1

SISTEMESQUÍMICS Problema 1 S’alimenten 100 lb per minut d’una mescla que conté un 60% d’oli i un 40% d’aigua en pes a un sedimentador que opera en règim estacionari. Del sedimentador en surten dos corrents de producte: el superior conté oli pur, mentre que l’inferior conté un 90% d’aigua en pes. Calcula el valor numèric dels dos fluxos de sortida. Resp.: 44 lb/min oli+aigua; 55,6 lb/min oli Problema 2 Es necessita preparar 1250 kg d’una solució que contingui un 12% en pes d’etanol en aigua. Es disposa de dos tancs d’emmagatzematge, el primer dels quals conté un 5% d’etanol en aigua, mentre que el segon conté un 25% d’etanol en aigua. Quina quantitat cal utilitzar de les dues dissolucions? Resp.: 812,5 kg T1; 437,5 kg T2 Problema 3 Es classifiquen ous en dues mides (grans i extragrans) a la granja Pollfrit S.A. Malauradament, els negocis no han anat prou bé últimament, i des que la màquina classificadora d’ous va deixar de funcionar, no hi ha hagut suficients fons per a reemplaçar-la. Per aquest motiu s’ha equipat al Johny Mcuerdo (un dels treballadors més experimentats) amb un segell de goma amb la inscripció “GRAN” a la seva ma dreta i un altre segell amb la inscripció “EXTRAGRAN” a la seva ma esquerra. En johny té la tasca d’estampar el rètol que correspongui a cada ou, a mesura que van passant per una cinta transportadora. Més endavant un altre treballador col·loca els ous en sengles caixes segons la inscripció que portin. El sistema funciona prou bé, amb la excepció del Johny que té una ma molt pesada, de forma que trenca un 30% dels 120 ous per minut que passen pel seu davant. Posteriorment, un control en el corrent d’ous extragrans mostra un cabal de 70 ous per minut, dels quals 25/minut arriben trencats. a) Formula i resol balanços de matèria al voltant del classificador, sobre el total i la fracció trencada. b) Quina fracció d’ous grans es trenca? c) Respecte al Johny, és destre o esquerrà? Resp.: b) 0,22 Problema 4 Es pretén desalinitzar aigua de mar mitjançant osmosi inversa utilitzant el següent procés:

Aigua de mar

mF+R

Salmorra residual

mR

mF mS mP

mD

Aigua desalinitzada

Cel·la d’osmosi inversa

Dades: mF=1000 kg/h F

Sal=0.031 F+R

Sal=0.04 P

Sal=0.0525

2

Utilitzant les dades determinar: a) El cabal de salmorra residual b) La velocitat de producció d’aigua desalinitzada c) La quantitat de salmorra que entra a la cel·la d’osmosi per a ser tractada Resp.: a) 590,48 kg/h; b) 409,52 kg/h; c) 1719,98 kg/h Problema 5 Fins fa poc, un dels defectes del suc de taronja concentrat era la pèrdua de gust degut a l’eliminació de certs components volàtils durant l’etapa d’evaporació. A l’actualitat, aquestes dificultats han estat superades mitjançant l’ús d’evaporadors a pressió reduïda, en els quals el suc es concentra a temperatures de l’ordre de 26-30°C. En una instal·lació en continu per a la producció de suc de taronja concentrat, el suc fresc que conté un 12% en pes de polpa, passa per un sistema aclaridor de sucs del que en surten tres corrents: un corrent de cabal màssic menyspreable de pela de taronja i dos corrents de suc aclarit de diferent composició. D’aquests dos corrents, l’un passa pel sistema d’evaporació per tal de concentrar-se, i l’altre és bypassat i barrejat posteriorment amb el corrent de sortida del evaporador per tal d’obtenir un producte final amb una concentració del 42% en pes de polpa (veure figura). El cabal d’alimentació és de 100 kg/h de suc fresc. Calcular: a) El pes d’aigua evaporada per hora b) La concentració en polpa dels dos corrents que surten de l’aclaridor c) La relació entre els cabals màssics dels corrents que es mesclen per a donar el suc concentrat resultant Resp.: a) 70,238 kg/h; b) 0,07076 i 0,3419; c) 2,05 Problema 6 L’esquema següent representa un procés de separació del NaCl i el KCl que conté una dissolució aquosa: El sistema és alimentat (mA) per una dissolució aquosa que conté el 10% de NaCl i el 3% de KCl (percentatges en pes), amb un cabal de 18400 kg/h. El corrent que surt de l’evaporador i s’introdueix al cristal·litzador conté un 16,8% de NaCl, i el que surt del cristal·litzador i es recircula conté un 18,9% de NaCl. Calcular: a) Els cabals de NaCl i KCl purs que s’obtenen, així com el cabal d’aigua que s’evapora b) El cabal del corrent que va de l’evaporador al cristal·litzador i el del corrent de recirculació Resp.: a) 1840, 552 i 16008 kg/h; b) 4968 i 4416 kg/h

m5 m1

m2

m3 m4

m6

Aclaridor Mesclador Evaporador

Pela Aigua

Dades: m1=100 kg/h m2=20 kg/h 1

P=0.125 4

P=0.58 5

P=0.42

mF

mA mB mD mG

mC

mE

NaCl pur

KCl pur

Vapor d’aigua

Aliment

Evaporador Cristal·litzador

3

Problema 7 Una mescla gasosa (25% de CO2 i 75% de NH3, v/v) es renta amb una dissolució àcida per a separar-ne l’amoníac. La mescla gasosa resultant conté un 37.5% d’amoníac. Es pot suposar que el CO2 roman inalterat i que no es vaporitza res de la solució àcida. Calcular el % de l’amoníac inicial que s’ha separat. Resp.: 80% Problema 8 En el següent diagrama es presenten les dades d’un procés per a l’obtenció de NaHCO3 cristal·lí a partir d’una dissolució al 15% de NaHCO3. Calcular la velocitat amb que s’elimina l’aigua i la producció de NaHCO3 en kg/h. Resp.: 846,9 kg/h i 150 kg/h Problema 9 Per tal d’obtenir una dissolució de sosa càustica al 4% en pes s’efectua el següent procés: es fa passar una part d’un corrent d’aigua cap a un recipient de mescla en el que es va introduint sosa càustica sòlida procedent d’una sitja. D’aquí en surt una dissolució amb un 17% de sosa. L’altre part de l’aigua es deriva unint-se posteriorment en proporció tal que doni la dissolució al 4%. Calcular: a) Dibuixa el diagrama de flux del procés b) Quin percentatge d’aigua s’ha de derivar a través del mesclador si es volen obtenir 2 Tn/h de solució al 4%? b) Quina quantitat d’aigua intervé en cada corrent? Resp.: a) 79,7% Problema 10 Un corrent de 2 kmol/h d’una mescla d’acetonitril (A) i toluè (T), de fracció molar d’acetonitril 0,25 és escalfat en un bescanviador de calor (Q) i seguidament es sotmet a una vaporització parcial. Les composicions del vapor (nV) i del líquid (nL) són xV

A=0,401 i xLA=0,096 en fraccions

molars d’acetonitril. El corrent nL que surt del vaporitzador (T) s’introdueix en una columna de destil·lació (R) per tal d’obtenir un producte nW amb una xW

A=0,02. El corrent nV que surt de la

RENTADOR CO2, NH3 entrada CO2, NH3 sortida

Àcid

Àcid + NH3

Cristalls de NaHCO3 amb un 2% d’aigua

Evaporador

Cristal·litzador

Alimentació: 1000 kg/h de NaHCO3 al 15%

H2O

4

vaporització es condensa totalment al bescanviador C i ja en forma líquida s’uneix al destil·lat nD procedent de R per a donar lloc a un corrent de producte P amb una xP

A=0,435. Calcula el valor del corrent de destil·lat nD expressat en kmol/h que surt de R. Resp.: nD=0,108 kmol/h Problema 11 La següent figura mostra l’esquema d’un procés d’extracció. El corrent m1 conté un 30% en pes de material indesitjable (I), essent extret del sistema en contracorrent amb el dissolvent comercial ‘Chlorex’ (C). Es carreguen 1000 kg d’aliment i 3000 kg de C (corrent m2) per hora. L’oli parafínic (P) surt per un extrem del sistema (m3) i el material indesitjable ho fa per m4. Juntament amb l’oli parafínic també surt 0,1 kg de chlorex per kg d’oli (corrent m3), i per altra banda, pel corrent m4 surt material indesitjable, la resta de chlorex i una certa quantitat d’oli parafínic que no s’ha pogut separar, en la proporció de 0,2 kg d’oli per kg de material indesitjable (aquest oli no es recupera). Calcular: a) Quin pes d’oli es recupera per hora? b) Quin pes de material indesitjable i oli no recuperat s’obtenen per hora? Resp.: a) 640 kg/h; b) 60 kg/h i 300 kg/h Problema 12 Un corrent de 500 m3/h de gas (n1) a 1 atm i 30°C que conté un 10% en volum de CO2 i la resta inerts, es porta a una torre d’absorció on s’elimina el CO2 mitjançant una dissolució de dietanolamina (DEA). El corrent gasós de sortida (n2) conté un 0,5% en volum de CO2. La solució de CO2 en DEA (n5) es porta a un desorbidor on es tractada amb un corrent de 145 kmol/h de vapor d’aigua (n3). En el desorbidor s’aconsegueix eliminar el 95% del CO2 que hi havia en la dissolució, sortint per n4 el CO2 desorbit i el vapor d’aigua. La DEA amb el CO2 residual no desorbit (n6) es retorna a la torre d’absorció. El contingut de CO2 del corrent n6 està en equilibri amb el contingut del corrent n4 segons la llei de Henry: 10-3p=c on p és la pressió parcial del CO2 en el corrent n4 en mm Hg, essent la pressió total de n4 de 1 atm; c és la concentració de CO2 en el corrent n6 en kmol/m3. Calcular el cabal de líquid pel corrent n6 i la seva composició, tenint en compte que tot el vapor introduït surt pel corrent n4.

nD

nV

nF nP

nL

nW

Q

T

C

R

m4, P,C,I

m1, P,I

m2, C

m3, P,C

III

II

I

5

Resp.: 10,18 m3/h i 9,95.10-3 kmol CO2/m3

Problema 13 En una planta que opera en continu i en estat estacionari s’asseca aire tot i absorbint la seva humitat amb àcid sulfúric d’acord amb l’esquema i dades de la figura: S’introdueix un cabal d’aire humit de 180 m3/h mesurats a 20°C i a 1 atm. Calcular: a) El cabal en kg/h d’àcid sulfúric al 98% que es requereix b) El cabal en kg/h d’àcid sulfúric al 72% que entra a l’absorbidor Dades i Notes: - Els percentatges són en pes - El sistema opera a 1 atm i 20°C Resp.: a) 10,98 kg/h; b) 68,07 kg/h Problema 14 L’acetonitril s’obté a partir de la reacció de propilè, amoníac i oxigen:

C3H6 + NH3 + 3/2 O2 C3H3N + 3 H2O

La alimentació al reactor conté un 10% en mol de propilè, un 12% d’amoníac i un 78% d’aire (composició de l’aire: 79% nitrogen i 21% oxigen). S’arriba a un grau de conversió del 30% del reactiu limitant. Determina quin és el reactiu limitant, el percentatge en que els altres reactius es troben en excés i els mols de tots els productes, prenent com a base 100 mols d’alimentació. Resp.: R.L. C3H6; 3 kmol C3H3N; 9 kmol H2O Problema 15 En un reactor en continu es produeixen les següents reaccions:

n5

n6

n1 n3

n4 n2

Torre

Absorció

Torre

Destil·lació

H2SO4 72%

H2SO4 98% 0,042 kmol H2O / kmol aire sec

0,002 kmol H2O / kmol aire sec

Absorció

Mesclador

Aire humit

Aire sortida

H2SO4 67%

6

C2H6 C2H4 + H2 C2H6 + H2 2 CH4

L’alimentació consisteix en un 85% en mol d’età (C2H6) i la resta inerts. Per a una alimentació de 100 mol/h es produeix un flux de productes de 140 mol/h, aquest darrer amb la següent composició: 30,3% de C2H6; 28,6% de C2H4; 26,8% de H2; 3,6% de CH4 i la resta inerts. Calcula el grau de conversió pel C2H6, el rendiment de producció d’etilè (C2H4) i la selectivitat del procés respecte la producció d’etilè. Resp.: 0,5; 47%; 93,9% Problema 16 El sulfit de sodi s’utilitza en l’eliminació de l’oxigen de l’aigua utilitzada com a càrrega d’alimentació a calderes, segons la següent equació:

2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4

Quantes lliures de sulfit de sodi es necessiten teòricament per tal d’eliminar l’oxigen de 8.330.000 lb d’aigua amb un contingut de 10 ppm d’oxigen dissolt, i al mateix temps mantenir un excés de sulfit de sodi del 35? Dades i notes: - 1ppm = 1 mg/l - aigua = 1 kg/l Resp.: 885,6 lb Problema 17 En el procés Deacon per a la producció de clor, una mescla de clorur d’hidrogen i aire es passen per un reactor que produeix l’oxidació del clorur d’hidrogen a clor. L’aire es troba en un 30% d’excés del teòricament necessari. Si la reacció que es produeix és:

HCl + O2 Cl2 + H2O

Calcular: a) El pes d’aire subministrat per kg de clorur d’hidrogen b) La composició (% en pes) del que entra al reactor c) Suposant que el grau de conversió del HCl és del 60%, calcular la composició (% en pes) dels gasos que surten del reactor Resp.: a) 1,357 kg aire; b) 42,4% HCl; 45,5% N2; 12,1% O2; c) 24,73% Cl2... Problema 18 1 mol d’aire s’escalfa des de 25 fins a 500°C. Calcular la variació d’entalpia que es produeix, suposant la següent composició per l’aire: 79% nitrogen i 21% oxigen. Dades i Notes: - cp(O2) = 7,129 + 0,1407.10-2T (cal/(mol°C)) - cp(N2) = 6,919 + 0,1365.10-2T (cal/(mol°C)) Resp.: 3478,9 cal Problema 19 Al bescanviador de calor de la figura es refreda un corrent de benzè. Quina quantitat de calor ha d’eliminar per hora l’aigua de refrigeració?

REACTOR T=400°C

HCl, Aire HCl, O2, N2, Cl2, H2O

Benzè 75°C Benzè 25°C

Aigua refrigeració

Bescanviador

7

Dades i notes: - cp(benzè) = 17,7 + 7,875.10-2T (cal/(mol°C)) Resp.: 20572,5 kcal/h per un aliment de 1000 mol benzè/h Problema 20 Quina és l’entalpia de reacció per a la següent equació química?

C2H5OH + CH3COOH = C2H5COOCH3 + H2O (Etanol + Àcid acètic = Acetat d’etil + Aigua)

Dades i notes: - El sistema es troba en fase líquida - Les dades cal buscar-les al CRC Handbook o similar Problema 21 El vapor d’aigua que s’utilitza per a escalfar un recipient entra a 250°C a la camisa de vapor i es condensa totalment. La reacció química que es produeix en el recipient absorbeix 1000 Btu/lb de material en el reactor. Les pèrdues de calor a la camisa i al reactor poden estimar-se en 5000 Btu/h. Els reactius es col·loquen al reactor a 70°F i surten a 212°F. La càrrega està constituïda per 325 lb de material i tant productes com reactius tenen una capacitat calorífica mitja de cp=0,78 btu/(lb°F). Quantes lliures de vapor d’aigua es requereixen per lliura de càrrega? Dades i notes: - Entalpia de condensació del vapor: 735 Btu/lb Resp.: 1,53 lb vapor/lb càrrega Problema 22 Es bombeja aigua des del fons d’un pou situat a 45 metres per sota terra amb un cabal de 900 l/h a un tanc d’emmagatzematge, obert a l’atmosfera i situat 10 m per damunt del terra. Per tal d’evitar que l’aigua es glaci durant l’hivern, un petit escalfador subministra 9000 Watts a l’aigua. Durant el seu transport des del pou fins el dipòsit, el sistema perd calor cap als voltants amb una velocitat constant de 7000 W. Per tal d’elevar l’aigua s’empra una bomba centrífuga amb una potència de 1500 W. De l’energia consumida per la bomba, el 55% és absorbida per l’aigua i la resta es dissipa en forma de calor transmesa als voltants. Si la temperatura en el pou és de 2°C, calcula la temperatura a la que entrarà l’aigua en el tanc emmagatzematge. Dades i notes: - Calor específic de l’aigua: 4200 J/(kg°C) Resp.: 4,56°C