Seminario Nº2: Fundamentos de los balances de materia

UPC UNIVERSIDAD  PERUANA  DE  CIENCIAS  APLICADAS

Carrera de Ingeniería Industrial

OPERACIONES UNITARIAS                                                                                     

Seminario Nº2:

Fundamentos de los balances de materia

Balances de materia

1. Se introduce agua a un tanque de 2.00 m3 a una velocidad de 6.00 kg/s y se retira a una velocidad de 3.00 kg/s. Al inicio el tanque está lleno hasta la mitad

1. Indique si este proceso es continuo, discontinuo (o intermitente) o semicontinuo. ¿Se encuentra en estado transitorio o estacionario?
2. Escriba el balance de masa a partir de la ecuación general
3. ¿Cuánto tardará el tanque en llenarse?

1. A un proceso de producción de metano a partir de gas de síntesis y vapor de agua, se alimentan 6 kmol/min de un gas que contiene 50% de H2, 33 ½ % de CO y el resto CH4 (base molar), así como 72 kg/min de vapor de agua. Los productos son 3 kmol/min de agua líquida y 96 kg/min de un gas que contiene 25% de CH4, 25% de CO2 y el resto H2 (base molar). Determine con 3 cifras significativas si:

1. Se conserva la masa total
2. Se conservan las moles totales
3. Se conservan las moles de cada tipo de átomo

1. La cerveza cruda (densidad = 1.04 g/mL) contiene 0.5% de sólidos. Es necesario separar los sólidos antes de embotellar la cerveza. Se elige la filtración como técnica de separación haciéndose pasar 800 L/h a través de un filtro de canastilla. Es necesario interrumpir el proceso para limpiar la canastilla después de depositarse en el filtro 1000 kg de sólidos en la canastilla. ¿Cuál es la velocidad de depósito de los sólidos en la canastilla?. ¿Cuánto tiempo puede funcionar el sistema de filtración hasta que sea necesario limpiar la canastilla?

1. Es necesario preparar un cilindro que contenga, CH4, C2H6 y N2 con una relación molar de CH4 a C2H6 de 1.5 a 1. Se dispone de A) un cilindro que contiene 80% de N2 y 20% de CH4 , B) un cilindro con 90% de N2 y 10% de C2H6. Determine la proporción en la que se debe mezclar los contenidos de los cilindros A y B para obtener una mezcla como la indicada.

1. Usted está por preparar un caldo para un fermentador a fin de cultivar células productoras de antibiótico. (Un fermentador es justo un recipiente de reactor especial para el cultivo de microorganismos). El caldo debe ser una disolución acuosa que contenga el 15% en peso de glucosa, un 6% en peso de fosfato, un 6% de nitrato y varias trazas de nutrientes. Un distribuidor puede producir la mezcla requerida a $15/kg; sin embargo, su jefe supone que usted puede elaborarla internamente por mucho menos. Varios productos comerciales están disponibles como materias primas, para mezclarse con agua según sea necesario. Sus composiciones de masa y costos son:

1. Calcule las cantidades de estos productos y de agua requeridas para obtener el caldo mencionado
2. Suponiendo que  el agua no tiene un costo significativo, calcule el costo en materias primas y la economía máxima por kilogramo
3. Si el equipo mezclador y los tanques de almacenamiento para preparar un lote de 20 kg tiene un costo de $2 000 ¿cuántos lotes necesitará obtener para pagar el equipo antes que empiece a haber ahorros reales?
4. ¿Cuál es el porcentaje en peso de trazas de nutrientes en el caldo preparado?

1. Una mezcla líquida de benceno y tolueno contiene 55.0% de benceno en masa. Parte de la mezcla se va a evaporar para generar un vapor que contenga 85.0% de benceno y un líquido residual con 10.6% de benceno en masa.

1. Suponga que el proceso se va a efectuar de manera continua en estado estacionario con una velocidad de alimentación de 100.0 kg/h de la mezcla al 55%. Sean  mV (kg/h) y ml(kg/h) las velocidades de flujo másico de las corrientes de producto gaseoso y líquido, respectivamente. Dibuje y marque el diagrama de flujo de proceso, y después escriba y resuelva el balance de masa total y del benceno para determinar los valores esperados de mV y m1. Para cada balance, indique los términos de la ecuación general de balance  que descartó y por qué.
2. Luego suponga que el proceso se va a efectuar en un recipiente cerrado, el cual contiene al inicio 100.0 kg de la mezcla líquida. Sean mV (kg) y ml (kg) las masas respectivas de las fases finales gaseosa y líquida. Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso, y después escriba y resuelva los balances integrales de masa total y del benceno para determinar mV y m1. Para cada balance, indique los términos de la ecuación general de balance que descartó y por qué.

Diagramas

1. La deshidrogenación catalítica del propano se lleva a cabo en un reactor continuo de cama empacada. Un precalentador se alimenta con 100 lb/h de propano puro, en el que se calienta a una temperatura de 670ºC antes de pasar al reactor. El gas de salida del reactor que contiene propano, propileno, metano e hidrógeno se enfría desde 800ºC hasta 110ºC y alimenta una torre de absorción en la que el propano y el propileno se disuelven en aceite. El aceite entra a una torre de desorción en la que se calienta, permitiendo la salida de los gases disueltos; estos gases se comprimen y se transfieren a una columna de destilación de alta presión, en donde el propano y el propileno se separan. El flujo de propano que contiene 97% de pureza se hace recircular hacia la alimentación del precalentador del reactor. El flujo de producto de la columna de destilación contiene 98% de propileno. El aceite desorbido se hace recircular a la torre de absorción

1. Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semillas de algodón, usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias. La semilla de algodón está compuesta por: 14% de material celulósico, 37% de pasta de proteína y 49% de aceite (porcentajes en peso).  Si se utiliza 3 kg de aceite por kg de semilla cruda:

1. Haga un diagrama del proceso        b) Determine los kg en cada corriente que entra y sale    c)Calcule la composición del extracto de aceite (sólo hexano y aceite)

Grados de libertad

1. En cada uno de los siguientes esquemas se dan datos y se asignan variables o incógnitas. Determine el número de grados de libertad e indique si el problema se puede resolver (hallar los valores de todas las incógnitas).     xA  (fracción en masa) =  gramos de A / gramos totales

                                                            [pic 1][pic 2]

                                                               [pic 3]

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