Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15

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1 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15 PRÁCTICAS DE AULA PROBLEMAS PROBLEMA Transformar las siguientes cuantías a las unidades que se especifican: a) 3 g/l a lb/ft 3 b) 10 cp a lb/(in)(s) c) 6 m/s a ft/s d) 4 kcal/(h)(m)(ºc) a Btu/(s)(in)(ºF) e) 0.3 din/cm 2 a lb f /in 2 f) 40 ºC a ºF, ºR y K PROBLEMA Deducir el correspondiente valor en el sistema internacional de unidades (S.I.) de las siguientes propiedades o datos: a) La difusividad (D) del anhídrido carbónico en agua a 25 ºC y 1 atm es ft 2 h -1. b) La conductividad calorífica (k) de un acero A.I.S.I a 373 K es 27 Btu h -1 ft -1 ºF -1. c) La presión en el interior de un tanque es 6360 lb f ft -2. PROBLEMA Para la determinación del coeficiente de transmisión de calor individual a través de un sólido en contacto con la pared de un lecho fluidizado, Wen y Fau han propuesto la siguiente ecuación empírica: h = 11.6 k (c s ρ s ) 0.4 ( ηg μ N f ) 0.36 en la que: h es el coeficiente de transmisión de calor (BTU/h ft 2 F) k es la conductividad térmica del fluido (BTU/h ft F) c s es la capacidad calorífica del sólido (BTU/lb F) ρ s es la densidad del sólido (lb/ft 3 ) G es la velocidad másica del fluido (lb/h ft 2 ) η es la eficacia de la fluidización (adimensional) μ es la viscosidad del fluido (lb/h ft) N f es la relación de expansión del lecho (adimensional). Obtener una ecuación equivalente en la que todas las variables se expresen en el sistema internacional (tiempo en horas). PROBLEMA En un horno se queman 800 m 3 /h de un gas seco, que entra en el mismo a 1 atm y 298 K, con la siguiente composición en volumen; CH 4, 50%; H 2, 23%; C 2 H 6, 2%; CO, 10%; CO 2, 3%; O 2, 3%; N 2, 9%. Se utiliza 20% de exceso de aire enriquecido, que contiene 40% de oxígeno y 60% de nitrógeno y que se introduce al horno a 1 atm y 388 K. Los productos de combustión contienen CO 2 y CO en relación molar 9 a 1 y abandonan el horno a 523 K. Calcular: a) Caudal de aire enriquecido alimentado, m 3 /h b) Composición del gas de combustión en base seca y en base húmeda. DATOS Base de Cálculo: 100 mol-kg de gas combustible Reacciones: CH 4 + 2O 2 CO H 2 O H 2 + ½ O 2 H 2 O C 2 H 6 + 7/2 O 2 2 CO H 2 O CO + ½ O 2 CO 2

2 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15 PRÁCTICAS DE AULA PROBLEMAS PROBLEMA Para formar una solución de sosa cáustica al 4% en peso la sosa cáustica sólida se disuelve con agua. El proceso se efectúa llevando una parte de la corriente de agua a un recipiente con sosa cáustica sólida, de donde sale con un 17% de sosa, la otra parte del agua se deriva uniéndose posteriormente en proporción tal que se obtenga la solución al 4%. Qué porcentaje de agua debe derivarse a través del saturador si se quiere producir 2 t/h de solución al 4%?. Qué cantidad de agua debe introducirse por cada corriente?. PROBLEMA Un convertidor de NH 3 se alimenta con una mezcla gaseosa cuyo análisis de la alimentación fresca es el siguiente: 73.5% H 2, 24.5% N 2, 2% Inertes (% en volumen). En el convertidor se alcanza una conversión del 65% y en el condensador se recupera, como NH 3 líquido, el 75% del NH 3 formado. El gas que sale del condensador se recircula purgándose una fracción del mismo para evitar la acumulación de inertes. La corriente que se alimenta al reactor no puede contener más del 18% de inertes. Calcular: a) Fracción del gas que se purga b) % de NH 3 que se pierde en la purga c) Cantidad de NH 3 líquido obtenido Base de cálculo: 100 moles de alimentación fresca

3 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15 PRÁCTICAS DE AULA PROBLEMAS PROBLEMA (RECOMENDADA SU RESOLUCIÓN PARA ENTREGAR EN PA). Para recuperar el benceno contenido en una mezcla benceno-aire de composición 6% en volumen de benceno, se trata en contracorriente en una torre de absorción, empleando como líquido absorbente un hidrocarburo no volátil de peso molecular 250. La mezcla gaseosa entra en el absorbedor a razón de 500 m 3 /h a 20 ºC y 1 atm; la absorción se efectúa isotérmicamente e isobáricamente a 20 ºC y 1 atm, y se puede suponer que la solubilidad del benceno en el hidrocarburo se ajusta a la ley de Raoult. a) Representar la curva de equilibrio. b) Calcular la cantidad mínima de hidrocarburo a emplear si ha de recuperarse el 95% de benceno. c) Calcular el número de etapas teóricas de la torre de absorción si la cantidad de hidrocarburo empleado es 60% superior a la mínima. Nota: La presión de vapor del benceno a 20 ºC es 76 mm de Hg. PROBLEMA kg de una disolución de A y C, de composición 30% en peso de C, se somete a un proceso de extracción en corriente directa empleando como disolvente el componente B. La operación se efectúa en tres etapas utilizando 50 kg de B en cada etapa. Calcular: a) La cantidad y composición del extracto y del refinado en cada una de las tres etapas. b) La cantidad y composición del extracto compuesto. La composición de fases conjugadas para este sistema en peso %, son las siguientes: Refinado A B C Extracto A B C

4 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15 PRÁCTICAS DE AULA PROBLEMAS PROBLEMA a) La reacción Cl 2 SO 2 Cl 2 + SO 2 es de primer orden con una constante de velocidad de s -1 a 320 ºC. Qué tanto por ciento de Cl 2 SO 2 se descompondrá al calentarlo a esa temperatura durante 90 minutos en un recipiente de volumen constante?. b) La reacción en fase gas, irreversible A 3B se realiza isotérmicamente y en un reactor discontinuo. La reacción es de orden cero y la concentración inicial de A es de 2 mol/l conteniendo el sistema un 40% de inertes. La constante de velocidad es 0.1 mol/l min. Calcula el tiempo necesario para alcanzar una conversión del 80% en: b-1.- Un reactor discontinuo a volumen constante b-2.- Un reactor discontinuo a presión constante PROBLEMA 4.2- (RECOMENDADA SU RESOLUCIÓN PARA ENTREGAR EN PA). Se lleva a cabo la descomposición en fase líquida de un determinado compuesto, que sigue la estequiometría A B + C, en un reactor continuo de mezcla completa cuyo volumen es de 5 L. El flujo másico de reactivo A que entra al reactor es de 22 g/s siendo el peso molecular de A de 44 g/mol-g. Para un caudal de alimentación de 2 L/s determina la conversión que se obtiene en dicho reactor. La constante cinética a la temperatura que se lleva a cabo la reacción es k = 0.30 L/mol s. PROBLEMA La polimerización pirolítica del acetileno en fase gaseosa se ajusta a una ecuación cinética de 2º orden cuya constante de velocidad a 550 ºC es k = dm 3 /mol s 4 C 2 H 2 (g) (C 2 H 2 ) 4 (g) La alimentación está constituida por un 80% de acetileno y el resto inertes, con un flujo de 1000 m 3 /h medidos a 550 ºC y 20 atm. a) Calcular el volumen del reactor tubular de flujo en pistón necesario para obtener una conversión del acetileno del 19% b) Si en lugar de un solo reactor se dispone de 235 tubos iguales de 5 cm de diámetro, Qué longitud tendría cada tubo?

5 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15 PRÁCTICAS DE AULA PROBLEMAS PROBLEMA Desde un recipiente elevado fluye agua a través de un conducto hacia una turbina que se encuentra a un nivel menor, y sale de la turbina a través de un conducto similar. En un punto 100 m por encima de la turbina, la presión es 207 kpa, y en un punto 3 m por debajo de la turbina, la presión es 124 kpa. Cúal debe ser la velocidad de flujo del agua si la turbina produce 1.00 MW? 207 kpa 100 m 3 m W e = 1.00 MW 124 kpa PROBLEMA (RECOMENDADA SU RESOLUCIÓN PARA ENTREGAR EN PA). Una máquina de vapor opera siguiendo el ciclo de Rankine con recalentamiento. Los tubos de la caldera soportan una presión máxima de 10 atm y el agua fría entra al condensador a 50 ºC. El condensador se diseña para una diferencia de temperaturas de 15 ºC, de modo que la menor temperatura del ciclo es 65 ºC. Los procesos de la bomba y la turbina se pueden considerar adiabáticos y reversibles. Determinar el recalentamiento necesario y la eficacia del ciclo. DATO: Entalpía del agua líquida saturada a 65 ºC: kcal/kg.

6 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD DE OVIEDO BASES DE LA INGENERÍA QUÍMICA 1º GIQ CURSO 2014/15 PRÁCTICAS DE AULA PROBLEMAS PROBLEMA La alimentación fresca a un convertidor de NH 3 está constituida por una mezcla de 100 mol-g de N 2 e H 2 en cantidades estequiométricas a 425 ºC. El convertidor opera a 425 ºC y se obtiene una conversión por paso del 16%. Parte del NH 3 se separa en un condensador mediante enfriamiento y condensación a 50 ºC, recirculándose los gases previo calentamiento a 425 ºC y uniéndose a la alimentación fresca. La presión total en todo el proceso es de 250 atm. a) Dibujar el diagrama de flujo b) Calcular la cantidad de NH 3 que se condensa c) Calcular la cantidad de NH 3 que se recircula d) Calcular la cantidad de calor que es preciso retirar en el condensador DATOS N 2 + 3H 2 2NH 3 -Presión parcial del NH 3 a la entrada del convertidor = 15 atm -Calor latente de vaporización del NH 3 a 50ºC = cal/g -Capacidades caloríficas medias (cal/mol ºC), NH 3 = 10.02; N 2 =7.13, H 2 = 6.99 PROBLEMA Para la obtención de ácido sulfúrico por el método de contacto, se queman piritas de hierro (FeS 2 ) utilizando un 100% de exceso de aire respecto al necesario para oxidar todo el hierro a Fe 2 O 3 y todo el azufre a SO 2. Puede suponerse que en el horno la combustión de las piritas es completa y que no se forma SO 3 en el mismo. Los gases del horno entran a 673 K a un convertidor catalítico en el que el 80% del SO 2 se oxida a SO 3 por combinación con el oxígeno presente en los gases. Calcular la temperatura de salida de los gases del convertidor, suponiendo que éste se encuentra perfectamente aislado, de forma que las pérdidas de calor son despreciables. DATOS Las reacciones que se producen son: 4FeS 2 (s) + 11O 2 (g) 2Fe 2 O 3 (s) + 8SO 2 (g) SO 2 (g) + 1/2O 2 (g) SO 3 (g) SO 2 SO 3 O 2 N 2 Calores específicos medios (J/mol K) Entalpías de formación a 298K (kj/mol) PROBLEMA Uno de los posibles procesos de obtención de formaldehído consiste en hacer reaccionar metanol en fase vapor con aire, en presencia de un catalizador de plata, según la reacción: CH 3 OH(g) + 1/2 O 2 CH 2 O(g) + H 2 O (g) Cuando la relación molar metanol/aire en la mezcla reaccionante es 2/5, se alcanza una conversión del 60% del metanol alimentado. Considerando que el reactor es adiabático y que dicha mezcla entra a 348 K, cuál será la temperatura de los gases de salida?. DATOS Entalpía de reacción a 298 K = kj/mol-kg Calores específicos (kj/kg K): CH 3 OH = 1.88; CH 2 O = 2.30; O 2 = 1.00; N 2 = 1.09; H 2 0 = 1.93

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