Problemas_Propuestos Balances Materia

5/22/2018 Problemas_Propuestos Balances Materia

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PROBLEMAS BALANCES DE MATERIA.

1.- Determinar la cantidad de azcar (en base seca) que se puede producir apartir de 100 kg de una solucin de azcar que contiene un 20 % en peso deazcar y un 1 % de impureza soluble en agua. La solucin es concentrada en

un 75 % de azcar, enfriada a 20 C, centrifugada y los cristales secados

2.- En un evaporador entra una disolucin y sale un material concentrado. SiI es el peso del material diluido, W el peso del agua vaporizada y C el peso delconcentrado. Escribir una ecuacin que represente la masa en el sistema(balance).

3.- Dibujar el diagrama de flujo para un cristalizador en el que entran 100 kgde azcar concentrado conteniendo un 85 % de sacarosa y 1 % de inertesoluble. Al disminuir la T, el azcar cristaliza. Una centrfuga separa loscristales del lquido llamado licor madre. La corriente de cristales hmedostiene como 20 % de su peso, un lquido con la misma composicin que el licormadre. El licor madre contiene un 60 % de sacarosa en peso.

4.- Dibujar el diagrama y determinar las composiciones para un proceso en elque se mezclan, una parte de cerdo (compuesta por 15 % protenas, 20 %grasa y 63 % de agua) y otra parte del mismo animal (compuesta por 15 %agua, 80 % grasa y 3 % protena) para producir 100 kg de una mezcla (Salami,por ejemplo) que contiene un 25 % de grasa.

5.- Un evaporador tiene una capacidad de evaporacin de 500 kg/h de agua.Calcular la tasa de produccin de zumo concentrado conteniendo un 45 % deslidos a partir de zumo bruto que contiene un 12 % de slidos.

6.- Una planta piloto de evaporacin en cortina tiene una capacidad deevaporacin de 10 kg/h de agua. El sistema consiste en un calentador a travsdel cual el fluido circula hacia abajo en forma de cortina y el fluido calentadose descarga en un colector que trabaja a vaco en el cual, una evaporacinflash reduce la temperatura del fluido caliente hasta su punto de ebullicin.En una operacin continua, una bomba recircula parte del concentrado delreservorio (almacenamiento) con la alimentacin del concentrado, e impulsa lamezcla a travs del intercambiador. La bomba impulsa 20 kg/h de fluido. Elfluido del colector debe encontrarse a la concentracin deseada para que elevaporador funcione continuamente. Si la alimentacin consiste en 5.5 %slidos y se necesita concentrarlos hasta un 25 %, calcular:a) caudal de alimentacin y produccin de concentradob) Cantidad de concentrado recirculadoc) Concentracin de la mezcla de alimentacin y concentrado recirculado7.- La leche desnatada se obtiene al eliminar parte de la grasa de la lecheentera. Esta leche desnatada contiene: 90.5 % de agua, 3.5 % de protenas,5.1 % de hidratos de carbono, 0.1 % de lpidos y 0.8 % de cenizas. Si la lecheentera original contiene un 4.5 % de grasa, calcular su composicinsuponiendo que slo se ha eliminado la grasa al obtener la leche desnatada, yque no hay prdidas en el proceso.


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8.- La densidad del etanol absoluto es 0.7893 g/cm3. La densidad de unadisolucin que contiene un 60 % en peso de etanol es 0.8911 g/cm3. Calcularel volumen de etanol absoluto que debe diluirse con agua para producir 1 l dedisolucin con un 60 % en peso de etanol. Comprobar que los volmenes noson aditivos.

9.- La patata se seca desde el 14% de slidos totales hasta el 93%. C1 es elproducto obtenido cada 1000 kg de patatas sabiendo que se pierde un 8% enpeso en el pelado?. (Se parte de 1000 kg de patatas enteras).

10.- 1000 kg de semilla de soja cuya composicin es de 18% de aceite,35% de protena, 27.1% de carbohidratos, 9.4% de fibra y ceniza y un10.5% de humedad se:- Trituran y prensan, lo que reduce el contenido en aceite al 6%.- Se extraen con hexano para producir una harina que contiene 0.5% de

aceite.

- Se desecan hasta que contengan slo un 8% de humedadSuponiendo que no hay prdida de protenas y agua en el aceite, hgaseun balance de materia de los componentes de las semillas de soja.

11.- Una unidad de destilacin de alcohol est alimentada por dos venas, asaber: - Fl = 136 kg/h, 45% alcohol, 55% agua (w), F2 = 240 kg/h, 20%alcohol, 80% agua (w). El destilado contiene 95% de alcohol y el desechocontiene 5% de alcohol. Encuntrese:

a) Rgimen de flujo de destilado (kg/h)b) Alcohol retirado en la vena de desecho (kg/h)

12.- El esquema siguiente describe un proceso de separacin de CINa y CIKcontenidos en una disolucin acuosa.

Se introduce al sistema una disolucin acuosa que contiene 10% de CINay 3% de CIK, con un caudal de 18400 kg/h.La corriente que sale del evaporador y se introduce en el cristalizadorcontiene 16.8% de CINa y la que sale del cristalizador y se recicla contiene18.9% de CINa. Calcular:a) La cantidad de CINa y CIK puros que se obtienen por hora y el caudalde agua evaporada.b) El caudal de la corriente que va del evaporador al cristalizador y elcaudal de la corriente de reciclado.NOTA: los % son el peso.

Evaporador

NaCl puro

Cristalizador

KCl puro


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13.- En la fabricacin de Acido Clorhdrico, se obtiene un gas que contiene un25% de HCI y 75% de aire en volumen. Este gas se pasa a travs de unsistema de absorcin en el cual se separa el 98% de HCI. El gas entra en elsistema a una temperatura de 120 F y una presin de 743 mm Hg y sale auna temperatura de 80 F y una presin de 738 mm Hg.

Calcular:a) El volumen de gas que sale por cada 100 ft3que entran en el aparato deabsorcin.b) El porcentaje de la composicin en volumen de los gases que salen delaparato de absorcin.c) El peso de HCI extrado por cada 100 ft3de gas que entra en el aparato deabsorcin.

14.- El hipoclorito clcico (CaClO2) se produce por absorcin de cloro en unalechada de cal. Un gas producido por el mtodo Deacon para obtencin de

cloro (C12), entra en el aparato de absorcin a una presin de 740 mm de Hg yuna temperatura de 75 F. La presin parcial del cloro es 50 mm Hg, siendo larestante debida a los gases inertes. El gas sale del aparato de absorcin a unatemperatura de 80 F y presin de 743 mm Hg, con una presin parcial decloro de 0.5 mm Hg. Calcular:

a) El volumen de los gases que salen del aparato por cada 100 ft3queentran.

b) El peso de cloro absorbido por cada 100 ft3de gas que entra.

15.- Un slido que contiene 18% de agua en peso se seca con aire hasta uncontenido de humedad del 4%, segn se muestra en el siguiente diagrama.El aire nuevo alimentado contiene 0.005 kg de agua/kg de aire seco. El airerecirculado contiene 0.08 kg de agua/aire seco, y el aire que entra en elsecador 0.02 kg de agua/kg de aire seco.Calcular:a) Los kg de aire que se recircula por kg de slido alimentadob) los kg de aire nuevo que se requiere por kg de slido alimentado

SECADERO

Entrada slido Salida slido

Aire nuevoSalida Aire


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16.- De una solucin acuosa que contiene 8% de cido ctrico y 92% de aguaen peso, se extrae cido ctrico usando benceno como solvente selectivo.Despus de una mezcla ntima del benceno con la solucin acuosa de cidoctrico, se deja reposar y se separan dos capas. Las capas formadas sebombean a sus respectivos tanques, recuperndose posteriormente el cido

ctrico y el benceno de la capa bencnica. La capa bencnica y la capa acuosade este proceso dan el siguiente anlisis en peso:Capa bencnica: 85% benceno 15% cido ctricoCapa acuosa: 1.0% benceno 1.5% cido ctrico 97.5% agua

Calcular:a) El % de cido ctrico inicial que se consigue extraer.b) El % de benceno usado que se perder en la capa acuosa.

17.- Hasta hace poco tiempo, el mayor defecto del zumo de naranja

concentrado era la prdida de sabor, resultante de la eliminacin de ciertoscomponentes voltiles durante la etapa de evaporacin. Actualmente se hasuperado esta dificultad mediante el empleo de evaporadores a presinreducida, en los que el zumo es concentrado a temperaturas del orden de 26 a30 C. En una instalacin para la elaboracin de concentrado de naranja, elzumo fresco procedente del extractor, contendiendo un 12.5% de slidos, pasaa travs de un sistema clarificador de zumos del que resultan tres corrientesdistintas, una de pulpa reteniendo algo de zumo, que puede despreciarse yotras dos de zumo aclarado pero de diferente concentracin. La primera, querepresenta el 80% (w) del zumo fresco alimentado al sistema clarificador, pasaa los evaporadores; la segunda, de distinta concentracin, y que contiene el

20% del zumo alimentado al sistema, no pasa por los evaporadores, sino quese mezcla posteriormente con el zumo concentrado, procedente de estos (quecontiene el 58% de los slidos) con el fin de obtener un producto final con unaconcentracin de 42% en peso de slidos.

Calcular:a) El peso de agua evaporada por cada 100 kg de zumo fresco alimentado.b) La concentracin de slidos en cada una de las dos corrientes que salendel aclarador.c) La razn en peso de concentrado a no concentrado que se mezcla paradar corriente final.


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18.- Un fabricante de licores tiene muchos problemas con su destilacin. En lafigura adjunta se muestra el diagrama de la operacin de este proceso dedestilacin:El fabricante ha considerado que pierde demasiado alcohol en el residuo.

Calcular:a) La composicin del residuo.

b) El porcentaje del alcohol alimentado que se pierde en el residuo.

19.- En una fbrica de mermelada la fruta triturada (que contiene 14% deslidos solubles) se mezcla con azcar suficiente para dar una mezcla de 45partes de fruta por 55 partes de azcar, aadiendo al mismo tiempo pectina(en una proporcin de 210 gr de pectina por cada 100 kg de azcar). Acontinuacin en un evaporador intermitente, se elimina agua hasta que losslidos solubles constituyan el 67% del total.Determinar el rendimiento de mermelada que se obtiene, expresando dichorendimiento en kg de mermelada obtenida por cada kg de fruta alimentada.

Nota: Considerar azcar y pectina como slidos solubles.

20.- Un gas de emisin contiene un 60 % en mol de N2, 15 % de C02, 10 % de02y el resto de H2O. Calcula la composicin molar y en peso del gas sobreuna base seca.


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21.- A continuacin se muestra el diagrama de flujo etiquetado para unproceso de destilacin continua en rgimen permanente de dos unidades.Cada flujo contiene dos componentes, A y B, en diferentes proporciones.Los tres flujos cuyas velocidades de flujo y/o composiciones sedesconocen, estn etiquetados con los nmeros 1, 2.

Calcula las velocidades de flujo desconocidas y las composiciones de losflujos etiquetados 1,2 y 3

22.- A continuacin se muestra el diagrama de flujo de un proceso enrgimen permanente para la recuperacin de cromato de potasio cristalino(K2CrO4) a partir de una disolucin acuosa de esta sal.

Se combinan 4500 kg/h de una disolucin que contiene 1/3 de K2CrO4 en

masa, y un flujo de recirculacin que contiene 36.36 % de K2CrO4; el flujocombinado alimenta un evaporador. El flujo concentrado que sale delevaporador contiene 49.4% de K2CrO4; este flujo alimenta un cristalizador,en donde se enfra (produciendo la precipitacin de cristales de K2CrO4apartir de la disolucin) y despus se filtra. El filtrado consiste en cristalesde K2CrO4y una disolucin que contiene 36.36 % en masa de K2CrO4; loscristales representan el 95% de la masa total del filtrado. La disolucinque pasa a travs del filtro, que contiene tambin 36.36 % de K2CrO4, es elflujo de recirculacin.Calcula el peso de agua extrada en el evaporador, la velocidad deproduccin de K2CrO4cristalino, el cociente (kg de flujo recirculado/ kg de

alimentacin fresca) y las velocidades de alimentacin con las que debendisearse el evaporador y el cristalizador.

4500 kg/h

33.3 % K2CrO4EVAPORADOR CRISTALIZADOR

Y FILTRO

Filtrado, solucin al 36.36 % de K2CrO4

49.4 % K2CrO4

H2O

Filtrado K2CrO4(cristales slidos)

disolucin al 36.36 % deK2CrO4(los cristalesconstituyen el 95% enmasa del filtrado)

1 2 3100 kg/h

0.500 kg A/kg0.500 kg B/kg

40 kg/h

0.900 kg A/kg0.100 kg B/kg

30 kg/h

0.600 kg A/kg0.400 kg B/kg

30 kg/h

0.300 kg A/kg0.700 kg B/kg


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23.-Un gas que contiene partes iguales (sobre una base molar) de H2, N2yH2O, pasa a travs de una columna de pastillas de cloruro de calcio queabsorben el 97 % del agua y ninguno de los otros gases. El empaque de lacolumna se encontraba inicialmente seco y tena una masa de 2.00 kg.Despus de 6 h de operacin continua se vuelven a pesar las pastillas y se

encuentra que tienen una masa de 2.21 kg. Calcula la velocidad de flujomolar (mol/h) del gas de alimentacin y la fraccin mol de vapor de aguaen el producto gaseoso.

24.- El azcar hmedo que contiene 20 % de agua se pasa a un secador,donde se retira el 75 % del agua.

a) Tomando como base 100 kg de alimentacin, calcula la fraccin enmasa de azcar seco en el azcar hmedo que sale del secador

b) Calcula el cociente (kg de H2O retirada/kg de azcar hmedo quesale del secador)

c) Si el secador se alimenta con 1000 ton/da de azcar hmedo, qucantidad de agua adicional debe retirarse del azcar de salida parasecarla completamente, y qu beneficio se obtiene si el azcar secose vende a $ 0.25/lb?

25.- Agua de mar, que contiene 3.50% en peso de sal, pasa a travs deuna serie de 10 evaporadores. En cada una de las 10 unidades se evaporaaproximadamente la misma cantidad de agua, que despus se condensa yse combina para obtener un flujo de productos que es agua pura. Lasalmuera a la salida del ltimo evaporador contiene 5.00 % en peso de sal.Si el proceso se alimenta con 30000 kg/h de agua de mar, calcula el

rendimiento fraccionario de agua pura (kg agua pura/kg agua mar) y elporcentaje en peso de sal en la disolucin que sale del cuarto evaporador.

26.- Una unidad de destilacin que consiste en dos columnas se alimentacon una mezcla lquida que contiene 30% en mol de benceno (B), 25% detolueno (T) y 45% de xileno (X), a una velocidad de 1275 kmol/h. Elproducto inferior de la primera columna contiene 99% en mol de X y nadade B; en este flujo se recupera el 98% del X de la alimentacin. Elproducto superior de la primera columna alimenta la segunda columna. Elproducto superior de la segunda columna contiene 99% de B y nada de X.El benceno recuperado en este flujo representa el 96% del B en la

alimentacin de esta columna. Calcula las velocidades de flujo molar(kmol/h) y las fracciones molares de los componentes en cada flujo deproductos de ambas columnas.


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27.- Una planta separadora de He por difusin a travs de membranas serepresenta en el siguiente diagrama con sus correspondientes datos decomposicin de algunas corrientes.El peso de la mezcla gaseosa que atraviesa cada membrana se puede tomar

igual al 30 % de la mezcla gaseosa que llega a ellaEl porcentaje de la composicin de las distintas mezclas es en peso.Calcular:

a) La composicin de las mezcla gaseosa que sale despus de atravesar lamembrana de cada celda.

b) El porcentaje de He respecto a la alimentacin obtenido en cada uno delos productos.

c) Kg de He en el rechazo por cada 100 kg de mezcla alimentada.

28.- Para producir carbn activo para absorcin, se ha destiladodestructivamente y se ha tratado con vapor de agua las cscaras de coco. Elgas producido en esta planta es de 300 m3/h a 450 C y 1 atm con el siguienteanlisis:

%N2CO2H2OH2CONH3C2H6

10.05.0

15.020.025.020.05.0

Antes de absorber el NH3en cido sulfrico, los gases se enfran a 65C en un

intercambiador de calor. Esto produce la eliminacin del 90% de vapor deagua por condensacin.

PRODUCTO I

PRODUCTO II

RECHAZO

42 % He58 % N2

60 % He40 % N2

25 % He75 % N2

LNEA (I) LNEA (II)

LNEA (III)

ALIMENTACI

N

50 % He50 % N2


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El amoniaco absorbido por el vapor de agua se desprecia. La absorcin delNH3y la separacin del resto del vapor de agua tiene lugar posteriormente porabsorcin en solucin de cido sulfrico y enfriamiento.Se supone que el gas se comporta como un gas perfecto.Calcular:

a)

Peso molecular medio del gas original, incluyendo el vapor de agua.b) El volumen especfico del gas producido en el proceso a la temperaturade 450 C y 1 atm, expresado en m3/kg.

c) El peso del gas, incluyendo el vapor de agua, producido en el proceso,expresado en kg/h.

d) El peso de agua condensada en el intercambiador de calor en kg/h.e) El volumen del gas, incluyendo el vapor residual, que sale del

intercambiador de calor a 65C y 1 atm, expresado en m3/h.f) La composicin en % en volumen del gas que abandona el absorbedor,

suponiendo una absorcin total de NH3que entra en el absorbedor.

29.-En un secadero continuo consistente en dos hornos instalados en serie, sedeseca un material hmedo que contiene 10% de slidos y un 90% de agua. Elproducto a la salida del 1er horno contiene 20% de agua, y en el segundohorno se reduce su humedad hasta un 2 %.Si la capacidad de secadero es de l000 kg/da, calcular:

a) El porcentaje del agua inicial que se elimina en cada horno.b) El peso de producto que diariamente sale de cada uno de los hornos.

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