INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA I. MÓDULO 4: La conservación de la materia Procesos sin reacción química

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1 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA I GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS MÓDULO 4: La conservación de la materia Procesos sin reacción química

2 LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA - PROCESOS SIN REACCIÓN QUÍMICA - desarrollos prácticos - Tipo A A.1.- Se desea purgar el oxígeno contenido en un tanque de 1 m3 de capacidad. El tanque contiene aire bajo una presión de 1 ata y 20ºC. Para lograr el objetivo se puede proceder de dos formas: a) se inyecta nitrógeno puro a razón de 10 m3 por hora a 20ºC. Se supone que la mezcla de ambos gases es prácticamente instantánea. Esta mezcla se drena en forma continua de modo que la presión se mantenga constante en 1 atmósfera. Cuál será la concentración de oxígeno al cabo de 1 hora?. b) Se hace vacío en el sistema hasta 50 mmhg. Luego se inyecta nitrógeno hasta llegar a 1 atmósfera. Se repite el proceso en dos oportunidades más. Cuál será la concentración de oxígeno en el tanque luego del tercer vaciado?. Comparar ambos métodos. Respuesta: P=35,9 kgmol ; X A C3=0.496 A gmol de una mezcla constituida por 30% molar de benceno y el resto tolueno es sometida a un procesos de destilación diferencial. La mezcla se vaporiza a razón de 5 gmol/h. Determinar la composición del líquido residual al cabo de 4 horas. Respuesta: 25,2% B - 74,8% T LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA - PROCESOS SIN REACCIÓN QUÍMICA - desarrollos prácticos - Tipo B B.1.- Una corriente gaseosa de refinería, que contiene 30 % molar de etano y 70 % molar de metano, entra a un absorbedor donde los gases casi se separan por completo. La corriente rica en metano debe venderse a un cliente. a) Determinar los moles de gas de venta producidos por mol de alimentación al absorbedor. F 30% etano 70 % metano S W 3 % etano (gas de venta) 100 % etano A causa de las variaciones en la demanda, el cliente desea recibir 10 % de etano en los gases de venta en lugar del 3 %. b) Se pide obtener un diagrama de proceso, identificando todas las corrientes, tomando en cuenta la composición y la cantidad, indicando como lograr el objetivo deseado empleando el mismo absorbedor. Note que el absorbedor esta diseñado de tal modo que sólo opera con las condiciones de concentración especificadas en el diagrama. Respuesta: a) S/F=0,722 B.2.- Se desean mezclar tres productos LPG (gas licuado de petróleo) en ciertas proporciones a fin de que la mezcla final satisfaga ciertas especificaciones de presión de vapor. Esas especificaciones se alcanzarán en una corriente de composición D abajo indicada. Determinar las proporciones a las que, las corrientes A, B y C se deben mezclar para dar el producto D deseado. Los valores se presentan en % en volumen de líquido.

3 Componente A B C D C2 5 1,4 C ,2 isoc ,4 n-c ,6 isoc , Respuesta: 28% A - 60,33% B - 11,67% C B.3.- Una solución de NaCl al 50% se debe concentrar en un evaporador de triple efecto que opera en contracorriente, como el que se muestra en la figura (cada evaporador individual se conoce como efecto). En cada efecto se evapora una cantidad igual de agua. Determine la concentración de salida del efecto 2 si los contenidos internos de tal efecto se mezclan de manera uniforme a fin de que la corriente de salida tenga la misma composición que la de los contenidos internos del efecto 2. Las líneas de corriente en cada efecto están separadas por completo de los contenidos del evaporador de tal modo que no ocurra la mezcla de la corriente con los contenidos lb/h lb/h Sol. NaCl al 50% Vapor Condensado Respuesta: 62,5% ClNa B.4.- Si se condensa aire y se destila a muy bajas temperaturas se obtiene O 2 puro. En el esquema de proceso se presentan las dos columnas de destilación utilizadas, indicándose las composiciones de las corrientes expresadas en % molares. Determinar: a) el porcentaje de O 2 de alimentación que se recupera en la corriente O. b) la cantidad de materia horaria (kgmol/h) de la corriente A si el flujo molar en O es de 100 kgmol/h.

4 N2 99% N Alimentación O2 1% N2 99% F T1 T2 O2 1% N2 79% A O2 21% N2 60% O2 40% B N2 0,5% O2 99,5% O Respuesta: a) 96,2% b) 252,56 kgmol/h B.5.-Una corriente de 1000 kg/h de una suspensión ácida que contiene 40% de sólidos inertes en una solución al 30% de ácido sulfúrico, se lava con agua fresca. Ensayos realizados indican que la retención de líquidos por el sólido es independiente de la concentración de ácido siendo su valor de 170 g de líquido por kg de sólido seco. Calcular el flujo horario de agua para obtener una recuperación del 90% del ácido. Suspensión Agua Solución ácida recuperada Sólidos Si se utiliza la misma cantidad de agua con dos tanques que operan con flujo en contracorriente, determine la cantidad de ácido que se recupera. Suspensión Agua Solución ácida recuperada Sólidos

5 Respuesta: a) 80 kg/h b) 95,1% B.6.- Una mezcla de benceno - tolueno - xileno se separa por destilación en dos torres: la primera produce benceno como producto de tope y por el fondo una mezcla de tolueno y xileno que se descarga en la segunda torre. Esta última produce tolueno por el tope y xileno por el fondo, como se muestra en la figura. Durante 12 horas de operación los siguientes productos se extrajeron de las torres: Tope T1 Tope T2 Fondo T2 Galones a 60ºF 9.240, , ,00 Composición ( % en volumen ) Benceno 98,50 1,00 Tolueno 1,50 98,50 0,70 Xileno 0,50 99,30 Durante ese período los niveles de líquido en los acumuladores variaron como se indican en la siguiente tabla. Se muestra también el volumen de líquido a 60ºF por pulgada de altura de los acumuladores: Gal.60ºF/in Nivel inicial(in) Nivel final (in) Acumulador de reflujo T Acumulador de reflujo T Acumulador de fondo T Acumulador de fondo T Determinar el caudal volumétrico y la composición de alimentación durante el período dado. B (benceno) Alimentación F T1 F' T2 T (tolueno) X (xileno) Respuesta: F= gal - 37,5% B - 22,33% T - 40,17% X B.7.- Un tanque contiene una solución salina al 5%. A los fines de concentrarla se añade una solución al 10% a una velocidad de 19 kg/h. Si la solución se extrae a una velocidad de 6 kg/h, calcular la composición de la solución al cabo de 3 horas, sabiendo que la masa inicial en el tanque es de 200 kg. Respuesta: 6.14%

6 B.8.- Un tanque de 5000 dm 3 de capacidad, contiene inicialmente 2000 kg de agua. Se agrega al mismo una solución de alcohol etílico y agua al 50%, a una velocidad de 500 kg/h. La solución resultante se retira a una velocidad de 250 kg/h. Determinar la composición del alcohol etílico en el tanque cuando éste colma su capacidad. Respuesta: 41% LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA - PROCESOS SIN REACCIÓN QUÍMICA - desarrollos prácticos - Tipo C C.1.- En un tren de destilación se va a fraccionar un hidrocarburo líquido que contiene: 20 % molar de etano 40 % molar de propano 40 % molar de butano en componentes en esencia puros como se muestra en la figura Tomar como base de cálculo F = 100 kgmol Cuál es el valor de la corriente P expresado en kgmol y la composición de la corriente A? E 95 % C2 4 % C3 1 % C4 F 20 % C2 40 % C3 P 40 % C4 99 % C3 1 % C4 A B 8,4 % C3 91,6 % C4 Respuesta: P=35,9kgmol ; X A C3=0.496 C.2.-Se hace pasar por un secadero una pulpa de papel húmeda que contiene un 71% de agua. Después de atravesar el secadero, se determinó una reducción de su contenido húmedo del 60%. Hallar: a) la composición de la pulpa a la salida del secadero b) la masa de agua eliminada por kilogramo de pulpa húmeda Respuesta: a) 0,506 b) 0,426 kg/h

7 C.3.- En una planta de separación de gases la alimentación al ciclotrón de butano tiene los siguientes constituyentes: Componente % molar propano 1,90 iso butano 51,60 n - butano 46,00 pentano y superiores 0,60 100,00 El régimen de flujo es 5.804,00 kgmol/día. Si las corrientes de la parte superior y de los fondos del ciclotrón de butano tienen las siguientes composiciones Cuáles son los regímenes de flujo de las corrientes de la parte superior y de los fondos expresados en kgmol/día?. % MOLAR Componente DOMO FONDOS propano 3,40 iso butano 95,70 1,10 n - butano 0,90 97,60 pentano y + 1,30 100,00 100,00 Respuesta: Domo= kgmol/día Fondos= kgmol/día C.4.- Una planta de gasolina natural en Oklahoma, produce gasolina removiendo vapores condensables del gas que sale de los pozos. El gas de pozo tiene la siguiente composición: Componente % Molar CH 4 77,3 C 2 H 6 14,9 C 3 H 8 3,6 C 4 H 10 1,6 C 5 y + 0,5 N 2 2,1 100 Este gas pasa a través de una columna de absorción conocida con el nombre de depurador, en la que se lava con una gasolina pesada, no volátil. El gas que sale del depurador tiene el siguiente análisis: Componente % Molar CH 4 92,0 C 2 H 6 5,5 N 2 2,5 100 La gasolina de lavado no absorbe nada de CH 4 ni de N 2, bastante del etano y todo el propano e hidrocarburos más pesados en la corriente gaseosa. Después, la corriente de gasolina se envía a una columna de desorción, que separa la gasolina de los hidrocarburos absorbidos. El producto de la parte superior del desorbedor se conoce como gasolina natural mientras que los fondos del desorbedor reciben el nombre de gasolina agotada. La corriente de la gasolina agotada se enfría y se regresa a la columna de absorción. Suponga que no hay fugas en el sistema. El gas de pozo se alimenta a la columna de absorción a la velocidad de lbmol/día y el régimen de flujo del gas enriquecido que va al desorbedor es de 1200 lb/min (PM = 140). Calcular: a) las libras de CH 4 que pasan a través del absorbedor por día b) las libras de C 2 H 6 absorbidas en la corriente gaseosa por día c) El porciento másico del propano en la corriente de gasolina enriquecida que sale del depurador.

8 Gas de salida Gasolina pobre DEPURADOR Domo-gasolina natural DESORBEDOR Gas de pozos - Gasolina enriquecida calentador enfriador Fondos Respuesta: a) 6, lb/día b) 1, lb c) 4,65% C.5.- La alimentación a una columna de destilación se separa en el producto neto por la parte superior que no contiene nada con un punto de ebullición mayor que el del isobutano y los fondos que no contienen nada con un punto de ebullición menor que el del propano. La composición de la alimentación es: Componente % molar Etileno 2,00 Etano 3,00 Propileno 5,00 Propano 15,00 Isobutano 25,00 n - butano 35,00 n- pentano 15,00 100,00 La concentración del isobutano en la parte superior de la columna es 5 % molar y la concentración del propano en los fondos es 0,80 % molar. Determinar la composición de las corrientes de la parte superior y de los fondos por cada 100 kgmol/h de alimentación. Respuesta: Tope 25,69 kgmol Fondo 74,31 kgmol

9 C.6.- Se cargan en un alambique 50 gmol de una mezcla 40% molar de benceno y el resto tolueno. La mezcla se calienta hasta su punto de burbuja a presión atmosférica y se vaporiza a una velocidad de 2 gmol/h. El vapor resultante se extrae continuamente y se condensa. Calcular la composición del líquido que permanece en el alambique al cabo de 10 horas. Respuesta: 28,5% B C.7.- Se dispone de tres tanques de capacidad L, cada uno, dispuesto según se muestra en la figura. El primero contiene L litros de una solución salina de concentración C 0 (g/dm 3 ). Se introduce al primero F dm 3 /h de agua pura, pasando parte del contenido del primero al segundo y de éste al tercero, obteniéndose a mayor tiempo menores concentraciones. Considerar mezclado perfecto. Inicialmente el segundo y tercer tanques contienen agua pura. Graficar para cada tanque la concentración de sal en función del tiempo. T1 T2 T3