturada (0.6 Kg de KNO3 /

Kg de agua)

Los cristales de KNO3 se llevan 4% de agua

50% de KNO3

4. Agua de mar, que contiene 4% en peso de sal, pasa a través de una serie de cinco (4) evaporadores. En cada una de las etapas se evapora la misma cantidad de agua, que después se condensa y se combina para obtener un flujo de productos que es agua pura. La salmuera a la salida del último evaporador contiene 7% en peso de sal. Si el proceso se alimenta con 35000 Kg/h de agua de mar, calcula (VALOR 1.5):a. El rendimiento fraccionario de agua purab. El porcentaje en peso de sal que sale del tercer evaporador

SEGUNDO P. V. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIAING. ADOLFO JAVIER DE ORO TORRES

1. Se ha despertado un interés considerable en la conversión de carbón en productos líquidos más útiles para la subsecuente producción de compuestos químicos. Dos de los principales gases que podemos generar en condiciones apropiadas a partir de la combustión de carbón in situ en presencia de vapor de agua (como sucede en presencia de aguas freáticas) son H2 y CO. Después de lavarlos, estos dos gases se pueden combinar para producir metanol de acuerdo con la siguiente ecuación:

CO + 2H2+ CH3OHLa figura ilustra un proceso en estado estacionario. Todas las composiciones están en fracciones o porcentajes molares. Los flujos están en moles. En la figura una fracción del CH4 ingresa en el proceso, pero no participa en la reacción. Se usa un flujo de purgado para mantener la concentración de CH4

en la salida del separador en no más de 3.2% mol. La conversión en una pasada del CO por el reactor es del 18%. Calcule los moles de reciclaje, CH3OH, y el purgado por mol de alimentación, y también calcule la composición del gas de purgado.

2. El éter etílico se produce deshidratando alcohol etílico en presencia de ácido sulfúrico a 140°C:

2C2H5OH + (C2H5)2O + H2O

En la figura se muestra un diagrama simplificado del proceso. Si en cada pasada por el reactor hay una conversión del 87% del alcohol alimentado, calcule:a) Los kilogramos de alimentación nueva por horab) Los kilogramos de reciclaje por hora

Reactor SeparadorAlimentación

67.3% H2

35.2% CO0.2% CH4

CH3OH100%

Reciclaje? % H2

? % CO3.2% CH4

Purgado

ReactorSeparación de éter

Separación de

alcohol

(2000 Kg/h)93% H2SO4

7% H2O

Alimentación nueva

95% Alcohol 5% H2O

Disolución de ácido sulfúrico diluido al 85%

Éter etílico puro (1200 Kg/h)

ResiduoÁcido sulfúrico 15% Agua 85%

Reciclaje

92% Alcohol 8% H2O

P. P. DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

El fríjol soya se compone de un 35% de proteína, 27,1% de carbohidratos, 9,4 % de agua, 10,5% de fibra y cenizas y 18% de aceite. La obtención de Torta de Soya a partir del fríjol soya se realiza fundamentalmente en tres etapas, que se pueden resumir como sigue:

En la primera etapa se hace un molido y extracción de aceite por prensado de fríjol, obteniéndose:

a) una torta prensada o fríjol prensado con 7%, de aceite en peso y 5% de humedad, y b) aceite crudo con humedad. El aceite crudo se recibe en un tanque de sedimentación en donde se separan el agua del aceite.

En la segunda etapa, la torta prensada se somete a una extracción por solvente con Hexano, para retirar más aceite del que aún tiene, obteniendo:

c) una torta húmeda con 0,5 % de aceite yd) una mezcla aceite-hexano, con 2% de agua. Se emplea una relación aceite : hexano de 1 a 1.

En una tercera etapa la torta húmeda se seca para dar un producto con 1% de agua.

Calcular:a.- Los kilogramos de torta prensada y los kilogramos de aceite obtenidos en la primera etapa, a partir de 1000 kilos de fríjol soya.b.- Los kilogramos de torta salientes de la segunda etapa.c.- los kilogramos de torta salientes de la tercera etapa yd.- El porcentaje de proteína y el porcentaje de carbohidratos que contiene la torta.