problemas balance de materia con equipos multiples

8/18/2019 Problemas Balance de Materia Con Equipos Multiples

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POR: LUIS ANTONIO ÁVILA OCTAVIANOIQ 401

1. En la figura que aparece adelante se presentan los datos para un proceso

que incluye una evaporación y una cristalización. ¿Cuál es la corriente de

recirculación en kilogramos por hora?

Balances globales: Balance parcial de masa para el KNO3:

10000 kg/h * 0,20 = 0,96 C

C = 2083,33 kg /h

Balance total de masa:

A = W + C

W = 7916,67

Balances de masa en el cristalizador: Balance total de masa:

M = C + R

M = 2083,33, kg/h + R

Balance parcial de masa para el KNO3:

0,5 * M = 0,96 * C + (0,6/1,6) * R

0,5 * (C + R) = 0,96 * C + (0,6/1,6) * R

0,125 * R = 0,46 * C

R = 7666,65 kg/h.

2. Para fabricar polvora se necesitan tres sustancias que son: azufre, carbón y

nitrato de potasio en porción de 10, 15 y 75 %w. Estas sustancias se deben

moler finamente y mezclarse con cuidado para dar el producto final.

¿Cuánta cantidad de materia se necesitara para producir 4 toneladas de

polvora por día?


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m1+m2+m3=m4

Xwm4(S)

+Xwm4(KNO3)

+Xwm4(C)

=m4Xw4(S)+Xw4(KNO3)+Xw4(C)=1

Xwm4(S)=m2

Xwm4(KNO3)=m3

BALANCE TOTAL

m1+m2+m3=4000kg/día

BALANCE DE AZUFRE

m2=Xw4(C)m4

0.15(4000kg/día)=600kg/día

m2=600 kg/día

BALANCE DE CARBÓN

m1=Xw4(C)m4

0.1(4000kg/día)=400 kg/día

m1=400kg/día

BALANCE DE NITRATO

m3=m4-(m1+m2)

4000-(600+400)=3000 kg/día

m3=3000kg/día


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RESULTADOS

0.6 ton de azufre; 0.4 ton de carbón; 3 ton de nitrato de potasio

3. A una corriente se le añade una sustancia de manera que la concentración

sea del 4.76% en masa de esa sustancia. La corriente se une una a otra y

corriente abajo se toma una muestra de las corrientes combinadas, que dan

una concentración de 0.62 %w de la sustancia. Si el flujo de la primera

corriente es de 2 litros por minuto ¿Cuál será el caudal de la otra corriente?

Relaciones:

L1=0.0476 l de sustancia/kg total

L3=0.0062 l de sustancia/kg total

BALANCE TOTAL

L1+L2=L3

BALANCE DE SUSTANCIA

L1Xw1sust+L2Xw2sust=L3Xw3sust

BALANCE PARCIAL

Entre L1 y L3

2 l/min(0.0476 l de sustancia/l total)=L3(0.0062l de sustancia/l total)

0.0952 l sustancia /min=L3(0.0062)l sustancia / l total

L3=476/31=15.35483871 l/min

BALANCE TOTAL


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2 l/min+L2=476/31

L2=476/31-2l/min

L2=13.35483871 l/min

4. La alimentación aun sistema fraccionador de dos columnas es de 30000 lb/hde una mezcla que contiene 50 % de benceno (B), 30 % de tolueno (T) y 20

% de xileno (X). La alimentación se introduce en la columna I y resulta en un

destilado con 95 % de benceno, 3 % de tolueno y 2 % de xileno. Los fondos

de la columna I se alimentan a la segunda columna de la cual se obtiene un

destilado con 3 % de benceno, 95 % de tolueno y 2 % de xileno.

Supóngase que 52 % de la alimentación aparece como destilado en la

primera columna y 75 % del benceno alimentado a la segunda columna

aparece en el destilado de ésta.

Calcule la composición y el flujo de la corriente de fondos de la segunda

columna.

RELACIONES

0.52m1=m2………………………………..1

0.75XwBm3=XwBm4……………………..2

Balance en columna 1

0.52(30000)=m2

m2=15600lb/h

Balance total columna 1

m1=m2+m3


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30000=15600+m3

m3=14400lb/h

Balance de benceno

XwB1m1=XwB2m2+XwB3(14400lb/h)0.5(30000)=0.95(15600)+XwB3(14400lb/h)

XwB3=0.0125

Balance de tolueno

XwT1m1=XwT2m2+XwT3(14400lb/h)

0.3(30000)=0.03(15600)+XwB3(14400lb/h)

XwT3=0.5925

Balance de Xileno

XwX3=(1-XwB3-XWT3)

=(1-0.0125-0.5925)

XwX3=0.395

Balance en columna 2 Balance total

14400=m4+m5 ………………………………….Ec. 1

0.75XwB3m3=0.75(0.0125)(14400)=135

135=XwB4m4=0.03m4 ………………………...Ec. 2

Resolviendo las ecuaciones:

m4= 4500 m5=9900

5. Para producir KNO3, una solución acusa al 20%w se alimenta a un

evaporador , la solución concentrada que sale del evaporador se introduce a

un sistema de cristalizador-filtro en donde se enfría, produciendo la

precipitación de cristales de KNO3, el filtrado que abandona el sistema

contiene 37.5%w de KNO3, los cristales húmedos está formada por un 96%wde cristales y 4% de una solución con 37.5 % en masa de KNO3. Calcule la

producción de cristales húmedos.


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Balance de KNO3 en el evaporador

XwKNO3m1=XwKNO3m3

0.2(10000kg/h)=0.5m3

m3=4000 kg/h

Balance total en el cristalizador filtro

m3=m4+m5

4000=m4+m5 …………………………………………………..Ec. 1

Balance de KNO3 en el cristalizador

0.5(4000)=0.375m4+0.96m5+0.4(0.0375)m5

2000=0.375m4+0.975m5 ……………………………………..Ec. 2

Resolver ecuaciones 1 y 2

m4=3166.6667 kg/h

m5=833.3333 kg/h

6. Para el sistema de recuperación de acetona que se muestra en el diagrama,

determine los flujos de las corrientes 2, 3, 4, 5 y 6 si la alimentación de gas

en la corriente 1 es de 1 500 kg/h. Todas las concentraciones (tanto para

gases como para líquidos), están en fracción peso.


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Balance de aire en la columna de absorción

Kg aire m1= kg aire m4

0.95(1500kg/h)=0.999 m4

m4= 1432.160804 kg/h

Balance de acetona en la columna de absorción

Kg acetona m1= kg acetona en m3

0.03(1500)=0.19 m3

m3=4500/19= 236.8421053 kg/h

Balance de agua

Kg H2O m1 + kg H2O m2 = kg H20 m3 + kg H2O m4

0.02(1500)+m2=0.81(4500/19kg/h)+0.005(1432.160804 kg/h)

m2=169.0029093 kg/h

Balance total en la columna de destilación

4500/19=m5+m6 ……………………………. Ec.

Balance de acetona en el destilado

0.19(4500/19)=0.04m5+0.99m6

m5=199.44 kg/h


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m6=37.39 kg/h

7. En un tren de destilación se va a fraccionar un hidrocarburo líquido cuya

composición es 20% mol de etano, 40% mol de propano y 40% mol de

butano. Se alimentan 100 kg mol de la anterior mezcla al primer destilador.

El producto superior o de cabeza de este destilador contiene 95% mol de

etano, 4% mol de propano y 1% mol de butano. El producto inferior o de

fondo de este destilador, que únicamente contiene propano y butano,

alimenta al segundo destilador. El producto superior de este segundo

destilador contiene 99% molar de propano mientras que el producto inferior

del segundo destilador contiene 8,4% molar de propano. Calcúlese la

cantidad de producto de cabeza del segundo destilador y la composición de

la corriente de alimentación al segundo destilador. Base de cálculo: 100 kmol

alimentados al destilador 1.

Balances de masa en el destilador 1 Balance total de masa:

100 kg mol = n2 + n3

Balance parcial de masa para el etano:

XwE1n1=XwE2n2

0,2(100 kg mol) = 0,95(n2)

n2 = 21,05 kg mol.n3 = 78,95 kg mol.

Balance parcial de masa para el propano:

XwP1n1=XwP2n2+XwP3n3

0,4(100 kg mol) = 0,04(21,05 kg mol) + XwP3(78,95 kg mol)


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XwP3 = 0,496

Composición en la corriente de alimentación: 49,6% en propano y 50,4% enbutano.

Balances de masa en el segundo destilador Balance total de masa:

n3 = n4 + n5

78,95 kg mol = n4 + n5

Balance parcial de masa

n3(Xw) = 0,99n4 + 0,084 n5

78,95 kg mol (0,496) = 0,99n4 + 0,084 (78,95 kg mol – n4)

n4 = 35,90 kg mol

n5 = 43,05 kg mol.

8. En una planta de tratamiento que opera bajo condiciones estables, se reduce

el contenido de impurezas nocivas de un líquido residual de 2,5% en peso

hasta 0,05% en peso. Se permite una concentración máxima de estas

impurezas nocivas de 0,5% en peso para ser descargadas en el río local.

¿Qué porcentaje del líquido residual inicial puede ser derivado y cumplir aún

las normas establecidas?

Base de calculo: 100 kg de líquido residual

Balance parcial de masa para las impurezas0,025(m1) = m6 + 0,005(m5)

2,5 kg = m6 + 0,005(m5)

m6 = 100 kg – m5

2,5 kg = m6 + 0,005m5


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30000 kg = QA + Q10

QA = 9000 kg.

Cada evaporador elimina 900 kg de agua.

Balance global total entre el 1º y el 4º evaporador 30000 = 3600 + Q4

Q4 = 26400 kg.

Balance de masa parcial para la sal entre el 1º y el 4º evaporador

30000*0,35 = Q4*Xw

Xw = 0,0398.

10. Los granos de café contienen sustancias solubles en agua y otras que no lo

son. Para producir café instantáneo, se disuelve la porción soluble en aguahirviendo (es decir, preparando café) en percoladores grandes, y se alimenta

después con el café un secador en el que se evapora el agua, dejando el

café soluble como un polvo seco. La porción insoluble de los granos de café

(el sedimento) pasa a través de varias operaciones (diferentes secados) y los

sedimentos secos pueden usarse para rehabilitación de tierras. La disolución

extraída de los sedimentos en la primera etapa de secado (separador de

ciclos) se junta con el flujo de salida de los percoladores y esa es la

alimentación del secador. Aquí se muestra el diagrama de flujo de este

proceso, en el cual S e I representan los componentes solubles e insolubles

de los granos de café, A es el agua y C la disolución que contiene 35% en

masa de S y 65% en masa de A. (a) Calcule las velocidades de flujo (kg/h) e

los flujos 1 a 8.

Balances de masa en el secador Balance parcial de masa para I:

0,50*Q7 = 0,70*1400kg/h

Q7 = 1960 kg/h.


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