Material complementario

Ejercicios de balance de energía...

1. En un recipiente de cobre aislado térmicamente, que pesa 1 kg y que contiene 5 kg de agua a 10ºC, se introduce un calentador eléctrico de 1500 W de potencia. Calcular el tiempo que transcurrirá hasta que el agua se ponga a hervir, suponiendo que no se producen pérdidas de calor contra el exterior, (cp cobre = 0,385 kJ/kg.K; cp agua = 4,18 kJ/kg.K) Rta: 21,3 min
2. En un recipiente aislado térmicamente se mezclan 529 kg de un concentrado de tomate, a 85ºC de temperatura, con 350 kg de agua, a 25ºC de temperatura, para iniciar la fabricación de una salsa. ¿Cuál será la temperatura de la mezcla? (cp conc tomate = 2,83 kJ/kg.K; cp agua = 4,18 kJ/kg.K) Rta: 55,3°C
3. Se dispone de un autoclave de una jaula en el que se tratan 900 latas de medio kilo de peso neto por carga. El autoclave está construido en acero inoxidable y pesa 1000 kg. La cesta también es de acero inoxidable y su peso es de 100 kg. Los envases tratados son de hojalata y pesan, en vacío, 50 g cada uno. Calcular el caudal de agua que se consumirá en el proceso de enfriamiento del autoclave, desde 120 hasta 40ºC, si el agua llega al cambiador a 20ºC y lo abandona a 25ºC. (cp producto: 4 kJ/kg.K; cp acero inox: 0,5 kJ/kg.K; cp hoja lata: 0,6 kJ/kg.K) Rta: 9098,5 Kg
4. Calcule el calor necesario para calentar 200 Kg de oxído nitroso de 20°C a 150°C en un recipiente a volumen constante. La capacidad calorífica a volumen constante del N2O en este rango de temperaturas está dada por la ecuación: Cv, kJ/kg.°C = 0,855 + 9,42x10-4 T, donde T se da en °C. Rta: 24200 kJ
5. 15 kmol/min de aire se enfrían de 430°C a 100°C. Calcule la velocidad requerida de eliminación del calor. Cp = 0,02894 + 0,4147x10-5 T + 0,3191x10-8 T2 - 1,965x10-12 T3. Rta: 2500 kW
6. Una solución acuosa al 10,0% en peso de ácido sulfúrico a 40°C se neutralizará con una solución acuosa de hidróxido de sodio al 20,0% en peso a 25°C en un reactor continuo. ¿A qué velocidad en kJ/kg de solución de ácido sulfúrico se debe retirar el calor del reactor si la solución de producto emerge a 35°C? (H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O; Cp H2SO4 = 3,85 J/g.°C: Cp H2O = 4,184 J/g.°C; Calores de formación, kJ/mol: H2SO4 = -884,6, NaOH = -468,1, Na2SO4 = -1384, H2O = -285,84) Rta: -136kJ

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Ejercicios de balance con reacción química...

1. Suponga que en una prueba se queman 20 kg de propano (C₃H₈) con 400 kg de aire, para producir 44 kg de CO₂ y 12 kg de CO. Cuál fue el porcentaje de aire en exceso? Rta: 28,89%
2. La corrosión por oxígeno de las tuberías de las calderas puede reducirse si se emplea sulfito de sodio (Na₂SO₃), el cual elimina el oxígeno del agua de alimentación de la caldera por medio de la siguiente reacción: "2Na₂SO₃ + O₂ → 2 Na₂SO₄". Cuántas libras de sulfito de sodio se requieren en teoría para eliminar el oxígeno de 8.330.000 lb de agua que contienen 10 ppm de oxígeno disuelto y al mismo tiempo mantener un 35% de exceso de sulfito de sodio? Rta: 884,22 lb
3. Se quema una mezcla que contiene la siguiente composición molar: 19,4% O₂, 72,8% N₂, 7,8% CH₄. El porcentaje de conversión del metano (CH₄) es 90% y el gas que sale del reactor contiene 8 mol de CO₂ / mol CO. Calcule la composición molar de la corriente de salida. Rta: 5,7 O₂, 72,52% N₂, 0,78% CH₄, 0,78% CO, 6,22% CO_2, 14% H₂O.
4. En un reactor se deshidrogena propano (C₃H₈) para dar propileno (C₃H₆), mediante la siguiente reacción "C₃H₈ → C₃H₆ + H₂". El proceso se va a diseñar para una conversión total del 95% del propano, luego los productos de reacción se separan en dos corrientes: La primera, que contiene H₂, C₃H₆ y 0,555% del propano que sale del reactor, se considera como producto; la segunda corriente, que contiene la cantidad de propano sin reaccionar y 5% del propileno de la primera corriente, se recircula al reactor. Calcular:
• La composición del producto. Rta: 48,7% C₃H₆, 48,7% H₂, 2,6% C₃H₈
• La relación moles recirculados / moles de alimentación fresca. Rta: 9
5. El metanol se produce haciendo reaccionar dióxido de carbono con hidrógeno, bajo la siguiente reacción "CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O". La alimentación fresca al proceso contiene hidrógeno, dióxido de carbono y 0,4% molar de sustancias inertes. El efluente del reactor pasa a un condensador, donde se retiran todo el metanol y el agua que se formaron y ningún reactivo, ni sustancia inerte. Estos últimos se recirculan al reactor. Para evitar la acumulación de sustancias inertes en el sistema, se retira una corriente de purga de la recirculación. La alimentación al reactor (no la alimentación fresca al proceso) contiene la siguiente composición molar: 28% CO₂, 70% H₂ y 2% de sustancias inertes. La conversión de hidrógeno es del 60%. Calcule la composición molar y el flujo de la alimentación fresca, la alimentación total al reactor, las corrientes de recirculación y purga para una velocidad de producción de metanol de 155 kmol CH₃OH/h. Rta: 722 kmol/h de alimentación fresca con la siguiente composición: 73,6% H₂, 26% CO₂ y 0,4% de sustancias inertes; 1.107 kmol/h de alimentación total al reactor con la siguiente composición: 70% H₂, 28% CO₂ y 2% de sustancias inertes; 385 kmol/h de recirculación con la siguiente composición: 63% H₂, 32% CO₂ y 5% de sustancias inertes y 102,1 kmol/h de purga con la siguiente composición: 63% H₂, 32% CO₂ y 5% de sustancias inertes.

Ejercicios de balance sin reacción química...

1. En el tratamiento primario de un agua residual ésta se hace pasar por un sedimentador para eliminar los sólidos en suspensión. El proceso trabaja en continuo y en régimen estacionario con 5000 kg/h de agua residual que contiene un 1% de sólidos. Determinar las velocidades másicas de los flujos de salida; si sale el agua clarificada con un 0.05% de sólidos y el lodo con el 8% de sólidos. Rta: 4402.5 kg/h clarificado, 597.5kg/h lodo
2. La separación de benceno, tolueno y xileno se lleva a cabo en dos columnas de destilación en serie. La primera columna se alimenta con 100 kmol/h de una corriente con composición molar 40 % de benceno. De ésta se obtienen 40 kmol/h de un destilado de composición molar 95 % benceno, 4,55 tolueno y 0,45 xileno. El producto de fondo de la primera columna se alimenta a la segunda donde se produce un destilado compuesto por 86,4 % tolueno, 8,6 % xileno y 5% benceno. El producto de fondo de la segunda columna es xileno puro. Hallar:
• Flujos molares de las corrientes de fondo y el destilado de la segunda columna Rta: 60 kmol/h y 40 kmol/h fondo y 20 kmol/h destilado
• Composición molar de las corrientes de alimentación y fondo de la primera columna Rta: Fondo= Tolueno: 36.38%, Xileno: 23.62%, Alimentación = Benceno: 3.33%, Tolueno: 57.6%, Xileno: 39.07%
3. Una corriente de aire de 5200 kg/h contaminada con acetona (1.6% molar) debe ser tratada antes de su emisión a la atmósfera. Para ello se diseña un proceso donde, además de conseguir el objetivo medioambiental, se recupera la acetona. El proceso trabaja en continuo y en estado estacionario, el cual consiste en un absorbedor al cual además del aire contaminado, se le adicionan 1200 kg/h de agua para separar del aire la acetona; luego la mezcla de agua y acetona se hace pasar por una columna de rectificación de la cual sale un destilado con el 99% en peso de acetona y un residuo del fondo con un 5% en peso de acetona. Calcular los caudales másicos y composiciones de cada una de las corrientes que salen del absorbedor. Rta: Gas limpio: 4973.48 kg/h, mezcla de agua y acetona: 1426.52 kg/h (84% agua y 16% acetona)
4. Una mezcla de gases procedentes de la síntesis de Haber-Bosch (60% en peso NH3; H2/N2 = 3/1 en volumen) se introduce en un absorbedor junto con un flujo másico de 1000 kg/h de H2O en contracorriente para recuperar el NH3 en forma de disolución acuosa al 30 % en peso. Teniendo en cuenta que de la columna de absorción también salen gases con 0.5% en peso de NH3; H2/N2 = 3/1 en volumen, calcular:
• Flujos másicos de los gases de síntesis, los gases de salida y la disolución acuosa. Rta: 716.7 kg/h, 288.1 kg/h y 1428.6 kg/h
• Rendimiento de la columna de absorción. Rta: 99.2%
5. 5oo kg/h de un mineral de cobre de composición 12% CuSO4, 3% H2O y 85% inerte, se somete a extracción con 3000 kg/h de H2O, en contacto simple, al objeto de extraer el CuSO4. El extracto está formado por CuSO4 y H2O. El refinado o mineral de desecho contienen todo el inerte introducido con el mineral tratado, más la disolución formada por CuSO4 (1.96%) y H2O en proporción 0,8 kg disolución/kg inerte. Hallar:
• Flujos másicos de extracto y refinado. Rta: 2735 kg/h y 765 kg/h
• Composiciones másicas de extracto y refinado. Rta: 1.95% CuSO4, 98.05% H2O y 0.87%CuSO4, 43.57% H2O, 55.56% Inertes.
• Rendimiento de extracción del CuSO4. Rta: 88.9%
6. Con el fin de mejorar el rendimiento de extracción del CuSO4 contenido en el mineral, se modifica el proceso del ejercicio anterior con la incorporación de un segundo extractor. Considerar idéntica proporción disolución (0.22% CuSO4 y H2O)/inerte en ambos refinados. Hallar:
• Flujos másicos de las corrientes no conocidas. Rta: 765 kg/h, 3000 kg/h
• Composiciones másicas del extracto y refinado del segundo extractor. Rta: 55.56% Inertes, 0.098%CuSO4, 44.342% H2O; 99.8% H2O, 0.2% CuSO4
• Rendimiento de extracción del CuSO4. Rta: 98.89%

Ejercicios de composición...

1. Una mezcla contiene 10g/L de tolueno y la misma cantidad de xileno en benceno. Si la densidad de la mezcla es 0.85g/cc, calcular la fracción masa de tolueno, libre de benceno. Rta: 0.5
2. Que cantidad de las siguientes sustancias contienen 100g de CO2?
• mol CO2 Rta: 2.27 mol CO2
• lbmol CO2 Rta: 5 x 10ᶺ -3 lbmol CO2
• mol C Rta: 2.27 mol C
• mol O Rta: 4.54 mol O
• mol O2 Rta: 2.27 mol O2
• g O Rta: 72.64 g O
• g O2 Rta: 72.64 g O2
• moléculas de CO2 Rta: 1.37 x 10ᶺ24 moleculas
3. Calcule el peso molecular promedio del aire partiendo de:
• Su composición molar aproximada Rta: 28.84g
• Una composición aproximada por masa de 76.7% N2 y 23.3% O2 Rta: 28.94g

Ejercicios repaso...

1. Calcule el volumen en ft3 que ocupan 215 kg de mercurio. Rta: 0.560ft3
2. Se almacenan 100 gramos de nitrógeno en un recipiente a 23°C y 3psig. Suponiendo que el gas tiene comportamiento ideal, calcule el volumen del recipiente en litros. (Utilice Patm = 14.7psia) Rta: 72L
3. 10pie3 de aire a 70°F y 1atm se calientan hasta 610°F comprimiéndolos a 2.5atm ¿Qué volumen ocupará el gas en su estado final? Rta: 8.08ft3