DISEO Y EVALUACIN DE PROCESOSPROBLEMAS SOBRE BALANCES EN PROCESOSLuis Felipe Miranda Z.

PROBLEMA 1En un sistema de extraccin por solventes de tres etapas especifique para cada etapa: a) el balance globalb) el balance por solutoc) la relacin de equilibrioSi este sistema tiene adems un intercambiador de calor para precalentar el solvente hasta 90C, mediante vapor que cede su calor latente una temperatura de 110 C, (d) formule las ecuaciones correspondientes para este equipo.

PROBLEMA 2Un proceso de extraccin slido-lquido mediante un solvente muy selectivo consta de 4 etapas.a) Plantee un balance global de materiales para el sistemab) Plantee un balance para el soluto en cada una de las etapasc) La relacin de equilibrio de fases se representa por K=y/x, siendo y la fraccin de soluto disuelto en el solvente y x la fraccin del mismo en el slido. Reformule los balances de la pregunta (b) en trminos slo de x. d) Establezca los balances de energa para cada una de las etapas, suponiendo que no hay evaporacin y que A, B y C representan las capacidades calorficas del soluto, solvente y slido, respectivamente. Asuma que la temperatura en las cuatro etapas de extraccin es la misma.e) Indique con qu criterios determinara el volumen de los tanques de extraccin. PROBLEMA 3Un vaporizador se alimenta con una mezcla lquida de hexano (70 %) y aceite de girasol (30%) a un flujo msico de 10000 kg/h. Del vaporizador se obtendr una corriente en fase vapor de flujo V y composiciones y1 para el hexano (95 %) y y2 para el aceite (5 %). Tambin se extraer una corriente en fase lquida de flujo L y composiciones x1 (hexano) y x2(aceite). Si se sabe que el equilibrio de fases se puede correlacionar por la ecuacin K=y1/x1. Considerando que el equipo opera en estado estacionario, formule:a) Un balance de masa global tomando en cuenta las corrientes de alimentacin, lquida y vapor de salida.b) Un balance para el hexano en el vaporizadorc) Un balance para el aceite en el dispositivod) Un balance calrico, en funcin de las entalpas de cada una de las corrientes.

PROBLEMA 4Para el proceso de obtencin de aceite esencial de eucalipto, presente lo siguiente:a) El diagrama de flujo del procesob) El diagrama de los equipos empleados en el procesoc) El balance de materiales del procesod) El balance de energa del procesoe) Indique en qu partes del proceso se puede aplicar el balance de energa mecnica y cules son las restricciones correspondientes.

PROBLEMA 5La reaccin gaseosa irreversible 2 A + B C + D, es de primer orden respecto a A y primer orden respecto a B. La reaccin se lleva a cabo isotrmicamente a 727 C y 20 atm. La alimentacin consiste de 41 % de A, 41 % de B y 18 % de D. La constante de velocidad de reaccin es de 0,01 l/gmol/s.Calcular:a) La concentracin inicial del componente A.b) Los flujos molares para todos los componentes en funcin de la conversinc) Las concentraciones para todos los componentes en funcin de X.d) El volumen de un reactor de mezcla completa para alcanzar una conversin del 75 %, para un flujo de alimentacin de 50 l/min.e) El tiempo necesario para alcanzar una conversin del 75 % en un reactor discontinuo de volumen constante de 50 litros.

PROBLEMA 6A un reactor ingresa una mezcla equimolar del reactante A con un solvente inerte I. La reaccin qumica tiene la forma A 2 B. La cintica de reaccin es rA = k CA1/2. La constante de velocidad de reaccin es de 10 (mol/l)1/2 h-1. El flujo molar del producto es 20000 mol/h. La densidad molar del reactante A es 70 mol/l y la del solvente I es 50 mol/l. La conversin deseada es del 70 %.Calcular:a) El flujo molar inicial de A.b) El flujo volumtrico total inicialc) La concentracin inicial de Ad) El volumen del reactor.e) Si el reactante A no reaccionado es separado en una columna de destilacin y recirculado puro al reactor para mezclarse con la corriente de alimentacin. Cul ser el volumen del reactor?

PROBLEMA 7La velocidad de esterificacin del cido actico y alcohol etlico se puede aumentar con el HCl como catalizador homogneo. A 100 C la velocidad de reaccin directa es:r1 = k1 CH COH moles/l.mink1 = 4,76 .10-4 l/gmol.miny la velocidad de reaccin inversa es:r2 = k2 CE CW gmol/l.mink2 = 1,63 .10-4 l/gmol.mindonde: CH = concentracin de cido acticoCOH= concentracin del alcoholCE= concentracin del sterCW= concentracin del aguaUna mezcla inicial consta de masas iguales de 90 % en peso de solucin acuosa de cido y 95 % en peso de solucin de etanol. a) Determine la expresin cintica en funcin de la conversinb) Calcule la conversin del equilibrioc) Determine el tiempo necesario para que un reactor Batch alcance el 80 % de la conversin del equilibrio en un reactor de 1 m3 para una alimentacin de 50 kmoles de cido e igual cantidad de alcohol.

PROBLEMA 8Para concentrar una disolucin de cloruro de sodio se bombea desde un depsito almacn hasta un evaporador, a travs de una tubera lisa de cobre de 3 cm de dimetro interno, a razn de 150 m3/da. A la temperatura de bombeo la disolucin tiene una densidad de 1150 kg/m3 y su viscosidad es de 2,3 centi Poises. Calcular:a) El nmero de Reynoldsb) El factor de friccinc) Las prdidas por friccind) La energa potenciale) la energa cinticaf) La potencia de la bomba si tiene una eficiencia del 55 %.

PROBLEMA 9El agua de alimentacin a un caldero que produce vapor saturado a 150 C se bombea desde un tanque de succin que se encuentra en un nivel a 2m por debajo del caldero. El flujo de agua es de 10 m3/h y circula por un precalentador donde su temperatura inicial de 15 C se eleva hasta 65 C. El dimetro del sistema de tuberas es de una pulgada, incluyendo la tubera del precalentador. La longitud equivalente del circuito es de 150 m.a. Determine el trabajo elctrico de la bomba, sabiendo que la eficiencia es de 60 %. Detalle todos los pasos en dicho clculob. Calcule el calor transferido en el precalentadorc. Determine el coeficiente de pelcula en el precalentador.

PROBLEMA 10Un intercambiador de calor de tubos concntricos se emplea para calentar benceno desde 20 C hasta 35 C. Por el tubo interior, cuyo dimetro nominal es de 2 pulgadas, circula el benceno con caudal de 1000 kg/h y por el espacio anular circula agua que entra en el sistema a 90C. Calcular la cantidad de agua que entra en el sistema para el funcionamiento en contracorriente y para el funcionamiento en corrientes paralelas. El valor del coeficiente global de transferencia de calor es aproximadamente igual a 174 W/m2.K . Las propiedades del benceno se estiman como 0,6 cPoises y 800 kg/m3.

PROBLEMA 11Se dispone de un intercambiador de calor experimental de un rea de 4. La temperatura de ingreso y salida del fluido caliente es de 250 y 130, respectivamente. La Temperatura de entrada del fluido fro es de 40. El flujo del fluido caliente es de 40 y su Cp es de 5; en cambio el fluido fro tiene un flujo de 50 y su Cp es de 15. Con los resultados del trabajo experimental se desea disear un intercambiador de calor comercial que tiene una temperatura de ingreso del fluido caliente de 300 y su temperatura de salida es de 120. El calor especfico es de 5 y su flujo es de 400. La corriente fra ingresa a la temperatura de 40, con capacidad calorfica de 15 y flujo de 600. Calcule: a) El coeficiente global de transferencia de calorb) El rea del intercambiador de calor comercial

PROBLEMA 12Un proceso para la produccin de fibra de acetato de celulosa genera una corriente de desecho conteniendo principalmente aire pero con una pequea cantidad de vapor de acetona. El flujo de aire es de 300 kmoles/h y el de acetona es de 4,5 kmoles/h. Se propone recuperar acetona de la corriente de aire, por absorcin en agua, seguido de destilacin para separar la mezcla acetona/agua. El absorbedor requiere un flujo de agua 2,8 veces mayor que el de acetona.a) Asumiendo un costo de acetona de 34,8 $/kmol, agua de proceso de 0,004 $/kmol y el proceso opera por 8000 horas anuales. Calcular el valor neto de productos asumiendo recuperacin completa de la acetona. b) Si tanto el absorbedor como la columna de destilacin operan con una recuperacin de 99 % de acetona y si el producto del tope de la columna de destilacin debe tener una pureza del 99 %: (b.1) represente el diagrama de flujo del sistema; (b.2) calcule los flujos de la acetona y el agua de entrada y salida de la columna de destilacin.

PROBLEMA 13El etileno puede ser producido por craqueo trmico del etano, conforme a las reacciones:C2H6 C2H4+H2C2H6 C2H4 + CH4Las reacciones tienen lugar a 1500F y 50 psia. Se desea producir 875 mol/h de etileno con 75 % de pureza. Asumir que la selectividad est dada por:

La alimentacin de etano contiene 5% molar de metano y cuesta $1,65/mol. El etileno a 95% vale $6,15/mol. El combustible cuesta $4,00/106 BTU. Establezca:a) El diagrama de entrada/salida del procesob) El diagrama de entrada/salida con reciclosc) El diagrama con principales unidadesd) La tabla estequiomtrica indicando los flujos finales de cada componente en trminos de la conversin y la selectividade) La concentracin de todos los componentes en trminos de X y S.f) El valor neto de productos. El poder calorfico del hidrgeno es 113807 BTU/kg y para el metano es de 47443 BTU/kg.g) Indique si el presente proyecto es econmicamente viable.

PROBLEMA 14La hidratacin del etileno produce etanol a nivel industrial, de acuerdo a las siguientes reacciones: CH2CH2 + H20 CH3CH2OH2 CH3CH2OH (CH3CH2)2O + H2OSe desea producir 783 moles/h de un azetropo que contiene 85,4 % molar de etanol en agua, a partir de una alimentacin de etileno que contiene 4 % de CH4 y otra corriente de agua pura. Se desea reciclar el ter dietlico. a) Estructure el diagrama de entrada/salida del procesob) Establezca un diagrama que incluya las corrientes de recicloc) Formula una tabla estequiomtrica en base a la conversin X y selectividad Sd) Determine los principales flujos de entra y salida del procesoe) Calcule el valor neto de productos si el costo del azetropo es de 8 $/mol; el del etileno, de 3 $/mol, el agua de alimentacin de 0,5 $/mol y el agua residual de 0,07 $/mol.

PROBLEMA 15El isooctano (gasolina) se produce por las siguientes reacciones:Buteno + Isobutano IsooctanoButeno + Isooctano C12Las reacciones ocurren en fase lquida a 45 F y 90 psia en un reactor continuo agitado. La produccin deseada de isooctano es de 918 moles/h. Los costos de los materiales expresados en $/mol son: buteno = 14,56; isobutano= 18,59; isooctano = 36,54; C12 = 12,05.a) Desarrolle un diagrama del proceso incluyendo entradas/salidas y reciclos.b) Determine los flujos del proceso en trminos de la conversin X y de la selectividad S. X se define como la fraccin de buteno convertida y S como los moles de isooctano producidos por mol de buteno convertido.c) Calcule el valor neto de productos en funcin de la conversin y de la selectividad.

PROBLEMA 16El anhdrido actico se produce por las reacciones:Acetona cetona + CH4Cetona CO + C2H4Ambas reacciones ocurren a 700C y 1 atm de presin. Complementariamente se da la reaccin Cetona + cido actico anhdrido acticoLa ltima reaccin ocurre a 80 C y 1 atm. La selectividad (moles de cetona que abandonan el reactor de pirlisis por mol de acetona convertida) es dada por la ecuacin S = 1 4X/3 a bajas conversiones. La produccin deseada de anhdrido es 16,58 moles/h con una pureza del 99 %. Los costos son: acetona = $ 15,66/mol, anhdrido = $ 44,41/mol; combustible = $ 4,00/milln de BTU. a) Represente el diagrama de entrada salida del procesob) Diagrame los reciclos del procesoc) Desarrolle el diagrama de flujo del procesod) Desarrolle la tabla estequiomtrica para las reacciones.e) Calcule los flujos de entrada y salida del procesof) Desarrolle una expresin algebraica para el VNP del proceso en funcin de X y S.