Balance De Materia 2019-i.docx

BALANCE DE MATERIA

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS Los procesos químicos se clasifican de dos maneras:

a) Teniendo en cuenta los flujos de las corrientes que intervienen en el proceso: -

intermitentes (batch): aquellos en los cuales la alimentación se introduce en el equipo, se realiza el proceso y por último se retira el producto;

-

continuos: en los cuales permanentemente entra alimentación y sale producto del proceso;

-

semi- intermitentes: aquellos que no se pueden clasificar ni como continuos ni como intermitentes.

b) Considerando los cambios de las variables de proceso: -

estacionarios, o en régimen permanente: cuando las variables de proceso (temperaturas,

presiones,

volúmenes,

velocidades

de

flujo)

no

cambian

considerablemente con el tiempo en un determinado punto del proceso. -

transitorios que son aquellos procesos en los cuales alguna variable cambia con el tiempo.

Los procesos intermitentes y semi intermitentes son transitorios y los procesos continuos pueden ser transitorios o estacionarios. Por lo general, para producciones grandes se utilizan procesos continuos y para pequeñas producciones se usan procesos intermitentes.

ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE Al hacer el conteo del material que participa en un proceso deben considerarse las entradas y las salidas que atraviesan las fronteras del sistema, las reacciones químicas que suceden pues en ellas se presenta consumo y producción de material, y la cantidad de material que se acumula. Por ello, el balance de materiales responde a esta ecuación:

1

Material que entra al sistema + material producido dentro del sistema –material que sale del sistema – material consumido dentro del sistema = Material acumulado dentro del sistema.

Si al aplicar esta ecuación se tienen en cuenta todos los componentes de las corrientes del proceso, se realiza un balance total de masa, y si se aplica solamente a alguna sustancia o a algún elemento químico se efectúa un balance parcial de masa.

La ecuación anterior, llamada ecuación general de balance de masa, puede ser empleada con unidades correspondientes a velocidades de flujo o a cantidades. En el primer caso el balance de masa corresponde a una unidad de tiempo determinado (una hora, un día, etc) y se aplica a procesos continuos y recibe el nombre de balance diferencial. En el segundo caso el balance corresponde a una determinada cantidad de material procesado o producido, aplicándose, por lo general, a procesos intermitentes y denominándose balance integral.

ALGUNAS SUGERENCIAS PARA

RESOLVER

PROBLEMAS

DE BALANCES DE MATERIA Efectuar un balance de materiales es resolver una serie de ecuaciones independientes, las cuales pueden ser construidas utilizando diferentes informaciones: balances parciales de masa, balance total de masa y especificaciones dadas o que puedan utilizarse para relacionar las variables (ecuaciones de estado para los gases, densidades, valor unitario de la suma de las fracciones másicas o molares de las soluciones, condiciones específicas del proceso etc.).

Después de leer y entender el enunciado, se representa el proceso en un diagrama de flujo para lo cual se utilizan rectángulos o círculos que simbolicen las unidades de proceso y flechas que muestren los flujos y sus respectivos sentidos.

En el diagrama de flujo se escriben los valores de las variables conocidas (masas o moles y composiciones) y otra información disponible (presiones, temperaturas, especificaciones de proceso), en todos los casos usando las unidades adecuadas, y deben aparecer todas las incógnitas que es necesario calcular (esto se llama etiquetar el diagrama). En muchos casos, conviene expresar todos los datos conocidos en el mismo sistema de unidades y no olvidar que los datos volumétricos deben convertirse a másicos o molares ya que no se hacen balances en unidades de volúmenes.

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Luego se selecciona una base de cálculo, la cual es una cantidad (en unidades másicas o molares) una unidad de tiempo (hora, mes, año) sobre la cual se hace el balance de materia. Esta base de cálculo puede ser un dato dado o puede ser un valor supuesto porque una vez terminado el balance, éste puede ser escalado, es decir, las cantidades (masas o moles) pueden ser multiplicadas todas por cualquier número y el proceso continúa balanceado. En este punto se debe tener presente que las composiciones no pueden ser modificadas. Ya debe estar claro que las variables de balances de masa son cantidades y composiciones. Generalizando, los pasos sugeridos para cálculos de balances de materia son los siguientes: 1. Leer y entender el enunciado del problema. 2. Dibujar y etiquetar el diagrama de flujo del proceso. 3. Convertir todos los datos al mismo sistema de unidades másicas o molares. 4. Seleccionar una base de cálculo. 5. Plantear y resolver las ecuaciones independientes de balances de masa. 6. Escalar el balance, si se necesita.



En algunos procesos industriales se utiliza la recirculación de algunos de sus flujos, lo cual consiste en devolver un flujo (o parte de él), que abandona una unidad de proceso hacia una unidad anterior. Esto se hace porque se desea recuperar uno o varios reactivos o catalizadores no consumidos, o porque se desea diluir un flujo, o porque un fluido de trabajo está circulando como es el caso de los refrigeradores. Un diagrama de flujo para una recirculación es el siguiente:



En otros procesos industriales se utiliza lo que se denomina derivación o desviación o bypass, que consiste en no permitir que una parte de una alimentación a una unidad de proceso ingrese a esa unidad, sino que vaya a otra unidad posterior. Un diagrama de flujo que representa la derivación es:

3



Si una parte de una corriente de recirculación es retirada del proceso, por ejemplo, con el fin de evitar que materiales inertes o indeseados se acumulen dentro del proceso, se presenta una purga. Un diagrama de flujo que simboliza este caso es:

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EJERCICIOS

Problema 1.En un proceso para producir sosa cáustica (NaOH), se usan 4 000 Kg/h de una solución que contiene 10% de NaOH en peso para concentrarla en un primer evaporador, obteniéndose una solución de 18% de NaOH en peso. Esta se alimenta a un segundo evaporador, del cual sale un producto que contiene 50% de NaOH en peso. Calcule la cantidad de agua extraída en cada evaporador, la alimentación al segundo evaporador y la cantidad de producto.

Problema 2.Una alimentación de 10 000 kg de frijoles de soya se procesa en una secuencia de tres etapas. El alimento contiene 35% de proteína en peso, 27,1% de carbohidratos en peso, 9,4% de fibras y cenizas en peso, 10,5% de humedad en peso y 18% de aceite. En la primera etapa, los frijoles se maceran y se prensan para extraer el aceite, obteniéndose corrientes de aceite y de pasta prensada que todavía contiene 6% de aceite. (suponga que no hay pérdidas de otros constituyentes en la corriente de aceite). En la segunda etapa, la pasta prensada se trata con hexano para obtener una corriente de extracto de soya que contiene 0,5% de aceite en peso y una corriente de aceite-hexano. Suponga que no sale hexano en el extracto de soya. Finalmente, en la última etapa se seca el extracto para obtener un producto con 8% de humedad en peso. Calcule:

A) Los kg de pasta de soya que salen de la primera etapa B) Los kg de extracto de soya obtenidos en la segunda etapa C) Los kg de extracto seco final y el % en peso de proteína en el producto seco.

Problema 3.En un proceso que produce KNO3 , el evaporador se alimenta con 1000 kg/h de una solución que contiene 20% de KNO3 en peso y se concentra a 422 K para obtener una solución de KNO3 al 50% en peso. Esta solución se alimenta a un cristalizador a 311 K, donde se obtienen cristales de KNO3 de 96% en peso. La solución saturada que contiene 37,5% en peso se recircula al evaporador. Calcule la cantidad de corriente de recirculación R en kg/h y la corriente de salida de cristales P en kg/h

1

Problema 4.Se mezclan 4500 Kg/h de una solución acuosa de K2CrO4 al 33,3% en peso con un flujo de recirculación que contiene 36,36% de K2CrO4; este flujo mezclado entra a un evaporador. El flujo concentrado que sale el evaporador contiene 49,4% de K2CrO4; este flujo alimenta un cristalizador en donde se enfría (produciendo la precipitación de cristales de K 2CrO4 a partir de la solución) y después se filtra. La solución que pasa por el filtro es el flujo de recirculación y el sólido retenido en la lona filtrante que está constituido de 95% de K2CrO4 y 5% de solución es el producto. Calcular el flujo de agua extraída en el evaporador (W), el flujo de alimentación al cristalizador (C), el flujo de producto (P) y el flujo de recirculación (R). La respuestas deben ser dadas en Kg/h

Problema 5.Un gas combustible que contiene 3,1% molar de H2, 27,2% de CO, 0,5% de O2 , 63,6% de N2 y el resto vapor de agua, se quema con 20% de exceso de aire (esto es, aire sobrante con respecto al que s necesario para una combustión completa a CO2 y H2O). La combustión del CO es solo 80% completa. Para 105 moles de gas combustible, calcule las moles de cada componente en el gas de salida.

Problema 6.El metanol se fabrica haciendo pasar H2 y CO gaseosos a alta presión y 573 K sobre un lecho catalítico. La reacción es:

CO + H2

→

CH3OH

En el lecho catalítico, el 20% del CO total de alimentación se transforma en metanol. Los gases de salida del reactor se enfrían en un condensador y la mayor parte (pero no todo) del metanol sale como producto líquido. Algo de vapor de metanol queda en el gas del condensador. Esta corriente de gas contiene 2 moles % de metanol y se recircula. La alimentación nueva al reactor (2,64 moles) contiene 2 moles de H2 por cada mol de CO y se mezcla con la corriente de recirculación al entrar al reactor. Calcule los moles de producto y los moles de recirculación.

2

Problema 7.Dado el siguiente esquema, determine si la corriente W entra ó sale del sistema y calcule su composición. W F = 100 lb 50 % EtOH 10 % MeOH 40 % H2O

P = 60 lb 80 % EtOH 15 % MeOH 5 % H2O

Problema 8.Dado el siguiente esquema, determine si la corriente B entra ó sale del sistema, calcule el peso de las corrientes B y C. B= ? 22 % MeOH 78 % H2O A = 100 Kg 50 % EtOH 10 % MeOH 40 % H2O

C= ? 91 % EtOH 9 % H2O

Problema 9.Dado el siguiente esquema, determine la cantidad de producto final P y su composición. A =350 lb aire 21 % molar de O2 79 % molar de N2 F = 16 lb 100 % CH4

P= ? CO2 N2 H2O O2

Problema 10. Se encontró que una pulpa húmeda tenía 71 % de agua. Después del proceso de secado se determinó que se había eliminado el 60 % del agua original. Calcule: a.- La composición de la pulpa seca b.- La cantidad de agua eliminada por libra de pulpa húmeda alimentada

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Problema 11 Un evaporador se alimenta con una solución acuosa que contiene aproximadamente un 15 % de sólidos, para producir una solución concentrada con 35 % de sólidos. Determine: i. Cuanta agua se evapora por tonelada de alimentación ii. La cantidad de producto obtenido por tonelada de alimentación

Problema 12 Un tanque opera con 10000 lb de una solución saturada de NaHCO3 a 60 C. Se desea cristalizar 500 lb del NaHCO3 a partir de esta solución. ¿A que temperatura deberá enfriarse la solución? Datos de solubilidad del NaHCO3 en agua Temperatura 10 20 30

40

50

60

12.70

14.45

16.40

(C)

Solubilidad

8.15

9.60

11.10

(g NaHCO3 /100g H2O)

Problema 13 En la producción de aluminio a partir de mineral de bauxita, un paso crucial es la separación de la alúmina de las impurezas minerales. En el proceso Bayer, esto se logra mediante el tratamiento de bauxita con NaOH en solución, para producir NaAlO2. Debido a que el NaAlO2 es soluble en agua, pero no los componentes residuales del mineral de bauxita, puede obtenerse una separación dejando asentar dichos minerales y decantando la solución acuosa de NaAlO2 y NaOH que no reaccionó. Para recuperar algo más del NaAlO2 que quedó en la solución atrapada entre los sólidos 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 alimentación que contiene 10 % de sólidos, 11 % de NaOH, 16 % de NaAlO2 y el resto agua, con una corriente de agua de lavado que contiene 2 % de NaOH, para producir una solución decantada libre de sólidos, formada por 95 % de agua y un lodo asentado con 20 % de sólidos. Calcule la cantidad de NaAlO2 que se recupera en la solución decantada, si se alimenta lechada a razón de 1000 lb/h. lechada

Agua de lavado

Estanque de lavado Solución decantada

Estanque de sedimentación Lodo lavado

Problema 14 Se trata de concentrar por flotación sencilla, con adición de 42.5 g de reactivo por tonelada de mineral, un mineral de plomo que previamente ha sido molido hasta obtener la granulometría adecuada para el proceso de flotación. Las composiciones de la materia prima de flotación, del concentrado y de los residuos son las siguientes: % en

Materia Prima

Concentrado

Residuos

30 20 40 10

90 5 3 2

0.9 27.3 57.9 13.9

Componente SPb SZn CaCO3 SiO2

A la unidad se le incorpora agua, a razón de 4.6 m3 por tonelada de concentrado seco, saliendo el 99 % del agua con los residuos y el otro 1 % con el concentrado. Se desea conocer: A. La cantidad de concentrado húmedo producida por hora, si la unidad se alimenta a razón de 10 ton de mineral cada 24 horas B. El agua necesaria total, en Kg/h C. La fracción del plomo contenido en el mineral que se pierde en los residuos Mineral de Plomo

Agua

Floculante Concentrado

Residuos

Problema 15 Un secador de frutas portátil instalado en el Valle del Elqui, recibe cierta cantidad de pulpa de frutas con 80 % de agua. Después de eliminar 100 libras de agua, se determinó que la pulpa aún contenía 40 % de agua. Se pide calcular el peso de la pulpa inicial.

Problema 16 Sylvinita (42.7 % NaCl, el resto KCl) se disuelve en 1000 libras de agua y luego se enfría para inducir la cristalización. La composición 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 operación se realiza a 30.12” de Hg de presión. Trace el diagrama de flujo y calcule: i. Las libras de sylvanita usadas ii. La composición de la solución final iii. El porcentaje de KCl recuperado

Problema 17 Un aceite lubricante se forma mezclando en un estanque agitado 350 lbs/min de aceite grado A, 225 lbs/min de aceite grado B y 120 lbs/min del aceite grado C. La mezcla se extrae a razón de 525 lbs/min a 70 F y 1 ata. Trace el diagrama y determine: i. El balance de materia para una hora de operación ii. Si en un momento dado el inventario de aceite en el estanque es 10000 libras y se comienza a extrae aceite a razón de 1000 lbs/min, se pide determinar en cuanto tiempo el estanque quedaría vacío.

Problema 18 Para el proceso de cristalización mostrado en la figura se pide calcular: a.- La fracción en peso de KNO3 en la corriente de reciclo b.- El flujo másico de la corriente de reciclo c.- La cantidad de agua evaporada Agua evaporada

10000 lb/h de solución al 20 % KNO3

Sol. al 50 % de KNO3

EVAPORADOR

Cristales de KNO3 con 4 % de agua

CRISTALIZADOR

Solución saturada a 100 F Solubilidad 0.6 lb/lbagua

Problema 19 Para el proceso de obtención de plata mostrado en la figura, en el cual el sulfato de plata es el reactivo limitante, se pide calcular: i. El exceso de cobre utilizado basado en la alimentación al reactor ii. El flujo másico de reciclo Cu

Ag2SO4

CuSO4

REACTOR CONVERSION 75 %

SEPARADOR

1000 lb/h Ag 90 % Cu 10 %

Ag2SO4

Problema 20 Para propósitos de regadío, un agua salobre es desalinizada por evaporación. Sí se alimenta agua con 600 ppm de sal y sólo se permiten 50 ppm en el agua de regadío, ¿qué fracción de alimentación se puede bypasear el proceso de evaporación?

Problema 21 En una planta metalúrgica se emplea hidrógeno para reducir 1 ton/h de oxido férrico. El hidrógeno fresco que contiene 1 % en peso de dióxido de carbono se mezcla con hidrógeno de reciclo antes de volver a enviarlo al reactor. Se retira una purga con el fin de evitar que la concentración de dióxido de carbono sea superior al 2,5 % a la entrada del reactor. La razón molar de gas de reciclo a gas fresco es 4:1. Calcule la cantidad y composición de la purga. H2O

Fe2O3

Fe

REACTOR

Purga

SEPARADOR

Gas fresco

Problema 22 En la concentración de HNO3 se sigue el proceso que se indica en la figura. Sí 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 composición de las mismas.

C

1000 lb/h HNO3 99 % H2O 1%

A

HNO3 60 % H2O 40 %

Mg(NO3)2 55 % HNO3 H2O

B

HNO3 2 % H2 O 98 %

Mg(NO3)2 72 % HNO3 11 % H2O 17 %

Problema 23 Una mezcla que contiene 34 % en peso de acetona (CH3COCH3), 33 % de ácido acético (CH3COOH) y 33 % de anhídrido acético [ (CH3CO)2O ], se alimenta a una torre de destilación a razón de 15000 Kg/h. El destilado, también llamado producto de tope o de cabeza, se puede considerar como acetona pura y el producto de fondo contiene un 1 % de la acetona alimentada. Determine: i. El flujo de destilado, en Kg/h. ii. La composición de la corriente de fondo, en % en peso

Problema 24 Se desea producir una solución al 8 % de NaOH diluyendo una solución al 20 % de NaOH en agua pura. Determine: a.- El cociente g de agua/g de la solución de NaOH alimentada. b.- Cociente g de solución producto/g de solución de NaOH alimentada. c.- Las velocidades de alimentación de la solución al 20 % de NaOH y el agua para dilución que se requieren para producir 2310 lb/min de la solución al 8 % de NaOH.

Problema 25 Las fresas contienen a l r e d e d o r d e 15 % de sólidos y 85 % de agua. Para preparar mermelada de fresa, se mezclan las fresas trituradas c o n azúcar en una relación en peso de 45:55, y 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 Determine cuántas libras de fresas se necesitan para producir una libra de mermelada

Problema 26 Una mezcla de pintura que contiene 25 % de un pigmento y el resto de agua tiene un costo de $ 1200/Kg, y una mezcla que contiene 10 % de pigmento tiene un costo de a $ 700/Kg. a.-

b.-

Si un fabricante de pinturas produce una mezcla al 15 % de pigmento a partir de las mezclas especificadas anteriormente, ¿en cuánto debe vender la mezcla al 15 % para tener una ganancia de 10 %?. Considere todos los porcentajes en base peso. ¿En qué proporciones deberá agregar las mezclas originales para producir la mezcla resultante al 15 %?

Problema 27 En una planta de concentración de sales, se dispone de una solución que contiene 10 % de NaCl y 20 % de KCl que se concentra hasta obtener una solución que contenga 30 % de NaCl, en una operación en la que se evaporan 200 Kg de agua. La solución resultante se hace llegar a un agitador donde se ajusta la concentración agregando 200 Kg de un concentrado acuoso de KCl que contiene 90 % de dicha sal. I. Haga un esquema del proceso II. Determine la composición del producto final del proceso

Problema 28 Una mezcla de tres compuestos orgánicos; benceno (B), tolueno (T) y xileno (X), se separa por destilación fraccionada continua en dos torres de destilación. En la primera se obtiene como producto de tope el 80 % del benceno alimentado. La segunda torre se alimenta con 1700 lb/h, de las cuales un 60 % sale como producto de tope. Calcule: i. El flujo de alimentación al sistema, en lb/h, y la composición de ella. ii. La cantidad de benceno, lb/h, obtenido en la primera columna como producto de tope. iii. La cantidad de xileno obtenido en la segunda torre como producto de cola, en lb/h. XB2 = 96 % XT2 = 4 % T O R R E

T O R R E

I

II

XB4 = 2 % XT4 = 97 % XX4 = 1 %

XT5 = 1 % XX5 = 99 %

Problema 29 Un flujo que contiene 25 % en peso de metanol en agua se diluye con un segundo flujo que contiene 10 % de metanol, para formar un producto que contiene 17 % de metanol. i. Dibuje y etiquete un diagrama de flujo de este proceso ii. Que flujos de alimentación se requieren para producir 1250 Kg/h de producto?

Problema 30 El jugo de naranja fresco contiene 12 % en peso de sólidos y el resto es agua; mientras que el jugo de naranja concentrado contiene 42 % en peso de sólidos. El proceso de concentrar el jugo de naranja se realiza en un evaporador. Las experiencias preliminares de fabricación se hicieron concentrando el jugo fresco de 12 % a 42 % en peso, sin embargo, los componentes vólatiles se evaporaban junto con el agua dejando al concentrado sin sabor. Dado lo anterior se optó por un proceso en el cual una fracción del jugo fresco se desvía (by pass) del evaporador y otra se concentra en este hasta que contiene 58 % de sólidos. Este producto se mezcla con el jugo fresco desviado para alcanzar la concentración final de sólidos (42 %). A. Calcule el jugo concentrado producido por cada 100 Kg de jugo fresco alimentado B. Calcule la fracción de la alimentación que se desvía del evaporador.

Problema 31 Un flujo que contiene 25 % en peso de metanol en agua se mezcla con un segundo flujo que contiene 10 % de metanol en agua, para formar un producto que contiene 17 % de metanol. a.- Escoge una base de cálculo conveniente, hace un esquema del proceso y calcula la relación Kg de la disolución al 17 % partido por Kg de la disolución al 25 % b.- ¿Cuántos Kg/h de cada flujo de alimentación se requieren para producir 1250 Kg/h de producto? Problema 32 En la figura se muestra una unidad de separación por destilación fraccionada que opera en dos etapas. Dada una alimentación de 1000 lb/h, calcule el flujo de la corriente F2 y la composición de la misma. 3

4

1 % Tolueno

1 40 % Tolueno 40 % Benceno 20 % Xileno

95 % Tolueno

T O R R E

T O R R E

I

II

2

5 10 % Tolueno 90 % Xileno

Problema 33 La sal contenida en el petróleo crudo debe eliminarse antes de procesarlo en una refinería. El petróleo crudo se alimenta a una unidad de lavado en la que agua dulce alimentada a la unidad se mezcla con el petróleo y disuelve una porción de la sal que contiene. El petróleo (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 a g u a de l a v a d o q u e sale de la unidad contiene 15 % de sal y el crudo alimentado contiene 5 % de sal, determine la concentración de la sal en el producto de petróleo “lavado” si la razón petróleo crudo (con sal) a agua dulce que se usa es de 4 : 1 Problema 34 Un secador de pulpa recibe 1000 lb/h de pulpa que contiene un 90 % de humedad para entregar como producto una pulpa con 25 % de humedad. i. Haga un esquema del proceso ii. Determine la cantidad de producto que sale del secador por semana considerando un horario de trabajo de lunes a viernes con 8 h diarias iii. Calcule la cantidad de agua que se debe eliminar por día

Problema 35 Un gas contiene 5 % molar de C3H8, 9 % molar de C4H10, 16 % molar de 02, 35 % molar de N2 y el resto de H20. Calcule la composición en peso de este gas en base húmeda y en base seca.

Problema 36 Un gas contiene 5 % en peso de C3H8, 9 % en peso de C4H10, 16 % en peso de 02, 35 % en peso de N2 y el resto de H20. Calcule la composición molar de este gas en base húmeda y en base seca.

Problema 37 Se desea preparar una disolución de ácido sulfúrico al 50% en peso para lo cual se dispone de lo siguiente: Hielo a 32 F H2SO4 al 80 %p a 100 F H2SO4 al 30 %p a 100 F ¿Qué cantidad de cada uno se deberá agregar para preparar 1000 lb de la disolución al 50 %p con una temperatura final de 100 F, si en el proceso la mezcla no se calienta ni se enfría.

Problema 38 Una empresa de la Industria Lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7 % de humedad. Esta caseína húmeda la vende a US$ 8.00/100 lb de caseína húmeda. Para diversificar la producción, la empresa también seca esta caseína para obtener un producto que contiene 10 % de humedad. Sus costos de secado son US$ 0.80/100 lb de agua eliminada. ¿Cuál debería ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? Recuerde: Las utilidades son iguales al precio de venta menos los costos: U = P - C Hay dos costos que aparecen en el problema: Costo de producir la caseína húmeda, Cp, y Costo de secado, Cs, donde: C = Cp + Cs

Problema 39 La reacción entre el etileno (C2H4) y el bromuro de hidrógeno (HBr) se efectúa en un reactor continuo. Al analizar el flujo de productos se encontró que contiene 50 % molar de C2H5Br y 33.3 % de HBr. La alimentación del reactor contiene sólo etileno y bromuro de hidrógeno. Determine: a.- El porcentaje de conversión del reactivo limitante b.- El porcentaje en exceso del reactivo no limitante

Problema 40 Las cosas iban bien en la planta piloto de la Farmacéutica Philpott durante el turno de medianoche a las 5 a.m., hasta que Enrique, el operador del reactor, dejó el manual de instrucciones demasiado cerca del mechero de Bunsen, con el cual calentaba su café. La historia se puso color de hormiga cuando el manual de instrucciones, el café y una parte importante de la manga izquierda de la bata de E n r i q u e se quemaron completamente. Al recordar el enojo de su supervisor cuando le telefoneó a medianoche por última vez, Enrique decidió confiar a su memoria las instrucciones para continuar la operación. Ajusto la velocidad de flujo del ciclohexano, C6H12 (M = 84 g/mol, ρ = 779

Kg/m3) a 11.0 l/min, y la del tetrahidrosinfurol, THF (M = 216 g/mol, ρ = 1300 Kg/m3) a 5.0 l/min. Enrique debería haber recordado dos cosas importantes respecto a la mezcla de estos reactivos: La fracción en masa del THF en la mezcla de reactivos debería ser 0.25 y sí la fracción molar del THF excede de 0.3, la mezcla explota Determine: A. Un esquema del proceso. B. ¿Enrique tenía mala memoria? Justifique su respuesta, ¿Sí tenía mala memoria, se dio cuenta rápidamente de su error?, Justifique su respuesta. Problema 41 Una torre de destilación se emplea para purificar benceno proveniente d e una corriente de 100 Kg/h, que contiene 50 % en peso de benceno y 50 % en peso de tolueno. Si el producto de tope tiene una composición de benceno del 85 % en peso y el producto de fondo contiene 10.6 % en peso de benceno, calcule los flujos másicos del producto de tope y del producto de fondo de la torre, en Kg/h. Problema 42 El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas en una torre de absorción. El gas que contiene 15 % molar de CS2 y 85 % molar de N2, se alimenta a la torre donde se pone en contacto con benceno puro, que absorbe el CS2 pero no el N2. El benceno ingresa a la torre en una relación molar 2 : 1 con respecto al gas de alimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2 % molar de CS2 y 3 % molar de benceno. a.- Calcule la fracción de CS2 que se recupera en el proceso b.- Calcule el porcentaje de benceno que se pierde en el producto en forma de vapor Problema 43 Las fuentes de proteína de semillas oleaginosas incluyen soja, algodón, maní, maravilla, copra, colza, ajonjolí, ricino y lino. Generalmente la separación del aceite de la pasta (harina) se efectúa mediante extracción con solvente. Cuando se usa algodón, el análisis de la semilla de algodón es 4 % de cascarilla, 10 % de fibra, 37 % de harina y 49 % de aceite. Durante la etapa de extracción, 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, así como la cantidad de hexano que deberá recircularse a través de la unidad de extracción. Solvente rico en aceite

Semillas crudas

Limpieza de semillas

Semillas limpias

Extracción por solvente

Recuperación de solvente

Aceite puro

Cascarillas, fibra Solvente limpio Pasta libre de aceite contiene 0,5 % de solvente

Solvente fresco

Problema 44 El proceso de obtención de un pigmento consta principalmente de una etapa de extracción líquido-líquido, seguida de una etapa de destilación de donde el pigmento sale prácticamente puro. En la etapa de extracción, el pigmento disuelto en un aceite liviano se pone en contacto con un solvente, acetona pura, la cual "arrastra" un 70 % del pigmento alimentado. En la segunda etapa el pigmento se separa de la acetona, saliendo el pigmento por el fondo de la torre de destilación y la acetona por el tope de la misma. i. Determine el flujo de materia prima, F1, que es necesario alimentar para producir 1000 Kg/h de pigmento puro. ii. Sí un buen arrastre del pigmento se logra empleando 3 partes de acetona por 2 partes en peso de solución de aceite, F1, determine la cantidad de acetona a alimentar, F4.

Problema 45 En un reactor químico, donde se logra un 80 % de conversión del reactivo limitante, se produce la oxidación del amoniaco de acuerdo a la siguiente reacción: NH3 + O2 N2 + H2O Sí se alimentan 300 kg/h de amoniaco y 2500 kg/h de aire (21 % O2 y 79 % N2, en moles), determine: i. Escriba la reacción química con los coeficientes estequiometricos que corresponden ii. Cuál es el reactivo limitante. iii. La composición de la corriente de salida del reactor. iv. El porcentaje de exceso del reactivo no limitante, con el que se alimenta el reactor. Datos:

MN = 14

MO = 16

MH = 1

Maire = 29

Problema 46 30 Kg/h 60 % A 40 % B

1

6

2

3

7

4

T-1

T-2 5 30 Kg/h 30 % A 70 % B

40 Kg/h 90 % A 10 % B

100 Kg/h 50 % A 50 % B

Para el proceso que se muestra en la figura, haga los balances que sean necesarios y determine con ellos el flujo, en Kg/h y la composición de las corrientes 1, 3 y 4. Tabule sus resultados.

Prob. 47 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 reacción que predice la formación de estos compuestos es: A2 + B

——>

AB + B2

El proceso consta de un reactor que es alimentado por la mezcla de una corriente fresca con otra de recirculación. La relación molar entre estos dos flujos es de 20:17. La alimentación fresca contiene 50.7 % de B, 14.3 % de A2 y 35 % de agua. El reactor funciona con una conversión del 40 % respecto del limitante. El producto del reactor es alimentado a un filtro (separador sólido-líquido) donde todo el compuesto insoluble se retira acompañado del 10 % de la solución que entra al filtro. La otra corriente de descarga del filtro (solo solución) 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 B. Calcule El porcentaje de AB en el producto del separador respecto del total generado. C. Halle la fracción recirculada respecto de la alimentación al separador. D. Calcule la razón másica entre sólidos insolubles y solución producto del reactor.