problemas química industrial (s)

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.


-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.


-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.


-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.


-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.


-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)


-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%


-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

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