PROBLEMAS DE BALANCE DE MATERIA

Problema 1.-

Un secador de frutas porttil instalado en el Valle del Elqui, recibe cierta cantidad de pulpa de frutas con 80 % de agua. Despus de eliminar 100 libras de agua, se determin que la pulpa an contena 40 % de agua. Se pide calcular el peso de la pulpa inicial.

Problema 2.-Las fresas contienen alrededor de 15 % de slidos y 85 % de agua. Para preparar mermelada de fresa, se mezclan las fresas trituradas con azcar en una relacin en peso de 4:5, luego la mezcla se calienta para evaporar el agua hasta que el residuo contiene una tercera parte en peso de agua.

A. Dibuje el diagrama de flujo de este proceso

B. Determine cuntas libras de fresas se necesitan para producir una libra de mermeladaProblema 3.-En una planta de concentracin de sales, se dispone de una solucin que contiene 10 % de NaCl y 20 % de KCl que se concentra hasta obtener una solucin que contenga 30 % de NaCl, en una operacin en la que se evaporan 200 kg de agua. La solucin resultante se hace llegar a un agitador donde se ajusta la concentracin agregando 200 kg de un concentrado acuoso de KCl que contiene 90 % de dicha sal.

I. Haga un esquema del proceso

II. Determine la composicin del producto final del procesoProblema 4.-

En una planta de concentracin de sales, se dispone de 800 Kg/h de una solucin acuosa que contiene 10 % de NaCl y 20 % de KCl, que se concentra en un evaporador, hasta obtener una solucin que contenga 35 % de KCl, en una operacin en la que se evapora agua pura. Para ajustar la concentracin final, la solucin que sale del evaporador se hace llegar a un estanque mezclador, donde se ajusta la concentracin agregando un concentrado acuoso de KCl que contiene 85 % de dicha sal.

a.- Haga un esquema del proceso

b.- Determine la cantidad de agua que se evapora en el evaporador

c.- Determine la composicin de la solucin que sale del proceso

d.- Determine la cantidad de concentrado acuoso de KCl que se debe agregar.

Problema 5.-

La sal contenida en el petrleo crudo debe eliminarse antes de procesarlo en una refinera. El petrleo crudo se alimenta a una unidad de lavado en la que agua dulce alimentada a la unidad se mezcla con el petrleo y disuelve una porcin de la sal que contiene. El petrleo (que contiene un poco de sal pero nada de agua), al ser menos denso que el agua, se puede sacar por la parte superior del lavador. El agua de lavado que sale de la unidad contiene 15 % de sal y el crudo alimentado contiene 5 % de sal, determine la concentracin de la sal en el producto de petrleo lavado si la razn petrleo crudo (con sal) a agua dulce que se usa es de 4 : 1Problema 6.-

Problema 7.-

En una seccin de una planta de gasolina se elimina el isopentano de acuerdo con el esquema de la figura. Por cada 100 kg que se alimentan al sistema en A, calcule:

a.- La cantidad de isopentano que sale por el eliminador de isopentano

b.- El flujo que sale en la corriente F

Problema 8.-En la figura se muestra una unidad de separacin por destilacin fraccionada que opera en dos etapas. Dada una alimentacin de 1000 lb/h, calcule el flujo de la corriente F2 y la composicin de la misma.

Problema 9.-En la produccin de aluminio a partir de mineral de bauxita, un paso crucial es la separacin de la almina de las impurezas minerales. En el proceso Bayer, esto se logra mediante el tratamiento de bauxita con NaOH en solucin, para producir NaAlO2. Debido a que el NaAlO2 es soluble en agua, pero no los componentes residuales del mineral de bauxita, puede obtenerse una separacin dejando asentar dichos minerales y decantando la solucin acuosa de NaAlO2 y NaOH que no reaccion. Para recuperar algo mas del NaALO2 que qued en la solucin atrapada entre los slidos asentados, se lava este lodo repetidas veces con agua, se deja asentar y se decanta el agua de lavado. La figura muestra una etapa de este proceso de lavado y asentamiento.

En esta etapa, se lava una lechada de alimentacin que contiene 10 % de slidos, 11 % de NaOH, 16 % de NaAlO2 y el resto agua, con una corriente de agua de lavado que contiene 2 % de NaOH(desprecie el % de solidos del NaOH concuado con el agua), para producir una solucin decantada libre de slidos, formada por 95 % de agua y un lodo asentado con 20 % de slidos. Calcule la cantidad de NaAlO2 que se recupera en la solucin decantada, si se alimenta lechada a razn de 1000 lb/h.

Problema 10.-

En cierto proceso se requiere generar los reactivos AB y B2. Las sustancias AB, B y A2 son completamente solubles en agua en tanto que B2 es completamente insoluble en el mismo medio. La reaccin que predice la formacin de estos compuestos es:

A2 + B > AB + B2El proceso consta de un reactor que es alimentado por la mezcla de una corriente fresca con otra de recirculacin. La relacin molar entre estos dos flujos es de 20:17. La alimentacin fresca contiene 50.7 % de B, 14.3 % de A2 y 35 % de agua. El reactor funciona con una conversin del 40 % respecto del limitante.

El producto del reactor es alimentado a un filtro (separador slido-lquido) donde todo el compuesto insoluble se retira acompaado del 10 % de la solucin que entra al filtro. La otra corriente de descarga del filtro (solo solucin) es enviada a un separador, que recupera todo el AB por una corriente, y por otra, la corriente de reciclo hacia el reactor. La corriente de reciclo contiene un 35.29 % de A2 y un 5.88 % de B. El resto es agua.

De acuerdo a lo anterior:

A.- Dibuje el diagrama de flujo del proceso y ubique las variables conocidas y desconocidas sobre el esquema. Enumere las corrientes, y especifique claramente las incgnitas que va a utilizar.

B.- Plantee los Balances de masa a todos los subsistemas.

C.- Resuelva el balance de masa calculando el valor de todas las corrientes y composiciones. Presntelos en una tabla ordenada.

D.- Calcule el porcentaje de AB en el producto del separador respecto del total generado.E.- Calcule la fraccin recirculada respecto de la alimentacin al separador.F.- Calcule la razn msica entre slidos insolubles y solucin producto del reactor.

Problema 11.-

El diagrama adjunto muestra el proceso de lavado de camisas que se utiliza en el Servicio de Lavandera "Por Fin Limpias S.A.". Las camisas se remojan en un tanque de lavado que contiene Duende, el detergente mgico, y despus se exprimen y mandan a secar. El Duende sucio se hace pasar por un filtro en donde se extrae la mayor parte de la suciedad, permitiendo recircular parte del Duende.

Datos:

El lavado extrae 95 % de la suciedad

Por cada 100 kg de camisas sucias salen 25 kg de Duende con las camisas limpias

Preguntas:

Cunto Duende fresco debe agregarse por cada 100 kg de camisas sucias?

Cul es la composicin del flujo de recirculacin?

Problema 12.-El jugo de naranja fresco contiene 12 % en peso de slidos y el resto es agua; mientras que el jugo de naranja concentrado contiene 40 % en peso de slidos. El proceso de concentrar el jugo de naranja se realiza en un evaporador. Las experiencias preliminares de fabricacin se hicieron concentrando el jugo fresco de 12 % a 40 % en peso, sin embargo los componentes vlatiles se evaporaban junto con el agua dejando al concentrado sin sabor. Dado lo anterior se opto por un proceso en el cual una fraccin del jugo fresco se desva (by pass) del evaporador y otra se concentra en este hasta que contiene 58 % de slidos. Este producto se mezcla con el jugo fresco desviado para alcanzar la concentracin final de slidos (40 %).

A. Calcule el jugo concentrado producido por cada 100 kg de jugo fresco alimentado

B.Calcule la fraccin de la alimentacin que se desva del evaporador.

Problema 13.-

La Sylvinita (42.7 % NaCl, el resto KCl) se disuelve en 1000 libras de agua y luego se enfra para inducir la cristalizacin. La composicin de los cristales es 72.1 % KCl, 0.5 % NaCl y 27.4 % H2O. Se obtienen 727 libras de cristales. El licor madre remanente contiene 50 % de agua y 50 % de sales. La operacin se realiza a 30.12 de Hg de presin. Trace el diagrama de flujo y calcule:

i. Las libras de sylvanita usadas

ii. La composicin de la solucin final

iii. El porcentaje de KCl recuperado

.Problema 14.-

Una unidad de destilacin que consta de dos columnas de destilacin se alimenta con una mezcla lquida que contiene 30 % en mol de benceno (B), 25 % en mol de Tolueno (T) y 45 % en mol de xileno (X), a una velocidad de 1275 kgmol/h. El producto inferior de la primera columna contiene 99 % en mol de xileno y nada de benceno; en esta corriente se recupera el 98 % del xileno alimentado. El producto superior de la primera columna alimenta la segunda columna. El producto superior de la segunda columna contiene 99% en mol de benceno y nada de xileno. El benceno recuperado en esta corriente representa el 96 % del benceno en la alimentacin de esta columna. Ha un esquema de la unidad de destilacin y calcule las velocidades de flujo molar (kgmol/h) y las fracciones molares de los componentes en cada corriente. Tabule sus resultados. Recuerde que No hay reacciones qumicas.

.

Problema 15.-

En el absorbedor que se muestra en la figura, se recupera propano de una mezcla gaseosa que contiene 5 % en mol de propano y 95 % en mol de aire, ponindola en contacto con n-decano lquido. Durante el proceso, se absorbe un 98 % del propano que se alimenta al absorbedor. Sabiendo que se alimentan 3 moles de n-decano puro por cada mol de gas de entrada y suponiendo que el gas de salida NO contiene n-decano, determine la composicin en moles del Gas y del Lquido de Salida de la torre de absorcin,.

Problema 16.-

Para el proceso de cristalizacin mostrado en la figura se pide calcular:

a.- La fraccin en peso de KNO3 en la corriente de reciclo

b.- El flujo msico de la corriente de reciclo

c.- La cantidad de agua evaporada

Problema 17.-

En la concentracin de HNO3 se sigue el proceso que se indica en la figura. S se desea preparar 1000 lb/h de HNO3 al 99 %, confeccione una tabla con los flujos, en lb/h, para cada una de las corrientes del sistema y la composicin de las mismas.

Problema 18.-Las fuentes de protena de semillas oleaginosas incluyen soja, algodn, man, maravilla, copra, colza, ajonjol, ricino y lino. Generalmente la separacin del aceite de la pasta (harina) se efecta mediante extraccin con solvente.

Cuando se usa algodn, el anlisis de la semilla de algodn es 4 % de cascarilla, 10 % de fibra, 37 % de harina y 49 % de aceite. Durante la etapa de extraccin, deben utilizarse 2 libras de solvente (hexano) por cada libra de semillas limpias.

Para cada tonelada de semillas crudas que se procesan, determine las cantidades de aceite y de harina libre de aceite que se producen, as como la cantidad de hexano que deber recircularse a travs de la unidad de extraccin.

Problema 19.- Por una modificacin en un proceso de produccin industrial de churros, se aade agua (A) a una fraccin (40%) de la pasta base pura (B) utilizada, mezclando posteriormente esta masa diluida (C) con el resto de la pasta base (K) se obtiene la masa adecuada para la obtencin de churros (D), que tiene una relacin pasta pura/agua de 10 : 1. La masa se introduce en la freidora junto con aceite (F). Este aceite es mayoritariamente recirculado del propio proceso (R), en el que se extraen en continuo los churros y el aceite (G); el resto es aceite virgen (E) que se aade para mantener una relacin aceite/masa de 10:1 en la entrada a la freidora.

En el proceso de fritura se desnaturaliza (estropea) el 37,5% del aceite virgen presente, por lo que del aceite extrado en continuo (H) slo se puede recircular una fraccin (R/P) para evitar la acumulacin de aceite desnaturalizado. Para que los churros no adquieran un mal sabor, el aceite que entra a la freidora (F) puede estar desnaturalizado en un 50% como mximo.

Determinar:

a) Cantidad y composicin de todas las corrientes involucradas en el proceso de fabricacin de 100 kg de churros (I).

b) Contenido en agua de la corriente C en base seca y en base hmeda.

Problema 20.-

Si 100 g de Na2SO4, se disuelven en 200 g de H2O y la disolucin se enfra hasta que se separan por cristalizacin 100 g de Na2SO4.10 H2O, encuentre:

a) La composicin de la disolucin restante (licor madre)

b) Los gramos de cristales recuperados por cada 100 g de disolucin inicial.

Problema 21.- El jugo de naranja fresco consiste generalmente en 12% en peso de slidos en solucin Acuosa (% en peso); dichos slidos son principalmente azcares. El proceso de concentracin se efecta en evaporadores de diseo especial, de tiempo de residencia corto que operan a presiones menores que la atmosfrica para reducir las prdidas de los componentes de sabor y aroma, presentes en cantidades muy pequeas y que son muy voltiles y sensibles al calor. Como generalmente no pueden evitarse algunas prdida de estos componentes, la prctica comn es concentrar el jugo un poco ms de lo necesario y despus agregar una pequea cantidad de jugo fresco al concentrado para obtener un producto de mejor aroma y sabor. Supngase que se utiliza 10% de la alimentacin a dicho proceso para la reconstitucin y que se opera al evaporador para obtener un jugo de descarga que contiene 80% de slidos en solucin. Si al proceso se alimentan 10000 lb/h de jugo fresco, establecer el balance de masas y calcular la composicin del producto final.Problema 22.- Para la fabricacin de mermelada se emplea un evaporador, donde se mezcla fruta triturada con azcar en proporcin en peso de 9 : 11, adicionndose un 2,3% de pectina. La mezcla se homogeneiza y se concentra por evaporacin hasta el 67%. Qu cantidad de agua se evaporar a partir de una fruta con un contenido en slidos del14%? Todos los porcentajes dados son en peso.Problema 23.-

En una fbrica de embutidos se mezcla carne de cerdo triturada con una pasta crnica para la obtencin de un producto tipo pate En qu proporcin debera mezclarse la carne de cerdo y la pasta si se desea que el producto final (las salchichas) tengan un 25 % de grasa? Cul ser su composicin final? DATOS: Composicin de la carne de cerdo (15%proteinas, 20% grasa y 63% agua)

Composicin de la pasta base para salchichas (15% de agua, 80% grasa y 3% protenas)Problema 24.- Un suero sobrante de la elaboracin del queso, tiene la siguiente composicin: 5.5% de lactosa, 0.8% de protena, 0.5% de ceniza. La solubilidad de la lactosa en agua es:

Calcular la cantidad de lactosa obtenida al concentrar en un evaporador a vaco 1000 kg de suero a 60C hasta obtener un 60% de slidos, y enfriar despus hasta 40C durante semanas para que cristalice la lactosa.Problema 25.- El proceso para obtener mantequilla salada es mezclar la manteca vegetal cuya composicin en peso es de 1,5% de agua; 98,5% de grasa y una solucin de salmuera. Se quiere obtener una mantequilla con 15,7% de humedad; 80,5% de grasa; 0,4% de sal y resto protenas y cenizas. Con la finalidad de obtener una mantequilla con protenas se adiciona la grasa de la leche (26% grasa, 29,2% agua, 36% protena y el resto cenizas). Si queremos producir 5000 kg/h de mantequilla determine: a. La cantidad de grasa de leche, grasa vegetal y salmuera sern necesarios b. La composicin de sal y agua en la salmuera c. El porcentaje de protenas y cenizas en la mantequilla Para el proceso de destilacin continua de dos unidades mostrado en la figura, determine el flujo, en Kg/h y la composicin de las corrientes 3, 4 y 7. Tabule sus resultados.

40 Kg/h

90 % A

10 % B

30 Kg/h

60 % A

40 % B

2

6

7

4

3

T-1

T-2

1

100 Kg/h

50 % A

50 % B

5

30 Kg/h

30 % A

70 % B

C

100 % Isopentano

B

ELIMINADOR

A

D

90 % n-pentano

10 % isopentano

F

70 % n-pentano

30 % isopentano

MEZCLADOR

SEPARADOR

3

1 % Tolueno

99 % Benceno

4

95 % Tolueno

5 % Benceno

TORRE

III

TORRE

I

1

40 % Tolueno

40 % Benceno

20 % Xileno

2

10 % Tolueno

90 % Xileno

5

Agua de lavado

lechada

Estanque

de lavado

Solucin decantada

Estanque de

sedimentacin

Lodo lavado

2

1

Camisas Sucias con

2 % de suciedad

Camisas Limpias

6

Suciedad con

10 % Duende

90 % Duende

Tanque de Lavado

Filtro

4

5

97 % Duende

3

Duende Fresco

100 % Duende

Duende recirculado

Lquido de Entrada

n-decano puro

LE (mol/h)

Gas de Salida

GS (mol/h)

TORRE

DE ABSORCION

Gas de Entrada

5 % en mol de propano

GE (mol/h/)

Lquido de salida

LS (mol/h)

Agua evaporada

10000 lb/h de

solucin al

20 % KNO3

Solucin al

50 % de KNO3

Cristales de KNO3

con 4 % de agua

EVAPORADOR

CRISTALIZADOR

Solucin saturada a 100 F

Solubilidad 0.6 lb/lb agua

1000 lb/h

HNO3 99 %

H2O 1 %

C

A

HNO3 60 %

H2O 40 %

Mg(NO3)2 55 %

HNO3

H2O

HNO3 2 %

H2O 98 %

B

Mg(NO3)2 72 %

HNO3 11 %

H2O 17 %

Solvente rico en aceite

Semillas limpias

Recuperacin de

solvente

Semillas crudas

Extraccin por solvente

Aceite puro

Limpieza

de

semillas

Cascarillas, fibra

Pasta libre de aceite

contiene 0,5 % de solvente

Solvente fresco

Solvente limpio

Asignatura: Termodinmica

Docente: Ing. Luis R. Larrea Colchado

PAGE 8Asignatura: Termodinmica

Docente: Ing. Luis R. Larrea Colchado