PROBLEMAS DE BALANCE SIN REACCIÓN QUIMICA

1. Para el proceso que se muestra en la figura, a) ¿Cuántasecuaciones de balances de materia es posible escribir?Escríbalas. b) ¿Cuántas ecuaciones de balances de materiaindependientes hay en ese conjunto?

2. Examine el proceso de la figura, no ocurre reacción química,y X denota una fracción molar. a) ¿Cuántos valores de flujo sedesconocen? b) ¿Cuántas concentraciones? c) ¿Es posible obteneruna solución única para las incógnitas?

3.Se ha pedido verificar el proceso que se muestra en la figura,a)¿Cuál será el número mínimo de mediciones qué deberá hacer paracalcular el valor de todas las velocidades de los flujos y de susconcentraciones? Explique su respuesta, b) ¿Es posible usarcualquier conjunto arbitrario de cinco; es decir, se puede medirsolo las tres velocidades de flujo y dos concentraciones? c) ¿Sepuede medir solo 3 concentraciones en el flujo F y dosconcentraciones en el flujo W? No ocurre reacción química y X esla fracción Molar del componente A, B o C.

4. El efluente de una planta de fertilizantes se procesa medianteel sistema que se muestra en la figura P3.21 a) ¿Cuántas

mediciones adicionales de concentraciones y velocidades de flujoserá necesario hacer para especificar por completo el problema(de modo que exista una solución única)? b)¿Solo existe unconjunto de especificaciones?

5. Un gas que contiene 80% de CH4, y un 20% de Hese hace pasarpor un tubo de difusión de cuarzo (véase la Fig. P3.27) conobjeto de recuperar el helio. Se recupera el 20% en peso del gasoriginal, y su composición del gas de desecho si cada minuto seprocesan 100 kg mol de gas. La presión inicial de la fase es de120 kPa, y la final es de 115 kPa. El barómetro indica 740 mm Hg.La temperatura del proceso es de 22 °C.

0.2F1=F2

6. En una planta de separación de gases, el separador dealimentación de butano tiene los siguientes constituyentes:

La tasa de flujo es de 5804 kg mol/día. Si el flujo superior einferior del separador de butano tiene las siguientescomposiciones, ¿Cuáles son sus tasas de flujo en kg mol/día?

7. Considere el siguiente proceso para recuperar NH3, de un flujogaseoso compuesto por N2 y NH3 (véase la Fig. P3.41). Lacorriente de gas fluye en dirección ascendente por el proceso, ypuede contener NH3 y H2 para no disolvente S. La corriente delíquido que fluye en dirección descendente puede contener NH3 y Slíquido, pero no N2.

La fracción en peso del NH3 en la corriente de gas A que sale delproceso está relacionada con la fracción en peso delNH3, en lacorriente liquida B que sale del proceso mediante la siguiente

relación empírica: ωANH3

=2ω BNH3

.

Dados los datos de la figura P3.41, calcule las tasas de flujo ylas composiciones de las corrientes A y B. ¿Puede resolver el

problema si conoce la relación xANH3

=2x BNH3

, (fracciones molares)

en lugar de la relación de las fracciones de masa?

8. En la figura P3.69 se muestra un proceso de destilación. Se lepide obtener todos los valores de velocidad de flujo ycomposición. a) ¿Cuántas incógnitas hay en el sistema? b)¿Cuántas ecuaciones independientes de balance de materia puedeescribir? Explique cada respuesta y muestre todos los detallesdel razonamiento que siguió para tomar su decisión. Para cadaflujo, los únicos componentes son los que se indican debajo delflujo.

8. Varios flujos se mezclan como se muestra en la figura P3.71.Calcule la velocidad de cada flujo en kg/s.

9. La figura muestra un proceso de separación de tres etapas. Larazón P3/D3 es de 3, la razón de P2/D2 es de 1 y la razón de A a Ben el flujo P2 es de 4 a 1. Calcule la composición del flujo E yel porcentaje de cada uno de los componentes de ese flujo.

10. Para la columna de destilación que se muestra en el diagrama  de  flujo  adjunto,  un 32 % delcompuesto A alimentado sale por la corriente lateral 4. Determineel porcentaje del compuesto B en la corriente 4.

1

1712 Kg/h3% B

2

50% A50% B

4

960 Kg/h70% A30% B+C

3

100% A

11.Para el proceso que se muestra en la figura ,  haga  losbalances  que  sean necesarios y determine con ellos elflujo, enkg/h y la composición de las corrientes  1,  3  y  4.  Tabulesusresultados.

12. Para el proceso de destilación continua de dos unidadesmostrado enla figura, determine el flujo, en Kg/h yla composiciónde las corrientes 3, 4 y7. Tabule sus resultados.

60% B40% A

5

T-1

T-2

1 3 4

30 Kg/h5 30% A

6

40 Kg/h 90% A10% B

7

100 Kg/h 50% A

2

30 Kg/h60% A40% B

T-1

T-2

6

30 Kg/h60% A40% B

2

40 Kg/h 90% A10% B

30

3 4

13. En una sección de una planta de gasolina se elimina elisopentano de acuerdo con el esquema de lafigura. Por cada 100 kgque se alimentan al sistema en A, calcule:

a) La cantidad de isopentano que sale por el eliminador deisopentano.

b)  El flujo que sale en la corriente F.

14.Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una mezcla50%benceno y 50% Tolueno (F). El producto D recuperadodesde el

1

100 Kg/h 50% A

30

ELIMINARDOR

MEZCLADOR SEPARADOR

C

100%

F

90% n-pentano

D A

70% n-pentano

B

E

7

condensador contiene 95% de benceno, mientras quela corriente quesale por el fondo de la columna (W), contiene96% de Tolueno.

La corriente de vapor V que entra al condensador es de 8000kg/h.Una porción de la salida del condensador es devuelta a lacolumna(R), mientras que la otra es retirada comoproducto(D). Determine el valor del cociente R/D a la salida delcondensador.

15. Una mezcla de tres compuestos orgánicos; benceno (B), tolueno(T) y xileno (X), se separa por destilación fraccionada continuaen dos torres de destilación. En la primera se obtiene comoproductode tope el 80 % del benceno alimentado. La segunda torre

COLUMNA

CONDENSADOR

W

V

C

DRF

TORRE

I

TORRE

II

2

XB2 = 96%XT2 =4%

4

XB4 = 2%XT4 = 97% XX4 = 1%

XT5 = 1%XX5 = 99%

5

3

1

se alimenta con 1700 lb/h, de las cuales un60 % sale comoproducto de tope. Calcule:

a) El flujo de alimentación al sistema, en lb/h, y lacomposición de ella.

b) La cantidad de benceno, lb/h, obtenido en la primeracolumna como producto de tope.

c) La cantidad de xileno obtenido en la segunda torre comoproducto de cola, en lb/h.

16.Una unidad de destilación que consta de dos columnas dedestilación se alimenta con una mezclalíquida que contiene 30% en mol de benceno (B), 25 % en mol de Tolueno (T) y 45 % enmol dexileno (X), a una velocidad de 1275 kgmol/h. El productoinferior de la primera columna contiene 99% en mol de xileno ynada de benceno; en esta corriente se recupera el 98 % del xileno

alimentado. El producto superior de la primera columna alimentala segunda columna. El producto superior de lasegunda columnacontiene 99% en mol de benceno y nada de xileno. El bencenorecuperado en esta corriente representa el 96 % del benceno en laalimentación de esta columna.

17.El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas en una torrede absorción. El gas que contiene 15 %molar de CS2y 85 % molar deN2, se alimenta a la torre donde se pone en contacto con bencenopuro,que absorbe el CS2pero no el N2. El benceno ingresa a latorre en una relación molar 2:1 con respecto al gas dealimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2% molar de CS2y 3 % molar de benceno.

a) Calcule la fracción de CS2 que se recupera en elproceso. 

b) Calcule el porcentaje de benceno que se pierde en elproducto en forma de vapor.

F4=?

0.99 X4B

(1% T)

F5=?? X5

B

? X5X

( ?% T)

COLUMNA

COLUMNA

F3=?

? X3B

? X3X

(?% T)

F2=?0.99 X2

X

(1% T)

F1 = 1275 [Kgmol/h]

0.30 X1B

0.45 X1X

Solución:

Diagrama cuantitativo del proceso:

18.En la concentración de HNO3 se sigue el proceso que se indicaen la figura. Sí se desea preparar 1000lb/h de HNO3 al 99 %,confeccione una tabla con los flujos, en lb/h, para cada una delas corrientes del sistema y la composición de las mismas.

19.La etapa final de la fabricación de acido nítrico es unadestilación en la que la concentración de acido pasa del 60% al99% en peso. El objetivo de la presencia de acido sulfúrico es

A

C

B

1000 [lb/h]

KNO399%

KNO32%H2O 98%

KNO360%H2O

Mg(NO3)2

55%KNO3

Mg(NO3)2 72%KNO3 11%H2O

TORRE

A

F1 =?

0.15 X1

CS2

(85% N2)

F2=?

(100% B)

F4 =?

? X4CS2

( ?% B)

F3 =?

0.02 X3CS2

0.95 X3N2

(3% B)

disminuir la presión parcial del agua. Si no se añade sulfúrico oalgún otro agente de acción similar, es imposible sobrepasar, porevaporación, una concentración de nítrico de 68% en peso. Tomandocomo base de cálculo 100 Kg/h de acido nítrico concentrado del99%, calcular:

20. El tren de separación de cuatro unidades que se muestra en lafigura ha sido diseñado para separar 1000 moles/h de unaalimentación de hidrocarburos que contiene 20% de CH4, 25% deC2H6 ,40% de C3H8 y el resto de C4H10 (todos los porcentajes enmoles) en cinco fracciones. Con las composiciones en porcentajesen mol indicadas, calcular los flujos de todas las corrientes enel proceso, suponiendo que la recirculación a la unidad I es 50%de los fondos de la unidad II.

COLUMN

EVAPORADOR

CONDENSADOR

1 HNO3 60%

HNO3 99%

2

4 H2SO4 60%

Vapor acido nítrico

3

5 H2SO493%

Alimentación 1

C1 C23% C3

II

V

C1 C2 O.5%4

2

7 C1 1% C2 C3 10%I

III

8C2 C3 C40.2%

3

C2 C3 C4

C1 20% C2 25% C3 40% C4

IV

10

C3 98% C4

9

C3 C4 30%

11

65

C4

COL UMNA

I

COL UMNA II

B 94.4% T 4.54% X 1.06%B T 94.4% X

B T X 77.6%

B 30% T 55% X 15%

21.El flujo de alimentación a una unidad que consiste en doscolumnas contiene 30% de benceno (B), 55% de tolueno (T) y 15% dexileno (X). Se analiza el vapor de destilado de la primeracolumna y se encuentra que contiene 94,4% de B, 4,54% de T y1,06% de X. Los fondos de la primera columna se alimentan a lasegunda columna. En esta segunda columna, se planea que 92% del Toriginal cargado a la unidad, se recupere en la corriente dedestilado, y que el T constituya el 94,6% de la corriente. Seplanea además que 92,6% del X cargado a la unidad se recupere enlos fondos de esta columna y que el X constituya el 77,6% dedicha corriente. Si se cumplen estas condiciones, calcule:

a) Todas las corrientes que salen de la unidad.b) La recuperación porcentual del benceno en la corriente de

destilado de la primera columna.

22. DETERMINE LOS GRADOS DE LIBERTAD EN CADA UNA DE LAS TORES

Cada día se separan 100.000 Lb de una mezcla de 50% de benceno, 40% de tolueno y 10% de Xileno en una planta de destilación-fraccionamiento.