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Problemas química industrialProblemas sobre balance de materia sin reacción química12 problemas de balance de materia sin reacción química con solución
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Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.1-
Tanque de Disolución
Tanque de Dilución
Agua
NaOH Sólido
Agua Evaporada
W1
W2
Solución 50% NaOH
Solución 24% NaOH
I.1. La leche desnatada se obtiene al eliminar parte de la grasa de la leche entera. Esta leche
desnatada contiene: 90.5% de agua, 3.5% de proteínas, 5.1% de hidratos de carbono, 0.1%
de lípidos y 0.8% de cenizas.
Si la leche entera original contiene un 4.5% de grasa, calcular su composición suponiendo
que en la producción de la leche desnatada tan solo se elimina la grasa.
I.2. Se quiere recuperar el benceno de una torta de filtrado que contiene 20% de benceno y 80%
de sólidos inertes, calentándola con una corriente de nitrógeno en un secadero continuo en
contracorriente. El nitrógeno entra seco y sale llevando 0.7 kg de benceno por cada kg de N2.
Los sólidos residuales tienen un 4% en peso de benceno. Calcular:
- Los kilos de N2 que atraviesan el secador por kg de sólido inerte.
- Porcentaje de benceno recuperado (considerado como tal el que sale en la corriente de
N2).
I.3. En una industria textil se quiere preparar una disolución de sosa cáustica al 24% en peso
para un proceso de mercerización. Debido al elevado calor de la disolución de la sosa en
agua, la solución se prepara en un proceso en dos etapas, como muestra el diagrama.
Considerando que la pérdida por evaporación en el tanque de disolución es del 4% del agua
alimentada, calcular el ratio 2
1
WW
en peso.
I.4. El flujo de alimentación a una unidad que consiste en dos columnas contiene 30% de
benceno (B), 55% de tolueno (T) y 15% de xileno (X). Se analiza vapor de destilado de la
primera columna y se encuentra que contiene 94.4% de B, 4.54% de T y 1.06% de X. Los
fondos de la primera columna se alimentan a una segunda columna. En esta segunda
columna, se plantea que 92% del T original cargado a la unidad se recupere en la corriente
de destilado, y que el T constituya el 94.6% de la corriente. Se plantea además que 92.6%
del X cargado a la unidad se recupere en los fondos de esta columna y que el X constituya el
77.6% de dicha corriente. Si se cumplen estas condiciones, calcule:
- El análisis de todas las corrientes que salen de la unidad.
- La recuperación porcentual de benceno en la corriente de destilado de la primera columna.
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.2-
Salmuera F lb/h
NaCl 25% H2O 75%
NaCl 33% H2O 67%
NaCl 50% H2O 50% NaCl 97%
H2O 3%
I II II
P1 P2 P3
V1 V2 V3
H2O 100% H2O 100% H2O 100%
14670 lb/h
I.5. Se ha diseñado un evaporador de triple efecto para reducir el contenido de agua de un flujo
de salmuera (NaCl+H2O) desde el 25% al 3% (en peso). Si esta unidad produce un flujo de
14670 lb/h de NaCl (junto con un 3% de agua), determinar:
- El flujo másico de alimentación de salmuera, en lb/h.
- El agua eliminada de la salmuera en cada evaporador.
I.6. 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 esta etapa se lleva a cabo
mediante el tratamiento de bauxita con NaOH en solución para producir NaAlO2. Debido a
que el aluminato de sodio es soluble en agua, pero no los componentes residuales del
mineral de bauxita puede obtenerse una separación dejando asentar estos minerales y
decantando la disolución acuosa de NaAlO2 y NaOH no reaccionado.
Para recuperar algo más del aluminato se añade al decantador una corriente adicional de
lavado con agua, se deja asentar y se decanta el agua de lavado.
Lechada de alimentación: 10% sólidos, 11% NaOH, 16% NaAlO2, resto agua.
Agua de lavado: 2% NaOH.
Disolución decantada: 95% H2O.
Lodo asentado: 20% sólidos.
Calcular la cantidad de NaAlO2 recuperado en la decantadora si se alimenta 1000 kg/h de
lechada.
* Las composiciones de las corrientes vienen dadas en peso.
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.3-
Evaporador
Condensador
Co
lum
na D
est
ilaci
ón
Vapores de ácido HNO3 (99%)
Vapor de agua
HNO3 (60%)
H2SO4 (93%)
H2SO4 (60%)
I.7. El HNO3 forma un azeotrópo con el agua (68.4%HNO3), por lo que la etapa final de
fabricación de ácido nítrico concentrado es una destilación extractiva, en la que la
concentración del ácido pasa de 60 a 99%.
Calcular:
- Flujo másico de agua que sale del evaporador.
- Flujo másico de H2SO4 recirculado.
- Flujo másico de alimentación del ácido diluido que entra en el sistema para producir 100
kg/h de ácido nítrico concentrado.
I.8. Un flujo de gas que contiene 25% en mol de CO2 y 75% de CH4 se trata en una planta de
acondicionamiento de gas. El flujo alimenta un absorbedor a una velocidad de 50 kmol/h y se
pone en contacto, dentro de éste con un disolvente líquido que contiene 0.5% en mol de CO2
disuelto y el resto de metanol. El gas que sale del absorbedor contiene 1.0% en mol de CO2 y
esencialmente todo el metano que alimentó la unidad. El disolvente rico en CO2 que sale del
absorbedor alimenta una torre de regeneración; en ellas se pone en contacto con un flujo de
nitrógeno, extrayendo 90% del CO2 disuelto. El disolvente regenerado se hace recircular a la
columna de absorción. Se puede suponer que el metanol no es volátil, esto es, que no se
encuentra en la fase vapor en ninguna unidad del proceso.
Calcular:
- La extracción fraccionaria de CO2 (moles absorbidos/moles alimentación), el flujo molar y
la composición de la alimentación líquida del regenerador.
- El flujo molar de alimentación del absorbedor requerida para producir un flujo másico de
productos de 1000 kg/h.
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.4-
Gas lavado
Gas de pozo
Aceite refinado
Aceite enriquecido
Lavador Gasolina Natural
Co
lum
na
de
pu
rifi
caci
ón
I.9. Una planta de gasolina de Oklahoma produce gasolina por eliminación de los vapores
condensables del gas que fluye de los pozos de gas. El gas de pozo tiene la siguiente
composición:
Compuesto CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5 (PM≈72) N2
% vol. 77.3 14.9 3.6 1.6 0.5 2.1
Este gas pasa a través de una columna de absorción, en donde se lava con un aceite pesado
y no volátil. El gas que sale del lavador presenta el siguiente análisis:
Compuesto CH4 C2H6 N2
% vol. 92.0 5.5 2.5
El aceite lavador no absorbe ni CH4 ni N2, aunque sí elimina gran parte del etano, todo el
propano y los hidrocarburos superiores que contiene la corriente de gas de pozo. La corriente
de aceite se envía a continuación a una columna de purificación que separa el aceite de los
hidrocarburos absorbidos. El destilado de la columna de purificación recibe el nombre de
gasolina natural, mientras que el residuo se denomina aceite refinado.
El gas de pozo alimenta el lavador con un caudal de 52000 kmol/día, y el caudal de aceite
refinado sale de la columna de purificación es de 1230 kg/min (PM≈140).
Calcular:
- El flujo másico de CH4 que pasa por el lavador (kg/h).
- El flujo másico de C2H6 absorbidos por la corriente de gas (kg/h).
- El porcentaje en peso de propano de la corriente de aceite que sale del lavador.
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.5-
Alimentación
Producto I
Producto II
Rechazo
He 50% N2 50%
He 25% N2 75%
He 42% N2 58%
He 60% N2 40%
Limpieza Semillas Extracción
Recuperación disolvente
Semillas crudas
Cascarilla Fibra
Semillas limpias
Disolvente
Pasta libre de aceite 0.5 % disolución
Aceite puro
Disolvente limpio
I.10. En el diagrama se representa una planta separadora de He por difusión a través de
membranas. Debido a la permeabilidad de las membranas utilizadas se puede considerar que
el flujo másico que atraviesa cada membrana es igual al 30% del flujo másico de entrada.
Teniendo en cuenta que los porcentajes de composición indicados en la figura se refieren a
base másica
Calcular:
- La composición de la mezcla gaseosa que sale después de atravesar la membrana de cada
celda.
- El porcentaje de He respecto al He alimentado obtenido en cada uno de los productos.
- Los kg de He de rechazo por cada 100 kg/h de mezcla alimentada.
I.11. Varias semillas oleaginosas (soja, girasol, colza) se utilizan como fuentes de proteínas. El
análisis de la semilla de algodón es 4% cascarilla, 10% fibra, 37% harina y 49% aceite.
Durante la extracción deben utilizarse 2 lb de disolvente (hexano) por cada libra de semillas
limpias procesadas. Determinar, para cada tonelada de semillas crudas procesadas:
Las cantidades de aceite y de harina libre que se producen.
La cantidad de hexano que deberá recircularse a través de la unidad de extracción.
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.6-
I.12. Una unidad de desencerado de disolventes de una refinería separa 3000 bbl/día de un
destilado lubricante en 23% (vol.) de ceras y un 77% (vol.) de aceite desencerrado. La carga
se mezcla con un disolvente, se enfría y filtra, separando las corrientes de cera y aceite. El
disolvente se elimina de las dos corrientes mediante dos bancos de columnas de stripping, la
cola de cada columna alimenta la cabeza de la siguiente. El banco de columnas del aceite
consiste en cuatro columnas y las de la cera en tres. Una prueba de carga para los bancos de
columnas presentó los siguientes resultados:
Porcentaje de disolvente en volumen
Corriente Cabeza 1 Cola 1 Cola 2 Cola 3 Cola 4
Aceite a presión 83.0 70.0 27.0 4.0 0.8
Ceras 83.0 71.0 23.0 0.5 -
Calcular:
- Cantidad total de solución cargada por día en la unidad.
- Porcentaje disolvente eliminado en cada columna en la bancada del aceite.
- Porcentaje disolvente eliminado en cada columna en la bancada de la cera.
- Barriles de disolvente perdidos por día (en las colas de las últimas columnas de cada
banco).
Cabeza 1
Cabeza 1
Ace
ite+
D
Cer
a +
D
Cola 1 Cola 3 Cola 4 Cola 2
Cola 1 Cola 3 Cola 2
DC1 DC2 DC3
DC1 DC2
Destilado Lubricante
3000 bbl/dia
Disolvente (D)
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.7-
SOLUCIONES DE LOS PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA
I.1. Composición leche entera:
Leche Agua Proteínas Hidratos Lípidos Cenizas
% 86.50 3.35 4.87 4.50 0.76
I.2. 0.297 kg de N2/kg de sólido inerte
83.3% (peso) de benceno recuperado
I.3. 2
1
WW
= 0.481
I.4. Benceno recuperado: 90.03% (peso)
% DII CII
B 3.89% 5.07%
T 94.6% 17.32%
X 1.51% 77.60%
I.5. F = 56919.6 lb/h
V1 = 13798.7 lb/h; V2 = 14661.1 lb/h; V3 = 13789.8 lb/h
I.6. Cantidad de NaAlO2 recuperado en decantadora: 152.4 kg/h
I.7. Flujo másico de AguaEvap: 65 kg/h
Flujo másico H2SO4 recirculado: 118.18 kg/h
Flujo másico alimentación: 165 kg/h
Nota: Base 100 kg/h de ácido nítrico concentrado.
I.8. Extracción fraccionaria de CO2: 0.97
Flujo molar alimentación: 81.07 kmol/h
I.9. Flujo másico de CH4: 26797.28 kg/h
Flujo másico de C2H6 absorbido: 6682 kg/h
Porcentaje propano en aceite: 3.96%
Problemas Química Industrial Balances de materia sin reacción química
-I.8-
I.10.
Membrana 1 2 3
XHe (%) 68.67 88.89 95.51
XN2 (%) 31.33 11.11 4.49
Flujo 30 9 27.3
HeProducto I/HeAlimentación = 0.16 = 16%; HeProducto II/HeAlimentación = 0.52 = 52%
Herechazo = 15.92 kg por 100 kg de alimentación
I.11. A= 489.6 kg; P= 371.85 kg (370 kg harina + 1.85 kg disolución)
Hexano recirculado: 1718.55 kg
I.12. Solución cargada: 4058.8 bbl/día
% disolvente eliminado en cada columna
Columna Columna Columna Columna
Bancada 49.85% 44.03% 6.01% -
Bancada 52.20% 40.02% 6.72% 0.69%
Disolvente perdido: 22.09 bbl/día