Ingeniería de Alimentos I

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Ingeniería de Alimentos I Campos Vásquez, Fermín BALANCE DE MATERIA 1. Se está usando un evaporador para concentrar soluciones de azúcar de caña. Se evaporan 10000kg/día de una solución que contiene 38% de en peso de azúcar, obteniéndose una solución con 74% en peso. Calcule el peso de la solución obtenida y la cantidad de agua extraída. EVAPORADOR 10000 = Haciendo el balance de azúcar: 0,38(10000) = 0,74( ) + (0)  + … … … … … . (1)  Reemplazando el valor de B en (1) obtenemos = 5135.14 = 4864,86 ó 2. Algunos pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínas suplementarias en alimentos. En el proceso empleado primero se extrae el aceite para obtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca. Esta pasta se procesa en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto “seco” que contiene 40% en peso de agua. Finalmente, el producto se muele a grano fino y se empaca. Calcule la alimentación de pasta en kg/h necesaria para producir 1000 kg/h de harina “seca”. SECADOR B, agua Ingeniería de Alimentos I = 1000 +  = 1000 … … … … … (1) Hacemos balance de agua: 0,8( ) = 0,4(1000) + …

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Ingeniería de Alimentos I

Campos Vásquez, Fermín

BALANCE DE MATERIA

1. Se está usando un evaporador para concentrar soluciones de azúcar de caña. Seevaporan 10000kg/día de una solución que contiene 38% de en peso de azúcar,obteniéndose una solución con 74% en peso. Calcule el peso de la solución obtenida y lacantidad de agua extraída.

EVAPORADOR

10000 =

Haciendo el balance de azúcar: 0,38(10000) = 0,74( ) + (0) ⇒ 

+

… … … … … . (1) 

Reemplazando el valor de B en (1) obtenemos

= 5135.14

= 4864,86

ó

2. Algunos pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínassuplementarias en alimentos. En el proceso empleado primero se extrae el aceite paraobtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca.Esta pasta se procesa en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto “seco”

que contiene 40% en peso de agua. Finalmente, el producto se muele a grano fino y seempaca. Calcule la alimentación de pasta en kg/h necesaria para producir 1000 kg/h deharina “seca”. 

SECADOR

B, agua

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= 1000 + ⇒ = − 1000 … … … … … (1) Hacemos balance de agua: 0,8( ) = 0,4(1000) + …

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… … … … . (2) Reemplazando (1) en (2) se tiene 0,8( ) = 0,4(1000) + − 1000 ⇒ 

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= 3000

/

3. Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de agua. Después de secarla sedetermina que se ha eliminado el 55% de agua original de la pulpa. Calcule lacomposición de la pulpa “seca” y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa

húmeda.

B, pulpa seca 45%agua

1000kg/min pulpa húmeda 68% agua

SECADOR

C, agua

1000 =

Reemplazando en (1) en (2) 680 = 0,45( ) + 1000 − 

0,68(1000) = 0,45( ) +

+

⇒ 

= 1000 − 

… … . (2) 

… … … . (1) 

La composición de pulpa seca es 45% de agua y 55% de agua

⇒ 581,81

/

4. En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en peso de sólidossolubles se mezcla con azúcar (1,22 kg azúcar/l kg de fruta) y pectina (0,0025 kg

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pectina/1 kg de fruta). La mezcla resultante se evapora en una olla para producir una jaleacon 67% en peso de sólidos solubles. Calcule, para una alimentación de 1000 kilogramosde fruta macerada, los kilogramos de mezcla obtenida, los kilogramos de agua evaporaday los kilogramos de jalea producida.

Mezcla

MEZCLADOR

EVAPORADOR

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Cantidad de azúcar añadida: 1,22 (1000 ) 1

ú

Cantidad de pectina en la fruta: 0,0025 1000 1

Kilogramos de jalea producida: 2222,5 = + … … … … … (1) 1362,5 = (0,67) + (0 ) ⇒ 

Cantidad de sólidos solubles en la mezcla: 140 ú

Mezcla resultante: 1000 + 1220

Cantidad de sólidos solubles en la fruta: 14 ó 1000 100

= 2,5

= 1220

ú

+ 2,5

= 140 + 1220

ó = 2222,5

Reemplazando (2) en (1) se obtiene cantidad de agua evaporada

= 2033,58

+ 2,5

= 1362,5 … … (2) 

= 188,92

5. Una alimentación de 10000 kg de frijol de soya se procesa en una secuencia de tresetapas (El). La alimentación contiene 35% en peso de proteína, 27.1% en peso decarbohidratos, 9.4% en peso de fibras y cenizas, l0.5% en peso de humedad y 18.0% deaceite. En la primera etapa, los frijoles se maceran y se prensan para extraer el aceite,

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obteniéndose corrientes de aceite y de pasta prensada que todavía contiene 6% deaceite. (Suponga que no hay pérdidas de otros constituyentes en la corriente de aceite.)En la segunda etapa, la pasta prensada se trata con hexano para obtener una corrientede pasta de soya extraída que contiene 0.5% en peso de aceite y una corriente de aceite-hexano. Suponga que no sale hexano en el extracto de soya. Finalmente, en la última

etapa se seca el extracto para obtener un producto con 8% en peso de humedad. Calcule:a. Kilogramos de pasta de soya que salen de la primera etapa. b. Kilogramos de pastaextraída obtenidos en la segunda etapa. c. Kilogramos de pasta seca final y porcentaje enpeso de proteína en el producto secoIngeniería de Alimentos I

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 A, aceite E, Pasta seca final (8%humedad)

10000kg frijol de soya

EXTRACTORB, Pasta prensada (6%aceite)

SEPARACIÓN CON HEXANO

D, Pasta prensada (0,5% aceite)

SECADOR

F, agua C, Aceite-hexano

Reemplazando (1) en (2) : 1800 = 10000 − = + 8723,4 = + 

10000 =

a. Kilogramos de pasta de soya que salen de la primera etapa. + = 10000 − …  … … … (1)

+ 0,06 … … … . . (2) … … … . . (3) 

Balance con respecto al aceite: 0,18(10000) =

b. Kilogramos de pasta extraída obtenidos en la segunda etapa. = 8723,40 −  

+ 0,06

= 8723,40

Balance con respecto al aceite: 0,06(8723,40) = Reemplazando (3) en (4) 523,404 =

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8723,40 − + 0,005( ) = + 8241,20 = + 

= 8241,20

+ 0,005( ) … … … . (4) 

c) Kilogramos de pasta seca final y porcentaje en peso de proteína en el producto seco. =8241,20 − 

Balance con respecto al agua:

0,105(10000) = 0,08( ) + 8241,20 − Balance con respecto a la proteína: 0,35(10000) =

(7816,53)

Porcentaje de proteína en el producto seco:

= 7816,53

= 0,4477 = 44,77%

6. Se alimenta continuamente un evaporador con 25ton/h de una solución que contiene10% de NaCl, 10% de NaOH y 80% de H2O en peso. Durante el proceso de evaporación,el agua se elimina por ebullición de la solución, cristalizando el NaCl, el cual se separa dellíquido restante por filtración. El licor concentrado que abandona el evaporador contiene50% de NaOH, 2% de NaCl y 48% de H2O. calcular: a. Las libras de agua evaporada por 

hora b. Las libras de sal precipitadas por hora. c. Las libras de licor concentrado queabandonan el evaporador cada hora.

 A, AGUA

25ton/h 10% NaCl 10% NaOH 80% H2O

EVAPORADOR

FILTRO

B, Licor concentrado 2% NaCl 50% NaOH 48% H2O

C, Cristales de NaCl

a. Libras de agua evaporada por hora: 1000 2,206 25 = 55125 1 1 (55125)(0,10) = (0,5)( )(0,80)(55125) = Balance con respecto al NaOH

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Balance con respecto al agua:

b. Libras de sal precipitadas por hora: 55125 = 38808 + 11025 + = 11025

+ (0,48)(11025) ⇒ 

= 11025

= 38808

Balance total

c.

Libras de licor concentrado que abandonan el evaporador por hora

= 5292

7. Las tuberías por las cuales se transporta materiales en las plantas industriales poseencon frecuencia varios pies de diámetro, volviendo inútiles a los dispositivos para medir flujos tales como rotámetros y medidores de orificio. Una técnica empleada para lamedición de flujos en tales tuberías es el método de la dilución del indicador, en el cual seinyecta una corriente continua de una sustancia fácilmente medible (el trazador) en lacorriente de proceso, como un flujo conocido, midiéndose la concentración del trazador 

corriente abajo respecto del punto de inyección. Cuanto mayor sea el flujo de la corrientede proceso, menor será la concentración del trazador en el punto de medición. Unacorriente de gas natural que contiene 1mol% de CO2 y el resto de CH4, fluye a través deuna tubería. Se inyectan 50kg de CO2 por minuto a la línea, y una muestra obtenidacorriente debajo de este punto contiene 1,7mol% de CO2. Calcular el flujo molar de gasnatural.

 A, gas natural 1mol% CO2 99mol% CH4

Mezcla final 1,7mol% CO2

B, 50kg CO2/min

Base un minuto de operación. 1 − (50 ) 44 

Balance total: + 1,136 = … … … … … . . (1) 

Reemplazando (1) en (2) se obtiene

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 (0,01)( ) + 1,136 = (0,017)( ) … … … . . (2) = 160 − /  

= 1,136

− 

8. Debe diseñarse una columna a fin de separar una mezcla que contiene 50% de hexano(C6H6) y 50% de pentano (C5H12) en peso. La corriente superior de producto debecontener 95% de pentano, mientras que los fondos deben contener 96% de hexano. Lacorriente que abandona el domo de la columna se condensa; una porción de la corrientecondensada se retorna a la columna como reflujo, eliminándose el resto como producto.La relación de reflujo masa de reflujo/ masa de producto destilado vale 0,6. a. Calcular loskilogramos de destilado y de fondos producidos por kilogramo de alimentación. b. Calcular la relación kg alimentados al condensador/kg alimentados a la torre.Ingeniería de Alimentos I

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c. Calcular el flujo másico de cada corriente de producto si el flujo molar de la corriente dealimentación es de 100kg-mol/h.

B, Corriente superior 95% C5H12 A, Alimentación DESTILADOR 50% C6H14 50%C5H12

CONDENSADOR

C, reflujo

D, Destilado 95% C5H12 5% C5H12

E, Fondos, 96% de hexano

Base 1kg de alimentación: a. Kilogramos de destilado y de fondos = + 1= + =1−

Reemplazando (1) en (2) : 0,5 = 0,95( ) + 0,04(1 − ) b. = 0,5055 = 0,6 + ,  

Balance con respecto al C5H12 1(0,5) = 0,95( ) + 0,04( ) … … … … … … . . (2) = 0,4945  

… … … … … … … … . . (1)  

relación kg alimentados al condensador/kg alimentados a la torre. = 0,3033 + 0,5055 =0,8088 0,8088 = 0,8088 1 / − 

=

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 = 0,6 = 0,6(0,5055) = 0,3033

=

c. Reflujo másico de cada corriente. 1 = 86 0,5 + 72

0,5

/

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Si el fuljo molar de la corriente de alimentación es de 100kg-mol/h, entonces el flujomásico es: − = 100 78,38 = 7838 / − 9. En un proceso para concentrar 1000 kg de jugo de

naranja recién obtenido, que contiene 12.5% en peso de sólidos, la maceración produce

800 kg de jugo filtrado y 200 kg de pulpa. El jugo filtrado se concentra en un evaporador alvacío para obtener una concentración del 58% de sólidos. Los 200 kg de pulpa se derivanextrayéndolos antes de entrar al evaporador y se mezclan con el jugo evaporado en unmezclador, para mejorar el sabor. Este jugo concentrado final contiene 42% en peso desólidos. Calcule la concentración de sólidos en el jugo filtrado, los kg de jugo concentradofinal y la concentración de sólidos en la pulpa que se deriva.C, Jugo concentrado (42% sólidos)

= 78,38

/

− 

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 A, jugo evaporado (58% sólidos) 800kg jugo filtrado

MEZCLADOR

EVAPORADOR

1000kg de jugo

MACERADOR(12,5% sólidos) 200kg de pulpa B, agua

X: porcentaje de sólidos en el jugo filtrado Y: porcentaje de sólidos en la pulpa0,125(1000) = (800) + (200) … … … . (1) Balance en el evaporador: 800 = + … … … …

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… . (2) (800) = 0,58( ) + (0) Balance con respecto a los sólidos en el macerador: 

(800) = 0,58( ) … … … … … . (3) 

Balance en el mezclador. + 200 = … … … … … … . (4) 0,58( ) + (200) = (0,4) … … … …

… … … (5) 0,58( ) + Reemplazando (4) en (5):  

Combinando (1) y (3) obtenemos 125 − 0,58( ) = (200), reemplazando en (6) se obtiene el

valor de = 97,62 Reemplazando el valor de A en (3) se tiene la concentración de sólidosen el jugo filtrado = 7,08% Reemplazando el valor de A en (4) obtenemos: = 297,62 =34,2%

(200) = ( + 200)(0,42) … … … … … . . (6) 

Reemplazando el valor de X en (1) se obtiene

10. Para concentrar el jugo de naranja se parte de un extracto que contiene 12,5% desólidos. El jugo fresco se pasa a los evaporadores al vacio y parte de lo evaporado sederiva para luego diluir el jugo concentrado que sale del evaporador con 58% de sólidoshasta una concentración final de 42% se sólidos. Si se tratan 2000kg/h de jugo diluido.¿Cuáles son las composiciones corrientes de ingreso y salida al evaporador y de ladilución?2000kg/h jugo diluido (42% de sólidos)

C, jugo concentrado 58% de sólidos A, extracto (12,5%solidos)

DILUCION

EVAPORADOR

E, agua para dilución

B, agua D, agua perdida

Balance en el evaporador y en la dilución: = +

… … … . (1), 0,125( ) = 0,58( ) … … … (2) , 

=

+

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… … (3) Ingeniería de Alimentos I

2000 =

De (5) se obtiene = 1448,28 obtiene = 551,72 de extracto de jugo.

+

… … … … . (4), 0,42(2000) = 0,58(C) … … … … . . (5) 

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Reemplazando los valores en las demás ecuaciones, se obtienen los valores de 1111, 17, = 551,72 ó , = 559,98 11. El diagrama de flujo de una industria procesadora de toronjases el siguiente.

/ , reemplazando C en (4) se , C en (2) se obtiene = 2559,98 /

=

 A la planta entran 2000kg/h de toronja con un 15% de sólidos y se obtiene un jugo con12% de sólidos y cáscaras con 17,55% de sólidos. El líquido de cáscara contiene 12% desólidos que por evaporación da unas mezclas cítricas de 72ºbrix. La pulpa con 25% desólidos se deshidrata para dar una pulpa cítrica final, la que contiene un 10% dehumedad. Con los datos anteriores complete el balance de materia por cada 2000kg/h

entrantes. A: cáscara, semillas y pulpa B: jugo para envasar C: liquido de cáscara D:melazas E: agua F: pulpa

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G: pulpa seca H: agua de deshidratación Balances: 2000 = A + B B = 2000 − A … … … …

. . (1) = 1081,08

0,15(2000) = 0,1755 + 0,12 … … … . (2) 300 = 0,1755 + 0,12(2000 − ) Reemplazando (1)

en (2) = 918,91 1081,08 = +

á

0,1755(1081,08) = 0,25 + 0,12 … … (4) 189,73 = 0,25(1081,08 − ) + 0,12 = 461,54  

= 1081,08 − 

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 … … . . (3), 

619,54 = + … … … (5), 0,12(619,54) = 0,72 + 0 461,54 = = 516,28 + = 333,33

= 619,54

í

á

… … . (6), 0,25(461,54) = 0,9 

= 103,26

ó

= 125,21

12. Un secador va a ser operado en forma tal que seque 45kg/h de material húmedo quecontiene 30% de agua hasta 15% de agua. Las condiciones que operan son lassiguientes: 800kg/h de aire exterior ingresan a 0ºC y tiene humedad nula. El 50% del airehúmedo que sale del secador es recirculado al ciclo. El aire que sale del humidificador está a 49ºC y tiene una humedad de 0,033kg de agua/kg de aire seco. El aire húmedoque sale del secador tiene humedad igual a 0,038kg de agua/kg se aire seco. Calcular: a.La cantidad de material seco b. La cantidad de aire seco que pasa a través del secador 

ene una hora. c. La humedad del aire que entra en el calentador(kg de agua/kg de aireseco) d. La cantidad de agua absorbida por el aire en el humidificador 

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Ingeniería de Alimentos IVapor Agua

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Material húmedo

 Aire

CALENTADOR

HUMIDIFICADOR

SECADOR

Condensado

 Agua

Material seco

Material húmedo: 45 Material seco: 31,5

/ (13,5 85

a. Cantidad de material seco. 100 (31,5 )

, 15%

, 31,5

)

) = 37,06

b. Cantidad de aire seco que pasa a través del secador ene una hora 1kg de aire secoabsorbe 0,005kg de agua, entonces necesitamos conocer la cantidad de aire seco para

7,94kg de agua (7,94 ) 1 0,005 = 1588

c. Humedad del aire que entra en el calentador(kg de agua/kg de aire seco) La humedaddel aire que entra al calentador es la mitad de la que sale del secador que es igual a 0,019/ . d. Cantidad de agua absorbida por el aire en el humidificador / / = 1594

 Al calentador ingresan 800 / + 794 la vez que salen ingresan y salen los 0,019 El

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humidificador absorbe 0,014 agua que absorben los 1594 1594 0,014 1 / / es:

/ , y

, entonces la cantidad de

= 22,316

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13. En un tanque hay 1500L de una solución salina con una concentración de 10 g de

sal/L. este tanque es alimentado con una solución de 7,5g de sal/L, con un caudal de10l/min, y además por 20L de una solución de 15g de sal/L. debajo del tanque , estedescarga 30L/min. ¿Cuál es la concentración en el tanque después de 60 minutos?.

10L/min 7,5g de sal/L

20L/min 15g de sal/L

1500L 10g de sal/L

30L/min

Balance para la masa (M) total en el tanque: − + − −  

No existe generación ni consumo: 10 + 20 − 30 =  

=0

=

=

Balance para la masa de sal (Msal) en el tanque: = −  

= (10 ( )

= 375

) 7,5

= 375 − 30 

− 30

+ 20 ( ) +

15 = 375 − 30 

− 30

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 ( ) =0

= 375 − 30 

1500

= 375 − 30 

1 (375 − 30 ) 

=

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Integrando:

1 (375 − 30 ) 

=

= 5,62

14. En un quemador se introduce butano con 25% más del aire teórico necesario. Si sequeman 85m3/h de gas butano medidos a 20ºC y 760mmHg. ¿qué cantidad de aire serequerirá a las mismas condiciones? ¿cuál será la composición y el volumen delos gasessalientes si estos están a 800ºC y a 1atm?

85m3/h C4H10 QUEMADOR A mol/h de aire Gases de combustión

2C4H10 +

13O2 (760

4CO2

+ 5 H2O )

Hallamos las moles de C4H10 que se introducen en el quemador: = = ⇒ 101325 )( )(85760 ∗ (8,314 )(293 ) ∗ = 22981,14

3535,56 22981,14

La cantidad de aire necesario a las mismas condiciones será: 100 21 (1,25) = 136792,5

13 2

= 3535,56

C H

Composiciones y volumen de los gases de salida. Oxigeno que ingresa: 136792,5 21 100

Oxigeno que sale:

= 28726,43

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Volumen de oxígeno de salida: = = =

28726,43 − 22981,14 = 5745,29 5745,29 8,314 ∗ ∗ (1073 ) = 505,83

Nitrógeno que entra es igual al que sale: 79 136792,5 = 108066,075 100 Volumen denitrógeno: = = 108066,075 8,314 ∗ ∗ 

101325

 Anhídrido carbónico que sale: 4 3535,56 2 = = 7071,12

101325

(1073 )

Volumen de Anhídrido carbónico:

101325

8,314

= 7071,12 ∗ ∗ 

= 9514,42

(1073 )

= 621,39

15. Se instala un horno para quemar coque a la velocidad de 90,9kg/h. el coque tiene lasiguiente composición: Carbono ----------- 89,1% Cenizas ------------10,9% La eficiencia dela parrilla del horno es tal que se quema el 90% del carbono presente en la carga decoque. Se suministra aire en exceso del 30% del necesario para la combustión completa

de todo el carbono de la carga. Si se supone que el 65% del carbono se oxida a dióxido,formando monóxido el restante. Calcular la composición en peso de CO y CO2 que salenformando parte del gas de chimenea.

90,9kg/h de coqueQUEMADOR A kg/h de aire Gases de combustión

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Hallamos los kg de carbono en 90,9kg/h de coque: 89 90,9 = 80,99 100 (0,9) 80,99 (0,1)

80,99 = 72,89 = 8,099

Hallamos los kg de carbono que se consume en las reacciones:

Kilogramos de de carbono no consumido:

(0,95) 72,89

Kilogramos de carbono para producir CO2

Kilogramos de carbono para producir CO

(0,05) 79,89

= 69,25

La primera reacción química es: C + O2

= 3,6445

CO2 0,044 1 = 253,91 = 184,67

Kilogramos por hora de O2 consumido: 1 1 69,25 0,012 1 La segunda reacción es: 2C +O2 2CO

Kilogramos por hora de CO2 producido 1 1 69,25 0,012 1

0,032 1

Kilogramos por hora de CO producido 1 2 3,6445 0,012 2 Kilogramos por hora de O2consumido:

0,028 1

= 4,252

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Kilogramos totales de O2 consumido: 184,67 + 4,859 = 189,529 Kilogramos de airenecesario para las reacciones: 100 189,52 = 902,519 21 Kilogramos de aire por hora conexceso: 902,519 (1,3) = 1173,275

3,6445

1 0,012

1 2

0,032 1

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= 4,859

/

Kilogramos de O2 que ingresan: 21 1173,275 100 Kilogramos de N2 que ingresan: 791173,275 100

= 246,38 = 926,89 /

Cantidad de los gases de salida: O2: 246,38 − 189,529 = 57,13 C: 8,099 / CO2: 253,91 /

CO: 4,252 / N2: 926,89 / Composición en peso de CO2:

253,91 (100) = 20,30% 57,13 + 8,099 + 253,91 + 4,252 + 926,89

Composición de CO:

4,252 (100) = 0,34% 57,13 + 8,099 + 253,91 + 4,252 + 926,89

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16. La bacteria Acetobacter aceti convierte el etanol en ácido acético en condiciones

aerobias. Se supone un proceso de fermentación en continuo para la producción devinagre utilizando células no viables de Acetobacter aceti inmovilizada sobre la superficiede portadores de gelatina. La producción de ácido acético es 2kg/h aunque laconcentración máxima de ácido acético tolerada por la celular es del 12%. Se bombeaaire al fermentador a una velocidad de 200moles/h. teniendo en cuenta que no existenfugas, el aire de entrada es seco, el porcentaje de volumen de gas es igual al porcentajeen moles, no se produce evaporación del etanol, agua o ácido acético, la conversión deletanol es completa, el etanol se utiliza solamente para la producción de ácido acético por parte de las células, la concentración de ácido acético en la corriente producto es del12%. Determinar: a. Qué cantidad de mínima de etanol se necesita. b. Qué mínimacantidad de agua debe utilizarse para diluir el etanol con el fin de evitar la inhibición del

ácido c. Cuál es la composición del gas de salida del fermentador.

Gas de fermentación

C2H5OH FERMENTADOR

 Aire (200mol/h)

C2H5OH + O2

CH3COOH + H2O / ) = 0,24 1 1 / ,

Producción de ácido acético: 0,12(2 1,76 / = 0,184 0,24 / 1 0,06

a. Cantidad mínima de C2H5OH.

el agua en la solución es 0,046 1 0,018 1

b. Cantidad necesaria de H2O 1 0,24 0,06 = 0,072 /

La cantidad mínima de agua es: 1,76

/ − 0,072 

1

1

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/

= 1,688

/

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c. Composición del gas de salida. Cantidad de oxígeno consumido 0,24 1 0,06 1 1 0,016

1

= 0,064 200

/

Cantidad de oxígeno que ingresa:

⇒ 42

21 100

Cantidad de nitrógeno que entra es igual al que sale: 200 79 100 = 158

Cantidad de oxígeno que sale: 1,344

0,032 1

= 42

= 1,344

/ − 0,064 

/

= 1,28

/

⇒ 158

25 1

= 3950

17. Para fabricar 6000 pies3 de acetileno (CHCH) gaseoso a 70 ºF y 750 mm de Hg, seusa carburo de calcio (CaC2), que contiene 97% en peso de CaC2 y 3% en peso desólidos inertes y agua. La reacción es: CaC2 + 2H2O CHCH + Ca(OH)2

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 La lechada final de cal contiene agua, sólidos inertes y Ca(OH)2. En este producto, elporcentaje total en peso de sólidos constituidos por inertes y Ca es 20%. ¿Cuántas librasde agua deben añadirse y cuántas libras de lechada final se obtienen? Hallamos losmoles de CaC : = = = (750 )(6000 )

998,9

∗ 

∗ 

(294,11 )

= 15,32

CHCH

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⇒ (15,32

CaC2 + 2H2O

Cantidad de CaC impuro: 100 (980,48 CaC ) (1010,80 (15,32 1164 CaC

CHCH)

Cantidad de sólidos inertes:

CaC 97 CaC ) 100 3

1 1

CaC CHCH

CHCH + Ca(OH)2 64 1 CaC CaC

= 980,48 CaC

CaC

= 1010,80 CaC

Cantidad de Ca(OH)

= 30,32

CHCH) 20% 100%

Cantidad de lechada de cal total

1 1

Ca(OH) CHCH

74 1

Ca(OH) Ca(OH)

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= 1133,68

Ca(OH)

Cantidad de agua en la lechada: 5820 − 1164 = 4656 Cantidad de agua que consume la

reacción: 2 H O 18 (15,32 CHCH) 1 CHCH 1 Agua que se añade: 4656 + 551,52 =5207,52

= 5820

H O = 551,52 H O

H O

18. El benceno reacciona con el cloro para formar el clorobenceno y ácido clorhídrico enun reactor intermitente: 120 kg de benceno y 20% de exceso de cloro se encuentran

presentes inicialmente, quedando 30kg de benceno una vez terminada la reacción. a.¿Cuántos kilogramos de cloro se encuentran presentes inicialmente. b. ¿Cuál es laconversión fraccionaria de benceno? c. ¿Cuál es la composición molar del producto?Reacción química: C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

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a. Kilogramos de cloro presentes inicialmente. 1 − (120 ) = 1,54 − 78 1 − 71 (1,54 − ) 1 − 1

− Cl2 inicial: (109,34)(1,20) = 131,21 b. Conversión fraccionaria de benceno: 120 − 30 78= = = 0,75 30 78 1 − 78 1 − ) 71  ) 1 1 − − − 

= 109,34

c. Composición molar del producto: 1 − (30 ) = 0,385 78 (90 (131,21 (1,154 (1,154 )  

Kg-moles de Cl2 no consumido: 1,184 − 1,154 = 0,694 − − − 1 − 1 − ) 1 − 1 = 1,154 =

1,154 − 

= 1,848

− 

= 1,154 − 

− 

− 

Los flujos de salida son: : 0,385 − : 0,694 − : 1,154 − : 1,254 − En total: 3,387 − 

19. Se produce metanol (CH3OH) haciendo reaccionar monóxido de carbono (CO2) conhidrógeno (H2). Una porción del metanol que abandona el reactor se condensa,recirculándose al reactor monóxido de carbono e hidrógeno sin consumir así como elmetanol sin condensar. La corriente de salida del reactor fluye con un flujo de 275moles/min, y contiene 10,6% en peso de H2, 64% en peso CO2 y 25,4% en peso de CH3OH. Lafracción de metanol en la corriente de recirculación es de 0,004. Calcular los flujosmolares

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de monóxido de carbono y de hidrógeno en la alimentación fresca, y la velocidad de

producción de metanol.

B, Recirculación, Y CH3OH=0,004 A, Alimentación fresca CO, H2 D, Producto CH3OH

REACTOR

CONDENSADOR

C, Efluente ácido 275moles/min 10,6% H2, 64%CO, 25,4% CH3OH

Xi componente H2 CO CH3OH TOTAL 0,106 0,640 0,254 1

Wi=Xi(100) 10,6 64 25,4 100

Mi 2 28 32 62

ni=Wi/Mi 5,3 2,286 0,794 8,380

Yi=nt 0,632 0,273 0,095 1

Reacción química: CO + 2H2 Balance en el condensador:

Reemplazando (1) en (2) : 26,125 = 0,004( ) + 275 − = 25,13 / O también: = = 25,13 =

804,16 /

Balance con respecto al CH3OH: 0,095(275) = 0,004( ) + = 249,87 /

=

+

= 275 − 

CH3OH

… … … … … … (1) , 

… … … … … … … … . . (2)  

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1

32

= 804,16

/

componente Yi CO H2 TOTAL

Mi Wi=Xi(100) ni=Wi/Mi 9,24 1,34 10,58 0,873 0,127 1

0,33 29 0,67 2 1

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(0,873) 804,16 Flujos molares: (0,127) 804,16

1 28 1 2

= 25,07 = 51,06

/

/

20. Se convierte benceno (C6H6) a ciclohexano (C6H12) por acción directa del H2. Laplanta produce 100 lbmol /h de ciclohexano.

E, Fresco H2 D, H2 recirculado F, mezcla A, Puro C6H6 REACTOR B, 80%H2 20% C6H6C, Producto 3% de H2 CONDENSADOR

Noventa y nueve por ciento de benceno alimentado al proceso reacciona para producir ciclohexano. La composición de la corriente de entrada al reactor es de 80mol% de H2 y20% de C6H6, y la corriente de producto contiene 3mol% de H2. Calcular. a. Lacomposición de la corriente del producto. b. Los flujos de alimentación de C6H6 y de H2.c. La relación de recirculación de H2. Reacción química: C6H6 + 3 H2 C6H12

a. Composición de la corriente del producto: H2 consumido: (100 ) 1 3 = 300

C6H6 consumido: 100

1 1

= 100

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Cálculo de la corriente de alimentación pura: 0,99( ) = 100

Cálculo de la composición de la corriente mezclada: 101,01 = 0,2( ) Balance con respectoal C6H6 : = 505,5

= 101,01

Composición de la corriente mezclada: : 0,2(505,5) = 101,01 : 100

: 0,8(505,05) = 404,04

Composición de la corriente a la salida del reactor: : 404,04 − 300 = 104,04 : 101,01 − 100

= 1,01

Moles totales: 205,05

Composición de la corriente de producto : 0,03 : : 0,97 −  

/

/

Balance en el condensador: Balance con respecto al C6H6: 1,01 = (0,97 − ) … … … … …. (1 Balance con respecto al C6H12: 100 = = 100/ … … … … … … … (2) Reemplazando

(2) en (1): 100 1,01 = 0,97 − = 104,134 / 

La composición del producto es: : 100 / : 0,03(104,134) = 3,124 : 1,01 /

a. Flujo de alimentación de C6H6: 101,01

/

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Flujo de alimentación de H2: = + 505,05 = 101,01 +

Cálculo de la corriente de recirculación: = − = 104,04 − 3,124 = 100,09 H2 alimentado

fresco: = − = 404,04 − 100,9 = 303,14 b. Relación de recirculación: = 100,9  

= 404,04 /

/

/

/

21. Se clora etano en un reactor continuo: C2H6 + Cl2 C2H5Cl + HCl

 Aun cuando se proporciona exceso de etano, parte del cloroetano producido se vuelve aclora: C2H5Cl + Cl2 C2H4Cl2 + HCl

Se consume todo el cloro, la conversión del etano es de 13% mientras que la selectividaddel monocloroetano deseado es de 93:7. Calcular el número de moles de todas lasespecies presentes en las corrientes de salida por cada 100moles de monocloroetanoproducidas. Base 100moles de C2H5Cl Etano consumido: (100 (100 ) 1 1 13 = 100 =

769,2

Etano alimentado: )

100

100

=

=

=

93 7

Cloroetano consumido:

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93 7

=

100(7) = 7,53 93

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(7,53

Cloroetano antes de clorar: 100 + 7,53 = 107,53 HCl producido: 1 (107,53 ) = 107,53 1 1

(7,53 ) = 7,53 1 Moles totales: 107,53 + 7,53 = 115,06 Salida de HCl: 115,06 100 7,53 100= 1,15

)

1 1

Campos Vásquez, Fermín

= 7,53

Salida de C2H4Cl2:

= 0,0753 ºº