INSTITUTO POLITECNICO NACIONALUPIICSA

BATERIA PLANTAS Y PROCESOS

Erick Badillo GarcaSec: 2010600929Sec: 5IV2

Batera de problemas para el examen extraordinario

1. Una solucin que contiene 10 % de NaCl; 3 % de KCl y 87 % de agua se alimenta al proceso mostrado en la figura a la velocidad de 18400 Kg/h. las composiciones de las corrientes son como se indica. Producto del evaporador: (P): NaCl 16,8 %; KCl 21,6 % y H2O 61,6 % Recirculacin: (R): NaCl 18,9 %; KCl 12.3%; H2O 68.8%. Calclese los Kg/h de (P) y (R), tambin complete las composiciones de cada corriente.

EVAPORADORCRIZTALIZADORVAPOR DE AGUANaCIKCIPR18400 Kg/hNaCI0.03 KCL0.87 HOA0.168NaCI0.216 KCL0.616 HO0.189NaCI0.123 KCL0.688 HO

B

E

DC

BALANCE GENERAL A=18400=B+C+DBALANCE DE MATERIA POR COMPONENTENaCI: (0.1*18400)=CC= 1840 Kg/hKCI: (0.03*18400)=DD= 552 Kg/hHO: (0.87*18400) =BB= 16008 Kg/h

BALANCE TOTAL DE MATERIA EN EL CRISTALIZADOR

P= D+R : P=552 Kg/h +R

BALANCE DE MATERIA POR COMPONENTE EN EL CRISTALIZADORKCI: (0.216*P) =552 Kg/h + 0.123*R(0.216* (552 Kg/h +R))= 552 Kg/h + 0.123*R119.23 Kg/h +0.216*R=552 Kg/h + 0.123*R0.216*R-0.123*R=552 Kg/h-119.23 Kg/h0.093*R=432.77 Kg/hR==4653.44 Kg/hCOMO:P=D+RP=552 Kg/h+4653.44 Kg/h= 5205.44 Kg/hBALANCE TOTAL DEL EVAPORADORA+R=EE=B+C+PE= 16008 Kg/h+1840 Kg/h+445205.44 Kg/h=23053.44 Kg/hBALANCE DE MATERIA POR COMPONENT EN EL EVAPORADORNaCI: XNaCI,v(23053.44)=1840+(0.168*5205.44) XNaCI,v(23053.44)=1840+874.513 XNaCI,v(23053.44)=2714.51 XNaCI,v== 0.1177KCI: XKCI,v(23053.44)=0.216*5205.44 XKCI,v(23053.44)=1124.375 XKCI,v=0.0487HO: XHO,v(23053.44)=16008+(0.616*5205.44) XHO,v(23053.44)=16008+3206.551 XHO,v(23053.44)=19214.551 XHO,v==0.8332. Una corriente A (en kg/min.) que contiene 30% m de etanol y 70% m de agua se mezcla con otra corriente B (en kg/min.) que contiene 60% m de etanol y el resto de agua. La corriente de mezcla C (a la salida de la unidad mezcladora) contiene 35% de etanol. Calcular:a) La proporcin entre las corrientes A y B, esto es (A/B)b) Si la corriente de salida C es 4500 kg/h Cul es la relacin entre las corrientes Ay B? Esta relacin ha cambiado o no?

C30%m 70%m A30%m 70%m

MEZCLADOR

B30%m 70%m

(0.3) A + (0.6) B=100(0.35)B =100 - AB.G.M.A + B = 100mol (1) (2)

Sustituir la ec. 1 en ec. 2(.3 ) A + (.6)(100-A) =100 (.35) A) A = 25/-0.3 = 83.34.3A + 60 - .6A = 35 -.3 A=35 60A = -25_ = 83.34 A= 83.34 -0.3

B = 100 83.34 =16.66B = 16.66A) n= m=100 (64 ) =6400 6400 kg x 60 min = 384,000 kg/hr min 1hr

B) 4,500 K/H

83.34 Mol A (64 Kg ) x 60 min = 320,025.6 kg/hr Min Mol 1hr16.66 Mol B (64 Kg ) 60 Min = 63,974.4 kg/hr Min Mol 1hr

320,025.6 kg/hr A x 4,500 kg C = 3,750.3 kg A384,000 kg/hr C h h

63,974.4kg/h B x 4,500kg C = 749.7 kg/h A 384,000 kg/hr C h NO A CAMBIADO

3. Puede recuperase acetona de un gas portador, disolvindola en una corriente de agua pura en una unidad llamada absorbedor. El diagrama de flujo de la figura siguiente, 2000 lbm/h de una corriente con 20% de acetona se tratan con 1000 lb/h de una corriente de agua pura, lo que produce un gas de descarga libre de acetona y una solucin de acetona en agua. Supngase que el gas portador no se disuelve en el agua.

Calcule todas las variables de corrientes desconocidas

MEZCLADORGASAGUALA=1000 LbY= 2000 lbXACET=0.2X GAS=0.8ZXACET=?X AGUA=?

BALANCE DE MATERIA GENERALY+A=L+Z2000+1000=L+ZL+Z=3000 lb/h1BALANCE DE MATERIA DE LA ACETONAXACET*Y= XACET*Z0.2*2000= XACET*ZXACET*Z=400..2BALANCE DE MATERIA DEL AGUAA= (1- XACET) Z3BALANCE DE MATERIA DEL GASX GAS*Y=L0.8*2000=L4L=1600 lb/hCOMO TENEMOS L SUSTITUIMOS EN LA ECUACION 1L+Z=30001600+Z=3000Z=3000-1600Z=1400 lb/hSUSTITUIMOS Z EN LA ECUACION 2A= (1- XACET) Z=1- XACET1- = XACET0.2857= XACETXAGUA=1- XACETXAGUA=0.7143 de HO

4. Establezca el balance de masa y el diagrama de flujo para producir 20 ton/da de H2SO4 segn las ecuaciones de las reacciones consecutivas y sus eficiencias obtenidas al alimentar los reactantes basndose en las estequiometrias de las reacciones.4FeS2 + 11 O2 2FeO3 + 8SO2 ; con E= 90%2SO2 + O2 2SO3 ; con E= 93%SO3 + H2O H2SO4 ; con E= 95%

Apartir de la tercera ecuacinSO3 + H2O H2SO4 con E= 95%80ton/ton*mol 18ton/ton*mol 98ton/ton*mol80---------98 18----------98 x-----------20ton x-----------20x=16.33 al 95% x=3.67 al 95%al 100% seria 17.19 al 100% seria 3.86Apartir de la segunda ecuacin2SO2 + O2 2SO3 ; con E= 93%128ton/ton*mol 32ton/ton*mol 160 ton 17.19 ton/ton*mol 128----------160 32-----------160x-------------17.19 x------------17.19x=13.74 x=3.42

al 100% 14.77 al 100% 3.7 De la primera ecuacin4FeS2 + 11 O2 2FeO3 + 8SO2 con E= 90%480 ton/ton*mol 352 ton/ton*mol 320 ton/ton*mol 512 ton/ton*mol480-------512 352---------512 320-------512 x-----------14.77 x------------14.77 x----------14.77x=13.85 x=10.18 x=9.23al 100% =15.38 al 100% =11.31 al 100%=10.25

5. De acuerdo con la reaccin, cuya ecuacin resumida es :

4FeS2 + 11 O2 2FeO3 + 8SO2 En este proceso se oxidan 2800 ton de un mineral que contiene 42% en masa de FeS2 empleando 4300 ton de aire con un contenido del 23 % en masa de oxigeno; reaccin de la que se obtienen 750 ton de Fe2O3.Determine: a) el porcentaje de reactante en exceso; b) el porciento de eficiencia de la reaccin; c) el balance de masa del proceso.

c) Balance de masa del Proceso.

4FeS2 + 11 O2 2Fe2O3 + 8SO2

Calculando proporciones de los Reactivos4FeS2 11O2 Calculando proporciones de los Productos

2Fe2O38SO2 Calculando cantidad de masa que se tiene en la entrada del proceso de FeS2

Calculando cantidad de O2 a la entrada del proceso con relacin a la masa de aire.

Si se obtiene al final del proceso 750 ton de Fe2O3. Entonces:

a) Para calcular el porcentaje de reactante en exceso.

Para 1176 toneladas de se necesitan de 4FeS2

Si se tienen , con esto decimos que el reactivo limitante es y el reactivo en exceso es .Porcentaje de exceso

b) El porciento de eficiencia de la reaccin.Calculando el rendimiento terico de la reaccin.4FeS2 + 11 O2 2Fe2O3 + 8SO2Por 1 kmol de reactivo.

Si por 480 kg de FeS2 se obtienen tericamente de Fe2O3 entonces tenemos que por FeS2:Fe2O3

Calculando l % eficiencia con el valor terico y real de Fe2O3:

6. Un compresor que opera en situacin estacionaria, toma aire del ambiente ( P = 1 atm, T = 295 K) con una velocidad de aspiracin de 4.4 m/s a travs de una seccin de 0.25 m2. A la salida, tras ceder 5.5 kW de calor al entorno, se alcanza una presin de 10 bar con una temperatura de 630 K y una velocidad de 2.2 m/s. Calcula, con el modelo de gas ideal, la potencia consumida por el compresor, en kW. consideras razonable haber planteado la hiptesis de que el compresor podra considerarse adiabtico? CONDICIONES:Volumen constante al ser un proceso estacionario.Aire como gas ideal.

1.- Para calcular la potencia necesitamos conocer el flujo msico y el trabajo de compresin adems de entalpias. Como la entalpia es en funciona a la temperatura de un gas ideal podemos ir a las tablas con los valores de T y obtenemos

/kg/kg

Con los datos del estado 1 utilizaremos la ecuacin trmica de estado para determinar el volumen especfico.

Como se cumple para el flujo msico

Tendremos en este caso

1.

Aplicando el balance de energa a un VC estacionario

Despejando

Ya que el flujo de calor = apenas supera el 1% del trabajo , por esta razn es razonable considerarlo adiabtico.

2. Hacerlo supone en torno al 1 % de error.

7. Fluye vapor de manera estable por una turbina adiabtica a una tasa de 45000 lbm/h; entra a 1000 psia y 900F y sale a 5 psia como vapor saturado. Si la potencia generada por la turbina es de 4 MW, determine la tasa de prdida de calor del vapor.DatosM=4500 lbm/hP1=1000 psiaT1=900 FP2=5 psiaEstado, vapor saturadoW=4MWM=4500 lbm/h *h/3600 seg = 12.5 lbm/segW=4MW=4000 KJ/seg*0.448 BTU/1KJ= 3792 BTU/segCon P=1000 PSIA nos vamos a las tablas en vapor saturado y comparamos la temperatura del sistema(Tsistema) con la temperatura de saturacin(Tsaturacion) y se observa que la Tsistema>Tsaturacion , lo que quiere decir que estamos en vapor sobrecalentado donde con los valores ya mencionados buscamos la entalpia inicial.H inicial= 1448.1 BTU/lbmFORMULA DE BALANCE DE ENERGIA Q=Ec +Ep + H+WComo el aparato es una turbina se tiene que Q=0 , trabajo diferente de =0, energa potencial =0 , energa cinetica =0 , pero me solicitan buscar la perdida de calor asi que queda asi.Q-W= HQ= H+W ..CON LA PRESION DE SALIDA Y SABIENDO QUE ESTAMOS EN VAPOR SATURADO BUSCAMOS ENTALPIA FINAL.P2=5PsiaH final=1205.6 BTU/lbmTeniendo la entalpia de entrada , de salida y la potencia generada por la turbina sustituimos:Q=( H final - H inicial)+WQ=(1205.6 1448.1) BTU/lbm + 303.36 BTU/lbmQ= - 242.5 BTU/lbm

8. Agua a 50F y 5 psia es calentada en una cmara mezclndola con vapor de agua saturado a 50 psia. Si ambas corrientes entran a la cmara de mezclado con la misma tasa de flujo msico, determine la temperatura y la calidad de la corriente que sale. AguaLiquida50F = 10C50 PSIA = 3.44MPa

Mezcla de Salida

AguaVaporSaturado50 psia = 3.44 MPa

ESTADOTEMPERATURAPRESIONhCALIDAD

H2OLIQUIDA10C3.44 MPa42.01-

H2OVAPORSATURADO137.5783.44 MPa2731.11

MEZCLA136.883.44 MPa1386.550.3794

Hh2o(liquida) se obtiene de tablas con los datos de Temperatura y Presin.Para el valor de la Temperatura de interpola entre las tablas de Vapor saturado a 3.0 bar y 5.0 bar obteniendo lo siguiente.3.0 bar 133.55C3.44 bar = 137.578C5.0 bar 151.86 C

Para el valor de h en el Vapor Saturado tambin se interpola:130C 2174.2 kJ/kg137.578 = 2731.1 kJ/kg140C 2144.7 kJ/kgSe realiza el balance de energa de acuerdo a la 1era ley, y tomando en cuenta que el flujo msico entre el agua lquida y el vapor saturado es igual establecemos la relacin de 1kg/s de agua + 1kg/s de vapor saturado, dando un flujo msico de salida de 2kg/s.BALANCE ENERGIA (1ERA LEY)

Entonces:

Despejando , obtenemos:

Donde:

Para obtener la temperatura de salida se interpola ya que se conocen los datos de la , quedando lo siguiente:567.82 kJ/kg 135C1386.55 kJ/kg =136.88 C2735.8 kJ/kg 140 CPara obtener la calidad se realiza lo siguiente:

Despejando la calidad (x)

Donde:hx =1386.55 kJ/kghf =563.82 kJ/kghfg = 2735,8 567.82 = 2167.98Sustituyendo en la formula.

9.Considrese una regadera comn donde se mezcla agua caliente a 140 F con agua fra a 50 F. si se desea suministrar una corriente de agua estable a110 F, determine la relacin de flujo msico de agua caliente respecto a la fra. Supngase que las prdidas de calor en la cmara de mezclado son despreciables y que la mezcla se efecta a una presin de 20 psia

CONVERSIN DE UNIDADES

DESCARTANDO TENEMOS QUE:

Buscamos la relacin

En tablas de lquido sub-enfriado encontramos el valor de las entalpas:

-Para la entalpa del agua fra:

T (C) h (kJ/Kg) 10 42

-Para la entalpa del agua caliente:

T (C) h (kJ/Kg) 60 251.4

-Para la entalpa de la masa final:

T (C) h (kJ/Kg) 43.33 181.4

La relacin entre las masas por lo tanto es 2:1

10. 1500 kg/h de un fuel que contiene un 88% de c y un 12 % en peso de H se quema en un horno dando un gas de chimenea que contiene 13.1% de CO2, 3.7 % de O2 ,83.2 % de N2 en composicin molar y base seca. El aire y el fuel oil entran al horno a 25C y el horno pierde por las paredes 4.5 X 106 kcal/h. Calcular:A) Los kmol de gas de chimenea producidos.B) Los kmol de agua de combustin en el gas de chimenea por cada 10 kmol de gas de chimenea secoC) El exceso de aire empleadoD) La temperatura de los gases de chimenea.DATOS: Calores especficos de los gases en Kcal/ kmolC :CO2 = 10.2; O2= 7.3; N2= 7.9 ; H2O (g) = 8.3Variacin entlpica de la reaccin: a 25 C: C + O2 CO2 + 94000 kcal/kmolHf (H2O)(l) a 25 C = -68320 kcal/kmolCalor latente de vaporizacin del H2O a 25 C = 10600 kcal/kmol

11. El calor estndar de reaccin a 25 C y 1 atm para la oxidacin del amonaco es:

Se alimentan 100 mol/h de NH3 y 200 mol/h de O2 25 C a un reactor, en el cual se consume completamente el amonaco. La corriente producto emerge como un gas a 300 C. Calcular el calor transferido desde o hacia el reactor, suponiendo que la reaccin ocurre aproximadamente a 1 atm.

Cuadro de entradas y salidasENTRADASALIDA

COMPONENTEkmolKgT CkmolKgT C

NH3100170025

O2200640025752,400300

N2752.3821,066.6425752.3821,066.64300

NO1003,000300

H2O1502,700300

Calcular entalpias:

12. Azufre lquido a 130 C y oxgeno puro a 25 C se mezclan en una relacin estequiomtrica y se alimenta a un quemador, donde se lleva a cabo la oxidacin completa del azufre a SO2. El quemador est perfectamente aislado, la presin es una atmosfera y el sistema opera en estado estacionario. Cul es la temperatura de la corriente que sale?

Hreacc.= - 296.8 KJ/gmol para la reaccin S(s) + O2 (g) SO2 (g) a 25 CH fusin = 1.73 KJ/gmol para el S a 114 CCp = 32 J/gmol C para el S(l)Cp = 23.2 J/gmol C para el S(s)Cp = 39.9 J/gmol C para el SO2(g)Cp = 29.3 J/gmol C para el O2(g)

Despejando Ts: