PORTAFOLIO DEL PRIMER PARCIAL DE PROCESOS INDUSTRIALES
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
¿QUE ES EL BALANCE DE METERIA Y ENERGÍA?
Los balances de materia y energía (BM y E) son una de las herramientas más importantes
con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar
los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los
alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran.
BALANCE DE MATERIA EN LOS QUE NO INTERVIENEN REACCIONES QUIMICAS
Nomenclatura
ṁ=Flujo másico
W= Fracción másica
X,Y=Fracciones molares
X=Para líquidos y solidos
Y= Para gases
EJERCICIOS REALIZADOS EN CLASE:
- Una mezcla de oxigeno y nitrógeno tiene un 43% en peso de oxigeno. ¿Cuál
es la fracción molar de N2?
1. Objeto: Determinar la fracción molar de N2
2. Esquema:
Mo2=32g/mol O2=Oxigeno
MN2=28g/mol N2=
WO2=0,43
Ew=1
WO2+WN2=1
WN2=1- WO2
WN2=1-0,43
WN2=0,57
4. Conclusión:
- Un lodo húmedo de talco en agua contiene
70% de agua en base húmeda. El 75% del agua se remueve por filtración y secado,
lo cual reduce el peso del material a 500 libras. ¿Cuál era el peso original
del lodo? ¿Cuál la fracción en peso de agua en el lodo final y cual el
porcentaje en base seca de lodo?
1.Objeto: Determinar el peso original del lodo.
Determinar
cual es la fracción en peso de agua.
2.Esquema:
m2=500Libras A=H2O
W1A=0,70 B=Materia Seca
Dato:
El agua que se remueve es del 75% de agua cargada
3.Calculos:
E-S+G=A
m soluto=m solución*W
Balance general
m1= m2+m3 m1-0,52=500
m1= 500lb+m3 0,48 m1=500
m1= 500lb+0,52* m1
m3= 0,75*(0,70)
m3= 0,52*( m1)
m3= 0,52*( 1041,66lb)
m3= 541,67
4. Conclusión:
- El jugo de fruta es una mezcla compleja de agua, fructuosa (azúcar de fruta), pulpa, ácido cítrico y otros ácidos y otros compuestos químicos. El jugo de fruta fresco de la granja de Fruity-Fresh contiene un 88% en peso de agua. Un procesador de jugo de fruta compra un lote de 2680 lb de Fruity-Fresh, y fabrica concentrado de jugo mediante el llenado de un evaporador con el jugo fresco, del cual evapora el 75% del agua, y después se seca el jugo concentrado. ¿Cuál agua(lb) debe desprender el evaporador? ¿Si el procesador paga $0,09 por libra de jugo fresco y vende el jugo concentrado a $0,50 por libra, puede tener alguna ganancia?
1) Objeto
Determinar
cuánta agua debe procesar el evaporador (La utilidad)
2) Esquema
3) Cálculos |
Utilidad = Ingreso – Costo
Utilidad = 911,2 lb (0,50) – 2680 lb (0,09)
Utilidad = $214,4
4) Conclusión
Se puede obtener una ganancia de $214,4
- Un gas combustible que contiene 97% en volumen de metano y 3% en volumen de nitrógeno se quema en un horno para calderas en presencia de un 200% de aire en exceso. Ochenta y cinco por ciento del metano se transforma en dióxido de carbono, diez por ciento en monóxido de carbono y cinco por ciento permanece sin quemarse. Calcule la composición del gas de chimenea.
1) Objeto
Determinar la composición del gas de chimenea
2) Esquema
- En un sistema de obtención de aceite de semilla por cargas, como el del diagrama de flujo, se procesan 1000 kg de semilla por operación. Calcular la cantidad de harina seca que se obtiene por carga y la concentración de proteína que contiene.
1) 1) Objeto
Determinar la cantidad de harina seca por carga.
Determinar la concentración de la proteína en
la harina seca.
3) Cálculos
Ejercicio 1
- Un tanque elevado tiene una capacidad de 8 m3 y se encuentra en la parte superior de un edificio de tres pisos. El tanque inicialmente tiene almacenado 2 m3 de agua. Considerando que se está alimentando por la tubería de la red pública agua a razón de 0,25 m3/min y que al mismo tiempo el consumo por los inquilinos de los departamentos del edificio se mantiene constante a razón de 0,10 m3/min, determine el tiempo necesario para que el tanque llegue a su máxima capacidad.
1) Objeto
- Determinar el tiempo para que se llene el tanque
2) Esquema
 |
Ejercicio 2
- Se tiene inicialmente un tanque lleno con 40 litros de una solución de alcohol al 10%. Al tanque se han conectado dos líneas de tuberías, una de alimentación a través de la cual va a ingresar un flujo volumétrico de 4 lt/min de una solución al 50% de alcohol y la otra líneas es de drenado con una capacidad para extraer 4 lt/min de la solución que tenga el tanque. Suponiendo que cada línea tiene una válvula de apertura rápida y que las dos son accionadas en el mismo momento, determinar la concentración dentro del tanque a los 9 minutos y a los 15 minutos de haberse abierto las válvulas.
1) Objeto
- Determinar la concentración del tanque a los 9 y 15 min
2) Esquema
3) Cálculos
La concentración a 9 minutos es de 33,73%
La concentración a 15 minutos es de 41,08%
Material de trabajo #5
Ejercicio #1
Una
porción de 1 kg de una corriente de agua Sale por la parte interior de un tubo
de descarga con una velocidad de 2 m/s y cae 100 m hasta un depósito inferior.
¿A qué velocidad llega el depósito?
1) Objeto
Determinar la velocidad con la que 1 kg de agua llega al depósito.
2) Esquema
3) Cálculos
Ejercicio #2
Un kilogramo de vapor a una presión de 1 bar, que está
contenido en un cilindro de área transversal de 1.62 m2, soporta libremente una
cubierta móvil hermética, de un determinado peso. Se calienta extremadamente al
el cilindro, para elevar la temperatura del vapor a 100 C° hasta 300 C°. Suponiendo
que no hay pérdidas de calor hacia los alrededores calcule la cantidad de calor
que requiere el proceso.
1) Objeto
Determinar la cantidad de calor que requiere el proceso
2) Esquema
3) Cálculos
4) Conclusión
La cantidad de calor requerida para el proceso sería de 303,77KJ aproximadamente.
SEMANA 6
Ecuaciones de diseño
para reactores intermitentes
En este tipo de reactores a medida que el reactivo permanece más tiempo, se convierte una mayor cantidad de este en producto hasta que se alcanza el equilibrio la reacción se completa.
Ecuaciones de diseño
para reactores de flujo
Para un sistema de flujo continuo el tiempo suele aumentar conforme el volumen del reactor aumenta, es decir a medida que el reactor es más grande o más largo, los materiales que reaccionan tardan más tiempo en fluir completamente dentro de este, y por tanto más tiempo en reaccionar, en consecuencia, la conversión está en función del volumen del reactor.
Ecuaciones de diseño
para CSTR (Reactor continuo de mezcla perfecta)
El CSTR se presenta por un modelo de mezcla perfecta, de modo
que no hay variaciones espaciales dentro del reactor.
Ecuaciones de diseño
para PFR (Reactor de flujo Tapón)
Este modelo PDR considera que el flujo se desplaza como tapón, es decir, sin gradientes radiales de concentración, temperatura o velocidad de reacción.
Ecuaciones de diseño
para PBR (Reactor empacado)
Los reactores empacados son reactores tubulares llenos con
partículas de catalizador.
Reactores en serie
Muchas veces los reactores están conectados en serie de modo
que la corriente de salida de un reactor es la corriente de alimentación del
siguiente, al usar este arreglo a menudo es posible acelerar los cálculos,
definiendo la conversión en términos de la ubicación en el punto corriente
abajo en vez de con respecto a cualquier reactor único, es decir la conversión
es el número de moles totales de “A” que reaccionan a ese punto por moles de
“A” alimentados al primer reactor.
Reactor PFR en serie
Observamos que dos CSTR en serie proporcionan un volumen
global más pequeño que un solo CSTR para lograr la misma conversión, sin embargo,
esto no es cierto para los PFR conectados en serie; vemos que no importa si se
colocan dos reactores de flujo tapón en serie o se tiene uno solo continuo, el
volumen global del reactor necesario para alcanzar la misma conversión es
idéntico.
Combinaciones de CSTR
y PFR en serie
El motor de cohete de la figura E1.1 quema una mezcla estequiométrica de combustible (hidrogeno liquido). La cámara de combustión es cilíndrica, 75 cm de largo por 60 cm de diámetro, y el proceso de combustión produce 108 kg/s de gases de escape. Si la combustión es completa, calcular la velocidad de reacción entre el oxígeno y el hidrogeno.
1)Objeto:
Determinar la velocidad de reacción de O2 Y H2
2)Esquema:
Un ser humano 75 kg
consume alrededor de 6000 kJ de comida al día. Supones que todo el alimento es
glucosa y que la reacción global es.
Calcular la velocidad
del metabolismo de la persona (la velocidad de vivir, amar y reír) en términos de
moles de oxigeno consumidos por de la persona por segundo.
1)Objeto: Determinar la velocidad de reacción del
oxigeno
2)Esquema:
75kg
- Considere la isomerización cis - trans del 2 buteno que podríamos representar simbólicamente como A à B. La reacción de primer orden se lleva a cabo en un reactor tubular en el cual la velocidad de flujo volumétrico es una constante.
1.-Dibuje el perfil de concentración
2.-Deduzca una ecuación que relacione el volumen del reactor con la concentración de entrada y de salida de A. La constante de velocidad K y la velocidad del flujo volumétrico Q
3.-Determine el volumen del reactor necesario para reducir la concentración de salida al 10% de la concentración de entrada cuando la velocidad de flujo volumétrico es /min y la constante de velocidad de reacción K es 0,23 mi
1)Objeto: Determinar el volumen del reactor
2)Esquema:
EJERCICIO 1
Para
dos reactores CSTR en
serie se alcanza 40% de conversión en el primer reactor. ¿Cuál es el volumen de
cada uno de los dos reactores que se necesita para alcanzar una conversión del
80% de la especie A entrante?
La
velocidad de flujo molar alimentada es la misma que en los ejemplos previos,
0.4 mol/s.
1) Objeto:
Determinar los volúmenes de los reactores VCTR1 y VCTR2.
2) Esquema:
3) Cálculos:
4) Conclusión:
El volumen del primer reactor es de 0,82m3 y el segundo de 3,2m3.
EJERCICIO 2
Con
los datos de la tabla del problema anterior, calcule los volúmenes de los
reactores V1 y V2 para la secuencia de flujo tapón que se muestra en la figura
cuando la conversión intermedia es del 40% y la conversión final del 80%. La
velocidad de flujo molar alimentada es la misma que en los ejemplos previos,
0.4 mol/s.
1) Objeto: Determinar los volúmenes de los reactores VPFR y VPFR2.
2) Esquema:
4) Conclusión
EJEJERCICIO 3
La
isomerización de butano n - C4H10 ---> I- C4H10
Se efectuó adiabáticamente en fase líquida y se obtuvieron los datos de la tabla. Éstos son datos reales para una reacción real efectuada adiabáticamente y se emplea el diagrama de reactores de la figura. Calcule el volumen de cada uno de los reactores para una velocidad de flujo molar alimentada de n-butano de 50 kmol/h.
1) Objeto: Determinar los volúmenes de los reactores VCTR1, VPFR2 y VCTR3
2) Esquema:
EJERCICIO 3
A +
B à C
-rA
= KCABB
Considerando
una conversión del 80%, calcule el volumen necesario del reactor. Con K = 180
litro/mol * seg , CA = 120 mol/litro, BB = 180 mol/ litro
1) Objeto: Determinar los volúmenes de los reactores VPFR.
2) Esquema:
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