Guia de problemas nº 1



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GUIA DE PROBLEMAS Nº 1
COMBUSTIÓN
1.- Un gas natural con la siguiente composición en volumen: 92 % metano, 6,5 % etano, y 1,5 % propano, se quema con un 40 % en exceso de aire. Determinar la composición de los gases de combustión (base seca).

Rta = 6,47 % O2 85,26 % N2 8,27 % CO2


2.- Una mezcla de metano y etano se quema con aire rico en oxígeno (50 % O2, 50 % N2). El análisis de los gases secos es : 25 % CO2, 60 % N2 , 15 % O2. Determinar:

a) Composición del combustible

b) Moles de aire empleado por mol de combustible

Rta. = a) 66,6 % etano, 33,4 % metano

b) 8 moles
3.-Se quema un combustible con exceso de aire obteniéndose la siguiente composición de gases: 5 % CO2, 3,5 % CO, 11,4 % H2O, 7 % O2 y 73,1 % N2. Determinar % de aire en exceso y la conversión de C en CO2.

Rta. = 36,8% de exceso, conversión: 59 %


4.- Un gas natural con la siguiente composición en volumen: 78,8 % metano, 14 % etano, 0,4 % CO2, 6,8 % N2, se quema con un 40 % de exceso de aire. El 74 % de los hidrocarburos se convierte en CO2 y el 26 % en CO. Determinar la composición de los gases de combustión.

Rta. = 5,3 % CO2, 1,9 % CO, 13,3 % H2O, 6,4 % O2, 73,1 % N2


5.- Pentano puro se quema con exceso de aire, obteniéndose a la salida del horno un gas con la siguiente composición, en base seca: 4,49 % CO2, 14,38 % O2, 81,13 % N2. Determinar el % de aire en exceso.

Rta. = 200 %


6.- Dada la siguiente composición de gases secos: 6,20 % CO2, 9,91 % O2, 83,89 % N2, determinar la fórmula mínima del combustible y el % de exceso de aire empleado.

Rta. = CH4, exceso 80 %


7.- Dada la siguiente composición de gases secos: 10,20 % CO2, 1,40 %CO, 2,90 % O2, 85,50 % N2, determinar la fórmula mínima del combustible, el % de conversión de C a CO2 y el % de exceso de aire empleado.

Rta. = CH3, conversión 87,93 %, exceso 10,72 %


8.- Determinar la composición de los gases de salida, en base seca, si se quema un combustible con la siguiente composición: 80 % metano, 15 % etano, 3 % propano y 2 % butano, con un 50 % de exceso de aire, siendo la conversión de C a CO2 del 80 %.

Rta. = 6,28 % CO2, 1,57 % CO, 8,22 % O2, 83,92 % N2


9.- Un gas con la siguiente composición: 70 % metano, 5 % propano, 15 % O2 y 10 % N2, se quema en un horno, conteniendo los gases de salida 7,73 % de CO2, 79,92%de O2 y N2 y el resto desconocido. ¿Qué % de aire en exceso se usó? Rta. = 42,63 %

BALANCE DE MASA SIN REACCIÓN QUÍMICA


10.- Si se licúa el aire y se destila a bajas temperaturas se obtiene oxígeno puro. En la figura se ven las dos columnas de destilación utilizadas. Calcular:

a) el % de oxígeno de la alimentación F que se recupera en la corriente O

b) los kmol/h de A si la corriente O es de 100 kmol/h

Composición de las corrientes: F = 79 % N2, 21 % O2; A = 60 % N2, 40 % O2 ; B = 99 % N2, 1 % O2; O = 0,5 % N2, 99,5 % O2; N = 99 % N2, 1 % O2



N: 99 % N2

1 % O2


B: 99 % N2

1 % O2 O: 0,5 % N2

99,5 % O2

A: 60 % N2 , 40 % O2

F: 79% N2

21 % O2

Rta. = a) 96,2 %; b) A = 252,56 kmol/h


11.- Para el sistema de recuperación de acetona que se muestra en el diagrama, determinar el flujo másico de cada corriente y la composición de G.

Datos: F = 1,5 % molar de acetona en aire; H = 1200 lb/h de agua; D = 1000 lb/h, 99 % acetona, 1 % agua; A = aire; W = 5 % acetona, 95% agua

Los % de las corrientes en estado líquido están en masa.

H

F G

Rta. = A = 35579,67 lb/h, F = 36642,3 lb/h, W = 1252,53 lb/h, G = 2262,63 lb/h , 53 % agua, 47 % acetona


12.- Determinar el valor de todas las corrientes y la composición de B.

Datos: A = 1000 ton/día solución 30 % de carbonato de sodio; W = agua; C = solución 60 %; D = solución 85 %; Z = solución 99 %; Y = agua; R = solución saturada que contiene 0,8 toneladas de sal por tonelada de agua


W (agua) B A

C: soln. de R: soln. sat.

Na2CO3 60 % 0, 8 t sal/ t agua


D: Na2CO3 85 %
Y (agua)

Z: Na2CO3 99 %

Rta. = Caudales en ton/día: R = 565,6; C = 918,56; Z = 303,08; D = 352,94; Y = 49,91; W = 647,06; B = 1565, 35 % sal
13.-Dos columnas de destilación, dispuestas como indica la figura, se emplean para fraccionar benceno, tolueno y xileno, a partir de una mezcla de los mismos. Determinar:

a) % de recuperación de cada uno de los solventes fraccionados

b) composición de F2

Datos: (composiciones en fracción molar) F1: x = 0,25 t = 0,35 b = 0,40; D1: b = 0,99 t = 0,01; D2: x = 0,01 t = 0,96 b = 0,03; P: x = 0,905 t = 0,095


D1 D2

F1

F2

P


Rta. = a) x = 98,67 %, t = 91,47 %, b = 97,50 %; b) x = 0,412, t = 0,571, b = 0,017

14.- Según el siguiente esquema, qué fracción de P1 (gasolina exenta de butano) pasa a través de la columna donde se elimina el isopentano?

Datos: P1 = 80 % n-p, 20 % iso-p; P2 = n-p; D2 = iso-p; P3 = 90 % n-p, 10 % iso-p

D1 (butano) D2 (isopentano)



F1


F2
P3: 90 %n-p

P1 : 80 % n-p 10 % iso-p

20 % iso-p

P2 (n-p)


Rta. = F2/P1 = 0,56


15.- Según el siguiente esquema, correspondiente a la recuperación de amoníaco, determine las corrientes A y B, y su composición, sabiendo que la fracción en masa del amoníaco de A es el doble de la fracción en B, que A no contiene solvente S y que B solo contiene S y amoníaco (% en masa)

Datos: F = 1000 kg/h 10 % NH3, 10 % N2, 80 % H2; S = 1000 kg/h, 100 % solvente



A S


B

F
Rta: A: 966,67kg ; 93,10% de N2 + H2; 6,9% de NH3


B: 1033,33kg; 96,77% solvente; 3,23% de NH3

16.- Un material que contiene 75 % de agua y 25 % de sólidos se alimenta a un granulador a razón de 4000 kg/h. La alimentación se mezcla en el granulador con producto reciclado de un secador ubicado a continuación. A la salida del granulador la concentración de agua es del 50 % y a la salida del secador del 16,7 %. Por el secador circula aire que ingresa con un 3 % de agua y sale con un 6 %. Determinar: a) caudal de reciclo; b) caudal de aire seco que circula por el secador.

Rta = a) 3003 kg/h, b) 85126 kg/h

BALANCE DE MASA CON REACCIÓN QUÍMICA


17.- El fósforo blanco se obtiene a partir del tratamiento de fosfato tricálcico con arena y coque a 1500ºC, según la siguiente reacción:
2 Ca3(PO4)2 + 6 SiO2 + 10 C → P4 (g)+ 6 CaSiO3 + 10 CO
Los gases se desprender por la parte superior del reactor y la escoria (CaSiO3) fundida se drena. Los sólidos que no han reaccionado se reciclan, una vez efectuada la purga correspondiente. Si el reactor se carga con 1 tonelada por hora de fosfato, la cantidad estequeométrica de arena y un 50 % de exceso de coque, determinar, considerando un rendimiento de reacción del 80 % (en masa), la producción de fósforo blanco por hora y la composición del reciclo antes de efectuarse la purga.

Rta. = 160 kg de P4; R = 25,73 % SiO2, 29,97 % C, 44,30 %Ca3(PO4)2


18.- La plata metálica puede obtenerse a partir de tratar sulfato de Ag con Cu. El proceso consiste en el tratamiento en un reactor y una separación posterior. El reactor se alimenta de una mezcla de Cu, sulfato fresco y sulfato reciclado. Del separador salen tres corrientes: el producto, de composición 90 % Ag y 10 % Cu, el reciclo, que sólo contiene sulfato de Ag, y una corriente de sulfato de Cu. La reacción es la siguiente:
Ag2SO4 + Cu → CuSO4 + 2 Ag
Sabiendo que el rendimiento en el reactor es del 75 % (en masa, calculado para el reactivo limitante) determinar, para 1000 kg/h de producto, el exceso de Cu utilizado y el caudal de la corriente de reciclo.

Rta. = exceso 37,8 %, R = 433,33 kg/h


19.- En una reacción compleja, un reactivo X se transforma en un producto Z y otros secundarios sin valor comercial. Se sabe que 2 moles de X dan 2,5 moles de Z. Según el esquema y dada la siguiente información:

F: caudal = 4100 kmoles/h; composición molar = 40 % X, 60 % sustancias inertes

R: composición molar = 20 % X, 80 % productos secundarios

Conversión por paso en el reactor = 73 % (moles)

Conversión global del proceso = 90 % (moles)

Determinar la relación entre los moles de Z en P y el caudal de R.

Rta: 0,966

20.- El metanol se produce por la reacción del CO con hidrógeno:


CO + H2 → CH3OH

Debido a que solo el 15 % del CO que entra al reactor se convierte en metanol es necesario el reciclo de los gases no convertidos. El proceso consiste en un reactor, un condensador y un separador, del que salen dos corrientes: metanol puro y los gases que se reciclan y se mezclan a la alimentación fresca antes de ingresar al reactor. Con los siguientes datos:

Alimentación fresca = 66,67 % H2, 33,33 % CO, 300 atm, 100ºF

Reciclo = 66,67 % H2, 33,33 % CO, 300 atm, 100ºF

Producto = 1000 l/h de metanol a 100ºF, densidad 0,792 kg/l

NOTA : los porcentajes son en moles.

Determinar: a) volumen de alimentación fresca, b) volumen de gases reciclados

Rta. = a) 6,305 m3 b) 35,7 m3


21.- Se queman por hora 200 ton de ZnS (70% de pureza). El SO2 se emplea, previa oxidación, para producir H2SO4. Si el 99 % del sulfuro puro se convierte en ácido, determinar las toneladas de ácido al 98 % obtenidas por día y el agua requerida.

Rta. = 3416,25 t de ácido, 689,50 t de agua


PARA RESOLVER APLICANDO GRADO DE AVANCE
22.- Se obtiene óxido de etileno ingresando al reactor 100 kmol de eteno y 100 kmol de oxígeno, según la siguiente reacción:
C2H4 + O2 → C2H4O
a) Determinar el % de exceso del reactivo que corresponda

b) Si la reacción se lleva a cabo completamente, qué cantidad de reactivo en exceso quedará, cuánto óxido se formará, cuál es el grado de avance de la reacción?

c) Si la reacción se lleva a cabo hasta una conversión fraccionaria del reactivo limitante del 50 %, ¿qué cantidad de reactivos y producto estarán presentes al final y cuál es el grado de avance de la reacción?

d) Si la reacción se lleva a cabo hasta que quedan 60 kmol de oxígeno, determinar la conversión fraccionaria del eteno, del oxígeno y el grado de avance de la reacción.

Rta. = a) 100% b) ξ = 50 c) ξ = 25; estado final: 50 kmol eteno, 75 kmol O2,

50 kmol C2H4O d) f C2H4 = 80 % f O2 = 40 % ξ = 40


23- En la producción de acrilo nitrilo la alimentación contiene en moles 10 % de propileno, 12 % de amoníaco y 78 % de aire. Se alcanza una conversión fraccionaria del 30 % del reactivo limitante. Determinar:

a) Reactivo limitante

b) Estado final del sistema

c) % en que los otros están en exceso

Rta. = a) propileno b) C3H6 = 7 mol O2 = 11,88 mol NH3 = 9 mol H2O = 9 mol C3H3N = 3 mol c) exc O2 = 9,2 % exc NH3 = 20 %

ESTADO NO ESTACIONARIO EN TANQUE IDEALMENTE AGITADO


24.- Un tanque contiene una solución salina al 5 %. Se debe elevar su concentración y para ello se agrega solución al 10 % con un caudal de 6 kg/h. Si en el tanque había inicialmente 200 kg, determinar la composición de la solución luego de 3 horas. El caudal de entrada es igual al de salida. Grafique c = f (t).

Rta. = 5,40 %


25.- La concentración de ácido contenido en un tanque de 150 ft3 se desea reducir desde 21 % hasta 1 % en masa haciendo pasar a través del tanque 3 ft3/min. de agua de lavado que contiene 0,2 % de ácido. Las densidades de todas las corrientes son constantes e iguales y el caudal de entrada es igual al de salida. Cuánto tiempo será necesario? Grafique c = f (t).

Rta. = 162 min.

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