Problemas-Química-Industrial1

UNIVERSIDAD

AUSTRAL

FACULTAD DE INGENIERÍA

QUÍMICA INDUSTRIAL

Problemas 1

Sistemas - Balance de masa

1.- Contesta verdadero V o falso F y justifica la respuesta:

a. Si ocurre una reacción química, las masas totales que entran y salen del sistema para un proceso

en estado estacionario no son iguales.

b. En la combustión, todos los moles de carbono que entran a un proceso en estado transitorio

salen del mismo.

c. Si se tienen c componentes que entran a un sistema, se pueden establecer c+1 balances

independientes.

2.- Una mezcla de benceno y tolueno contiene 50 % en masa de benceno. Una porción de la mezcla

se vaporiza para dar un vapor que contiene 85,0 % de benceno y un líquido remanente que contiene

10,6 % en masa de benceno. El proceso es continuo y la columna opera en régimen permanente. La

velocidad de alimentación de la mezcla es 100,0 kg/h. Sean Qv (kg/h) y Ql (kg/h) las velocidades

de flujo de productos en el vapor y en el líquido.

a. Dibuja y etiqueta un diagrama de flujo del proceso

b. ¿Cuántos balances independientes se pueden escribir para este sistema?

c. Calcula Qv y Ql.

3.- Un flujo que contiene 25 % en peso de etanol en agua se diluye con un segundo flujo que

contiene 10 % de etanol, para formar un producto que contiene 17 % de etanol.

a. Escoge una base de cálculo conveniente, dibuja y etiqueta un diagrama de flujo de este proceso

y calcula la relación: kg de solución al 17 %/ kg de solución al 25 %

b. ¿Qué velocidad de flujo de alimentación se requiere para producir 1250 kg/h de producto?

4.- Un reactor tubular en régimen permanente, se alimenta con monóxido de carbono y vapor de

agua, los cuales reaccionan para formar dióxido de carbono e hidrógeno. Los productos y los

reactivos no consumidos se extraen en el otro extremo. El reactor contiene aire cuando se hace

arrancar el proceso. La temperatura del reactor es constante y la composición y velocidad de flujo

de la corriente de reactivos a la entrada, también son independientes del tiempo. Clasifica el proceso

y justifica, a) inicialmente; b) después de un largo período de tiempo.

5.- Mil kilogramos por hora de benceno (B) y tolueno (T) que contienen 50 % en masa de benceno,

se separan por destilación, en dos fracciones. La velocidad de flujo másico del benceno en la parte

superior es 450 kg B/h y la de tolueno en la inferior es 475 kg T/h. La operación se lleva a cabo en

régimen permanente. Escribir los balances del benceno y del tolueno para calcular las velocidades

de flujo no conocidas de los componentes en los flujos de salida.

6.- Entra agua a un tanque de dos litros a una velocidad de 3 g/seg y sale a una velocidad de 5 g/seg.

Inicialmente el tanque está lleno a la mitad de su capacidad.

a. ¿Cómo es el proceso: continuo, intermitente o semiintermitente? ¿Cómo es el régimen:

transitorio o permanente?

Química Industrial

Problemas semanales

b. Escribe un balance de masa para este proceso, donde m(t) es la masa de agua en el tanque al

tiempo t. Identifica los términos de la ecuación general de balance que están presentes en la

ecuación y explica porqué se omiten otros.

c. Resuelve la ecuación de balance para determinar en cuánto tiempo se vacía el tanque.

7.- Dos mezclas de metanol-agua, se encuentran en dos matraces separados. La primera contiene 40

% en peso de metanol y la segunda 70 % en peso del mismo. Si se combinan 200 g de la primera

mezcla con 150 g de la segunda, ¿cuál es la masa y la composición del producto?

8.- Una reacción química en fase líquida A -----> B se lleva a cabo en un tanque con buena

agitación. La concentración de A en la alimentación es CA0 (mol/cm3) y la del tanque y del flujo de

salida es CA (mol/cm3). Ninguna concentración varía con el tiempo. El volumen del contenido del

tanque es V (cm3) y la velocidad de flujo volumétrico de los flujos de entrada y salida es Q

(cm3/seg). La velocidad de la reacción ( velocidad a la que A desaparece por la reacción en el

tanque), está dada por la expresión: r (mol/seg) = k V CA (k es constante)

a. Indica si el proceso es continuo, intermitente o semiintermitente y si su régimen es permanente

o transitorio

b. Escribe un balance diferencial de A para encontrar la siguiente relación entre las

concentraciones de reactivo a la entrada y a la salida.

CA = CA0 / (1+kV/Q)

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QUÍMICA INDUSTRIAL

Problemas 2

Varias unidades - Reacción Química

1.- Una solución de ácido sulfúrico diluido (solución A) debe concentrarse con otra solución que

contiene 90 % en masa de ácido sulfúrico (solución B) para producir una solución al 75 % en masa

(solución C).

La velocidad de flujo y la concentración de la solución A cambia periódicamente, así que es

necesario ajustar la velocidad de flujo de la solución B para mantener la concentración del producto

constante.

Los medidores de flujo A y B presentan curvas de calibración lineales de la velocidad de flujo

másico (q) en función de la lectura del medidor (R), que pasan a través de los puntos:

Medidor de flujo A: qA = 150 lb/h, RA = 20

qA = 500 lb/h, RA = 60

Medidor de flujo B: qB = 200 lb/h, RB = 20

qB = 800 lb/h, RB = 60

La calibración del analizador es una línea recta en una gráfica logarítmica de % de ácido sulfúrico

(x) en función de la lectura del medidor (Rx), en una escala lineal. La recta pasa a través de los

puntos: (x = 20 %; Rx = 3,0) y (x = 100 %; Rx = 10,0).

a. Calcula la velocidad de flujo de la solución B necesaria para concentrar 300 lb/h de 55% de

ácido sulfúrico (solución A) y la velocidad de flujo resultante de la solución C

b. Encuentra las ecuaciones de calibración para qA (RA), qB (RB) y x (Rx).

c. Calcula los valores de RA, RB y Rx correspondientes a las velocidades de flujo y las

concentraciones de la parte A.

d. El trabajo del técnico del proceso consiste en realizar la lectura del medidor de flujo A y del

analizador, y después ajustar la velocidad de flujo de la solución B. Encuentra una fórmula que el

técnico pueda utilizar para RB en función de RA y Rx y compruébala sustituyendo los valores de la

parte a.

2.- El jugo de naranja fresco contiene 12,0 % en peso de sólidos y el resto de agua; mientras el jugo

de naranja concentrado contiene 42,0 % de sólidos. Se utilizó inicialmente un solo proceso de

evaporación para concentrar el jugo, pero los componentes volátiles escaparon con el agua, dejando

al concentrado sin sabor. El siguiente proceso resuelve el problema: se realiza una desviación del

evaporador con una fracción del jugo fresco; el jugo que entra al evaporador se concentra hasta que

Disolución B

Disolución CMedidor de flujo A

Medidor de flujo B

Analizador

>

>

>

> >

>

M e z c l a d o r

Disolución A

Química Industrial

Problemas semanales

tiene 58 % de sólidos y el producto se mezcla con el jugo fresco desviado para alcanzar la

concentración final de sólidos deseada (42 %).

a. Dibuja un diagrama de flujo del proceso y etiquétalo.

b. Calcula la cantidad de jugo concentrado producido por cada 100 kg de jugo fresco que alimenta

el proceso.

c. Calcula la corriente de desviación y la fracción que representa respecto de la alimentación

fresca.

Los ingredientes volátiles que proporcionan el sabor están contenidos en el jugo fresco que se

desvía del evaporador. Podrías tener más de estos ingredientes en el producto final, evaporando

hasta conseguir por ejemplo un 90 % de sólidos en lugar de 58 %; entonces podrías desviar una

fracción mayor del jugo fresco y, por lo tanto, obtendrías un producto de mejor sabor. Sugiere las

posibles desventajas de esta proposición.

3.- La oxidación del etileno para producir etanal, procede de acuerdo a la siguiente ecuación:

2 C2H4 + O2 2 C2H4O

La alimentación al reactor contiene 100 kmoles de etileno y 100 kmoles de oxígeno

a. ¿Cuál es el reactivo limitante? ¿Cuál es el porcentaje de exceso de reactivo en exceso?

b. Si la reacción se lleva a cabo totalmente, ¿qué cantidad de reactivo en exceso quedará?, ¿cuánto

metanal se formará? , ¿cuál es el grado de avance de la reacción?

c. Si la reacción se lleva a cabo hasta que la conversión fraccionaria del reactivo limitante es del

50 %, ¿cuánto reactivo y producto está presente al final y cuál es el grado de avance de la reacción?

d. Si la reacción se lleva a cabo hasta que quedan 60 kmoles de oxígeno, ¿cuál es la conversión

fraccionaria de acetileno?, ¿cuál es la conversión fraccionaria de oxígeno?, ¿cuál es el grado de

avance de la reacción?

4.- La fabricación electrolítica del gas cloro a partir de una solución de cloruro de sodio se realiza

conforme a la siguiente reacción:

2 NaCl + 2 H2O 2 NaOH + H2 (g) + Cl2 (g)

a. Dibuja un diagrama de flujo del proceso, identificando las corrientes que entran y salen de la

cuba electrolítica.

b. ¿Cuántos kg de cloro pueden producirse a partir de 10 m3 de una solución de salmuera

constituida por 5 % en peso de cloruro de sodio. El peso específico de la solución con respecto

al agua a 4 °C es 1,07.

5.- Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído a partir de metanol por medio de la

reacción:

CH3OH HCHO + H2

Se alcanza una conversión en una sola etapa de 70 % en el reactor. El metanol contenido en el

producto del reactor se separa del formaldehído y del hidrógeno en un proceso de varias unidades.

La velocidad de producción del formaldehído es de 600,0 kg/h. Para cada uno de los siguientes

casos, dibuja el diagrama de flujo y etiquétalo y calcula la velocidad de alimentación de metanol

(mol/h) que requiere el proceso:

a. No hay recirculación.

b. El metanol recuperado se hace recircular al rector. Calcula para este caso la corriente de

recirculación y su relación con la alimentación fresca.

6.- Si la alimentación a un proceso es estequiométrica y el proceso de separación posterior se

completa de modo tal que todo el reactivo que no reacciona se recircula,

a. Dibuja un diagrama de flujo indicando las etapas y las corrientes.

b. ¿Cómo es la relación de reactivos en la corriente de recirculación?

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QUÍMICA INDUSTRIAL

Problemas 3

Equilibrio Químico

1.- La alimentación fresca en un proceso de producción de amoníaco contiene 24,75 % en mol de

nitrógeno, 74,25 % en mol de hidrógeno y el resto de sustancias inertes (I). La alimentación se

combina con un flujo de recirculación que contiene las mismas especies, y el flujo combinado

alimenta el reactor donde se alcanza una conversión en una sola etapa del 25% de nitrógeno. Los

productos pasan a través de un condensador, donde se separa el amoníaco mientras que los gases

restantes se hacen recircular. Sin embargo para evitar un aumento de las sustancias inertes, debe

extraerse un flujo de purgado. El flujo de recirculación contiene 12,5 % en mol de inertes.

a. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo del proceso. Escribe la ecuación de reacción.

b. Calcula la conversión global de nitrógeno.

c. Calcula el cociente: moles de gas purgados/moles de gas que salen del condensador.

d. Calcula el cociente: moles de alimentación fresca/moles que alimentan el reactor.

2.- En un reactor experimental a escala de 4,0 dm3

, a 25 °C, se encuentran en equilibrio 50,0 g de

pentacloruro de fósforo gaseoso y 20,0 g de cloro gaseoso. Calcula:

a. el número de moles y la concentración de PCl3 (g) presentes en el equilibrio

b. la masa de tricloruro de fósforo presente en el equilibrio

c. ¿Cambiarían los resultados si el volumen del reactor fuera 3,0 dm3?

PCl5 (g) <==> PCl3 (g) + Cl2 (g)

Datos: Kc = 5,5 (25°C) ; P atmosférica = 770 mm Hg ; T ambiente = 25 °C

3.- En un recipiente vacío de 2,00 dm3 , se colocan 3 moles de SO2 (g) y 1,50 moles de O2 (g), a 72

°C. Una vez producido el equilibrio, se encuentra que hay 0,90 moles de O2 (g).

a. Calcula el valor de Kc para la reacción a dicha temperatura

b. Calcula la concentración del producto en el equilibrio

SO2 (g) + O2 (g) <==> SO3 (g)

4.- La reacción para producir amoníaco a partir de N2 (g) e H2 (g) es:

N2 (g) + H2 (g) <==> NH3 (g)

y es exotérmica. Se tiene una mezcla de los gases en equilibrio. ¿Cuál será el efecto sobre la

formación de NH3 si

a. se agrega N2 ?

b. se disminuye la temperatura?

c. se agrega un catalizador en fase sólida?

5.- Se tiene una solución de ácido nitroso 0,0391 % m/V, de pH 2,74.

a. Determina la Ka del ácido.

b. Calcula la concentración del ácido nitroso en el equilibrio.

c. Si al aumentar la temperatura de la solución, el pH disminuye, indica si la reacción de

ionización del ácido es endo u exotérmica. Justifica la respuesta.

Química Industrial

Problemas semanales

6.- En un ensayo experimental de densidad de vapor se encontró que 1,35 g de tetróxido de

nitrógeno N2O4 ocupan un volumen de 0,501 litros a 45 °C y a la presión de 795 mm Hg

a. Dada la ecuación: N2O4 <===> NO2 , calcula el valor de Kp a esa temperatura

b. Calcula el grado de disociación del N2O4 a 45 °C

c. Calcula el grado de disociación del N2O4 a 45 °C y una presión total de 1 atm, en presencia de

0,25 atm de nitrógeno.

7.- Cuando la reacción C (s) + CO2 (g) <==> CO (g) se produce a 850 °C y 1 atm de presión

total, la mezcla en el equilibrio contiene 93,77 % de CO y 6,23 % de CO2 en volumen.

a. Calcula el valor de Kp

b. Calcula la composición en equilibrio a 5 atm

8.- En un intervalo de presiones de bajas a moderadas, el estado de equilibrio de la reacción de

desplazamiento del agua: CO + H2O <==> CO2 + H2

está descrita aproximadamente por la relación:

yCO2yCO

yH2yH2O = 0,00247 e

4020TK

Siendo: y1 = y CO2 , y2 = y H2 , y3 = y CO , y4 = y H2O , T = T(K)

La alimentación de un reactor continuo de desplazamiento contiene 30 % en mol de CO, 10 % de

CO2, 40 % de agua y el resto de gas inerte. La reacción alcanza el equilibrio.

a. Calcula los gramos de hidrógeno producidos por mol de agua provista, si la reacción se lleva a

cabo a 850 °C

b. Calcula la temperatura a la que debe efectuarse la reacción para alcanzar una conversión

fraccionaria de CO del 75 %

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QUÍMICA INDUSTRIAL

Problemas 4

Gases

1.- A través de un tubo fluye vapor a una velocidad de 400 l/min, a una presión de 5 atm

(manométrica) y a una temperatura de 400 °C. En un punto más adelante del tubo, la presión

disminuye a la presión atmosférica y a 350 °C de temperatura. Un barómetro en la planta indica una

lectura de 757 mm Hg. ¿Cuál es la velocidad de flujo volumétrico en ese punto?

2.- El “secado por dispersión” (spray) es un proceso donde un líquido que contiene sólidos disueltos

o suspendidos se inyecta en una cámara a través de un dispersor o atomizador de disco centrifugal.

La niebla resultante se pone en contacto con aire caliente, que evapora la mayor parte o todo el

líquido, dejando que los sólidos secos caigan a una banda transportadora, en la parte inferior de la

cámara.

La leche en polvo se produce en un secador de dispersión de 6 mm de diámetro y 6 m de altura. El

aire entra a 167 °C y - 40 cm de H2O. La leche que alimenta el atomizador contiene 70 % en masa

de agua, que se evapora completamente. El gas de salida contiene 12 % en mol de agua y sale a 83

°C y una atmósfera de presión (P absoluta), a una velocidad de 311 m3/min. Calcula la velocidad de

producción de leche seca y la velocidad de flujo volumétrico del aire de entrada.

3.- Un flujo de nitrógeno seco y caliente fluye a través de una unidad de proceso que contiene

acetona líquida. Una porción sustancial de acetona se evapora y sale con el nitrógeno. Los gases

combinados salen de la unidad de recuperación a 220 °C y 1,1 bars y entran a un compresor-

enfriador donde una porción de acetona se condensa. Los gases restantes salen del condensador a

10°C y 40 bars. La presión parcial de la acetona en la alimentación al condensador es 0,110 bars y

en el gas de salida es 0,133 bars. Considera que el gas se comporta idealmente.

a. Dibuja y etiqueta un diagrama de flujo del proceso.

b. Calcula la masa de acetona condensada (kg) y el volumen de gas que sale del condensador (m3)

para una base de 1 m3 del gas que alimenta el condensador.

c. Considera que la velocidad de flujo del gas que sale del condensador es de 20 m3/h. Calcula la

velocidad (kg/h) a la que se evapora la acetona en la unidad de recuperación del solvente.

4.- Dos flujos de gas húmedo se mezclan en una cámara de mezclado caliente. El primer flujo

contiene 23,5 % en mol de etano y 76,5 % de etileno sobre base seca, y entran a una cámara a 25

Leche (70% de agua)Aire húmedo

311 m3/min83 °C 1 atm

Aire de entrada

167 °C -40 cm H2O

Leche seca

. . ... ... ... . .

. . .. .. ... ....

.. ... . . .. .

.. . . .. ...

. ... .. ....

.. .. . .

. . . . . . ....

. .. . ..

.. .. . . . . .

. . ......

.

. .. .. .. ...

. ... . . ... ...

Química Industrial

Problemas semanales

°C y 105 kPa, a una velocidad de 125 litros/min. El segundo flujo es aire húmedo, que entra a 75 °C

y 115 kPa, a una velocidad de 355 litros/min. El flujo de los productos sale a 65 ° C y 1 atm. Se

utiliza un higrómetro para medir el contenido de agua de los dos flujos de entrada y salida. La curva

de calibración del higrómetro es una línea recta en una gráfica semilogarítmica de y (fracción molar

de agua) en función de R (lectura del higrómetro), que pasa a través de los puntos:

( y = 1x10 -4

; R = 5 ) ; ( y = 0,2 ; R = 90 ).

Se registraron las siguientes lecturas:

Flujo de entrada de hidrocarburos: R = 86

Flujo de entrada de aire: R = 12,8


b. ¿Cuál es la ecuación que relaciona y con R?

c. ¿Cuál es la velocidad de flujo volumétrico del flujo de los productos y cuál es la composición

molar del producto gaseoso sobre base seca?

d. Calcula la presión parcial del agua en el producto gaseoso y la lectura del higrómetro.

5.- En un proceso de producción de ácido sulfúrico, se quema en un horno con aire seco, un mineral

que contiene 87% en peso de piritas de hierro, FeS2 y 13% de sustancias inertes, para formar Fe2O3

(s), SO2 (g) y SO3 (g). El gas que sale del horno pasa a través de un convertidor catalítico, donde la

mayor parte del SO2 se oxida para formar SO3. Las sustancias salen del convertidor a 450 °C y 1

atm.

Datos: 85% de conversión de piritas

40% de exceso de aire, basado en la oxidación completa del azufre para formar SO3

40% del FeS2 quemado forma SO2, el resto SO3

96% del SO2 que entra al convertidor se oxida para formar SO3

Calcula:


b. Calcula el volumen de productos gaseosos en m3 (CNPT) producido por cada 100 kg de mineral

quemado

c. Calcula la composición molar del gas de salida

7.- Un flujo de oxígeno entra a un compresor a 298 K y 1,00 atm, a una velocidad de 87 m3/h y se

comprime a 358 K y 1000 atm. Calcula la velocidad de flujo del oxígeno comprimido.

8.- Cierto gas tiene una masa molar de 30, una temperatura crítica de 310 K y una presión crítica de

4,5 MPa. Calcula la densidad en kg/m3 de este gas a 465 K 9,0 MPa.

a. Si es ideal.

b. Si el gas obedece a la les de los estados correspondientes.

9.- Un gas consta de 20 % en mol de CH4, 30 % de C2H6 y 50 % de C2H4. Veinte kg de este gas se

comprimen a una presión de 200 bars a 90 °C. Usando la regla de Kay, calcula el volumen final del

gas.

10.- Un tanque de 120 litros se evacua y se llena con 20,0 kg de un gas que contiene 10 % en mol

de N2O y el resto N2. La temperatura del gas es 24 °C. Utiliza la gráfica de compresibilidad para

resolver:

a. ¿Cuál es la presión manométrica del tanque después que se llenó?

b. Se produce un incendio en la planta donde se encuentra el tanque y su válvula se rompe cuando

la presión manométrica del gas es 273 atm. ¿Cuál es la temperatura del gas (°C) en el momento

previo a la ruptura?

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QUÍMICA INDUSTRIAL

Problemas 5

Sistemas de un componente

1.- El punto de ebullición normal del agua es de 100 °C. Se comprimen isotérmicamente 4 litros de

vapor de agua pura a una temperatura de 100 °C y a una presión de 0,80 atm. Se registra la presión

del sistema y se observa el siguiente comportamiento:

a. ¿Qué sucede durante cada una de las etapas AB, BC y CD? ¿Cuál es la presión que corresponde

a la porción horizontal de la curva?

b. Calcula el volumen que ocupa el agua en los puntos B, C y D. (Considera que el vapor se

comporta como un gas ideal)

2.- El aparato de la figura se utiliza para medir la presión de vapor del clorobenceno.

El matraz que contiene clorobenceno puro se coloca en un baño de temperatura constante y se mide

la presión de vapor con un manómetro de mercurio. Este proceso se repite con diferentes

temperaturas del baño. Se toman las lecturas un día en que la presión atmosférica es de 755 mm Hg.

P (atm)

Tiempo>

0,8 A

B C

D

.

. .

.

.

.

. .

.. .. . . . . . .

. .. . . . . . .. .

. .

. .

VAPOR

LIQUIDO

MANOMETRO

DE MERCURIO

BAÑO DE TEMPERATURA CONSTANTE

Química Industrial

Problemas semanales

T (°C) Nivel de Hg, brazo izquierdo

(mm)

Nivel de Hg, brazo derecho

(mm)

35,3 767 32

58,3 747 52

89,4 677 122

110 577 222

160,2 17 782

a. Calcula p* para el cloro benceno a cada temperatura.

b. Construye una gráfica semilogarítmica de p* en función de 1/T y utilízala para calcular el punto

de ebullición normal y el calor de vaporización del clorobenceno.

c. ¿Se justifica aplicar la ecuación de Clausius-Clapeyron para el clorobenceno en el intervalo de

temperatura 35,3 °C a 160,2 °C?. Explica la respuesta.

3.- Aire que contiene 20 % en mol de vapor de agua se enfría isobáricamente a 1 atm desde 200 °C

hasta 15 °C.

a. Calcula el punto de rocío y el grado de sobrecalentamiento del aire de la alimentación.

b. ¿Cuánta agua se condensa por metro cúbico del gas de alimentación?

c. Considera que se coloca una muestra de aire a 200 °C en una cámara cerrada que contiene un

espejo y que se eleva la presión a temperatura constante hasta que se empaña el espejo. ¿A qué

presión (atm) se empañará el espejo?

4.- La presión de vapor del alcohol n-propílico varía con la temperatura de acuerdo con la siguiente

tabla:

T (°C) 50 60 70 80

P (mm Hg) 87,2 147 239 376

a. Escribe las fórmulas molecular y desarrollada del alcohol n-propílico

b. Calcula el calor latente de vaporización del alcohol n-propílico. Justifica adecuadamente las

simplificaciones realizadas

c. ¿A qué temperatura la presión de vapor es 200 mm Hg?

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QUÍMICA INDUSTRIAL

Problemas 6

Sistemas multicomponente

1.- Un meteorólogo reportó el siguiente pronóstico para la tarde:

Temperatura: 34 °C

Humedad relativa: 43 %

Presión barométrica: 753 mm Hg

Viento NNE: 1,6 km/h

a. ¿Cuántos gramos de vapor de agua estarán presentes en un m3 de aire vespertino?

b. ¿Cuál es el punto de rocío del mismo?

2.- Un parámetro importante en el diseño de torres de absorción de gases es el cociente entre la

velocidad del flujo del líquido y la del gas de alimentación. Cuanto más pequeño sea este cociente,

tanto menor será el costo del disolvente que se requiere para procesar una determinada masa de gas.

En el absorbedor que se muestra, se recupera propano de una mezcla 5 % en mol de propano y el

resto de aire, poniéndola en contacto con n-decano líquido. Durante el proceso se evapora una

cantidad despreciable de decano y se absorbe el 98,1 % del propano que entra a la unidad.

Líquido de

entrada L1 (mol C10H22/h)

Líquido de

salida L2 (mol/h)

Gas de sal ida G1 (mol /h )

Gas de entrada

G2 (0,05 mol C3H8/mol)

T = 80 °F P = 1 atm

ABSORBEDOR

>

>

>

<

a. El valor mínimo requerido para el cociente de alimentación líquido-gas L1/G2 corresponde a dos

flujos inferiores que están en equilibrio. Calcula este cociente mínimo, usando la ley de Raoult para

relacionar las composiciones del gas de la entrada con el líquido de salida.

b. Calcula la fracción molar de propano en el líquido de salida, si se tiene que L1/G2=1,5(L1/G2)min.

3.- Un gas que contiene nitrógeno, benceno y tolueno está en equilibrio con una mezcla líquida de

30 % en mol de benceno y 70 % en mol de tolueno, a 75 °C y 10 atm. Calcula la composición de la

fase gaseosa.

4.- Se colocan 4 moles de benceno y 6 moles de tolueno en un tanque cerrado equipado con un

pistón. El tanque se sumerge en un baño de agua hirviendo, de manera que se mantiene constante a

100 °C. La fuerza ejercida sobre el pistón puede variarse para ajustar la presión del tanque a

cualquier valor deseado. La presión inicial es de 1000 mm Hg y se disminuye gradualmente hasta

600 mm Hg. Utiliza el diagrama Pxy dado para responder a las siguientes preguntas:

Química Industrial

Problemas semanales

a. ¿Qué fases se encuentran presentes inicialmente?

b. ¿A qué presión se forma la primera burbuja de vapor y cuál es su composición?

c. ¿Cuáles son las composiciones del líquido y del vapor en equilibrio cuando la presión es de 800

mmHg y cuál es el cociente moles de vapor/moles de líquido en ese punto?

d. Calcula el volumen contenido en el tanque cuando la presión es (i) 1000 mmHg, (ii) 800 mmHg,

(iii) 600 mm Hg.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T = 100 °C

Fracción molar de benceno

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Pre

sió

n (

mm

Hg)

Diagrama Pxy

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QUÍMICA

Problemas 7

Destilación

1.- A continuación, se dan los datos de equilibrio líquido-vapor para mezclas metanol-agua, a una

presión de 1 atm.

T °C xM yM T °C xM yM

100 0,000 0,000 75,3 0,400 0,729

96,4 0,020 0,134 73,1 0,500 0,779

93,5 0,040 0,230 71,2 0,600 0,825

91,2 0,060 0,304 69,3 0,700 0,870 89,3 0,080 0,365 67,6 0,800 0,915

87,7 0,100 0,418 66,0 0,900 0,958

84,4 0,150 0,517 65,0 0,950 0,979

81,7 0,200 0,579 64,5 1,000 1,000

78,0 0,300 0,665

a. Construye un diagrama Txy para este sistema.

b. La lectura de un termopar sumergido en una mezcla de dos fases metanol-agua en equilibrio es

de 70 °C y la presión del sistema 1 atm. ¿Cuáles son las composiciones del líquido y del vapor?

c. Una mezcla equimolar de metanol y agua alimenta a un evaporador evacuado y se permite que

la mezcla alcance el equilibrio a 80 °C y 1 atm. ¿Cuáles son las composiciones molares de cada fase

del sistema? ¿Qué porcentaje de la mezcla final es vapor?

2.- El alcohol iso-butílico, de punto de ebullición normal 107,9 °C y el bromuro de iso-butilo, de

punto de ebullición normal 91,0 °C, forman un azeótropo que hierve a 88,8 °C a una atm de presión

y contiene 12 % en peso de alcohol.

a. Esquematiza la curva de temperatura-composiciones

b. ¿Qué componente puede obtenerse puro por destilación fraccionada de una mezcla al 50 %?

c. Idem con una mezcla al 8 %

3.- Se utilizan frecuentemente mezclas de metilciclohexano (M), de punto de ebullición normal

100,8 °C y tolueno (T), de punto de ebullición normal 110,7 °C, para determinar el número de

platos teóricos en columnas de fraccionamiento. Los datos del equilibrio para este sistema a 760

mm Hg, son:

XM 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

YM 0 0,143 0,27 0,378 0,47 0,56 0,65 0,737 0,818 0,906 1

Determina el número de platos teóricos que produce:

Química Industrial

Problemas semanales

a. Un destilado que contiene 0,70 fracción molar de M de una alimentación 0,30 fracción molar de

M

b. Un destilado de 0,74 fracción molar de M de una alimentación 0,20 molar de M

c. Si una solución que contiene 15 moles por ciento de T se destila hasta que el residuo es 65

moles por ciento de T, ¿cuál será la composición del destilado?

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Problemas 8

Propiedades de soluciones

1.- La solubilidad del bicarbonato de sodio en agua es de 9,6 g/100 g de agua a 20 °C y 16,4 g/100 g

de agua a 60 °C. Si se enfría una solución saturada de bicarbonato de sodio de 60 °C a 20 °C,

a. escribe la fórmula del bicarbonato de sodio

b. ¿qué porcentaje de la sal disuelta cristaliza?

2.- Un flujo de 1275 kg/h de una disolución acuosa de hidróxido de potasio se debe enfriar hasta 0

°C y evaporar al vacío para producir cristales de KOH.2 H2O. Se titula una alícuota de 5 g de esa

disolución hasta la neutralidad, con 22,4 ml de H2SO4 1 M. La solubilidad del KOH a 0 °C es de 97

g KOH/100 g H2O. ¿A qué velocidad debe evaporarse el agua para precipitar el 70 % del KOH de

la alimentación?

3.- Una solución se prepara disolviendo 60,0 g de difenilo (Mr = 154,2) en 570 ml de benceno

líquido.

a. Calcula la presión de vapor efectiva de la solución a 25 °C.

b. Calcula los puntos normales de fusión y de ebullición

4.- Un disolvente orgánico tiene una masa molecular relativa de 94,10. Se prepara una disolución

disolviendo 0,5550 g de un soluto de masa molecular relativa de 110,1 en 100,0 g de disolvente. El

punto de congelación de esta disolución es de 0,382 °C menos que el del disolvente puro. Se

prepara una segunda disolución disolviendo 0,4372 g de otro soluto con una masa molecular

desconocida en 96,50 g del mismo disolvente. Se obtiene una disminución de 0,467 °C del punto

de congelación.

a. Determina el valor de la masa molecular relativa del segundo soluto.

b. Calcula el calor de fusión del disolvente en kJ/mol.

Dato: Punto de fusión del disolvente puro: - 5,000 °C.

5.- Se añaden 500 g de una mezcla 40% de acetona y 60% de agua a 300 g de una mezcla 20% de

acetona y 80% de metil isobutilcetona a 25 °C. Usando el diagrama de fases ternario dado, calcula:

a. la masa de cada fase.

b. la composición de cada fase de la mezcla.

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Problemas semanales

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Problemas 9

Combustión

1.- El propano se quema en aire. Determina la composición molar del producto gaseoso en base

seca, si no se forma CO, suponiendo:

a. el aire suministrado es el teórico, 100% de conversión del combustible.

b. 20% de aire en exceso, 100% de conversión del combustible.

c. 20% de aire en exceso, 90% de conversión.

2.- Se quema tolueno C7H8 con 30% de exceso de aire. Un mal quemador provoca que 15% del

carbono se transforme en hollín (C puro) y que se deposite en las paredes del horno. ¿Cuál es el

análisis Orsat de los gases de combustión?

3.- Un gas natural que contiene 97% en volumen de metano entra a un horno de pirolisis de arco

eléctrico a 400 °C y 130 kPa. Allí el metano se convierte a acetileno e hidrógeno. La conversión se

mantiene al 15% para evitar la descomposición excesiva del metano a sus elementos. El acetileno

en el producto gaseoso se separa del metano residual y del hidrógeno, mediante una serie de etapas

de absorción y de fraccionamiento y se hace burbujear a través de una solución acuosa de sulfatos

férricos y mercurosos, en la que ocurre la hidratación del acetileno para formar acetaldehído. El

rendimiento del acetaldehído es de 0,60 moles formados por mol de acetileno de alimentación.

Puede considerarse que el gas de salida sólo contiene acetileno y acetaldehído y que fluye a una

velocidad de 450 m3/h a 85 °C y 120 kPa. El acetaldehído se separa y alimenta un reactor de

oxidación catalítica, entrando a 60 °C y 500 kPa. El acetaldehído reacciona con el oxígeno para

formar ácido acético, con un rendimiento de 0,90 moles de ácido acético formado por mol de

acetaldehído de alimentación.


b. Escribe las ecuaciones que tengan lugar en el proceso.

c. Calcula las velocidades de flujo volumétrico (m3/h) de la entrada de gas natural al reactor de

pirólisis y de la entrada del acetaldehído al reactor de oxidación.

d. Calcula la velocidad de producción de ácido acético.

4.- Se quema carbón puro con oxígeno. El análisis de los gases de combustión es:

Compuesto Porcentaje en mol

CO2 75

CO 14

O2 11

a. Dibuja un diagrama de flujo del proceso.

b. Escribe las ecuaciones que tengan lugar.

c. Calcula el porcentaje de exceso de aire empleado.

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Problemas semanales

5.- Un gas natural contiene 92 % en mol de metano, 5 % de etano y 3 % de propano. 100 kmol/h de

ese combustible se queman por completo con 125 % de aire en exceso.


b. Calcula la velocidad de aire requerida

c. ¿Cómo cambiaría la respuesta si la combustión se efectuara en un 75 %?

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Problemas 10

Psicometría

1.- Para aire a una temperatura de 25 °C y presión de 101 kPa, calcula:

a. la humedad específica, si la humedad relativa es del 70 %.

b. la humedad relativa, si la humedad específica es de 0,0119 kg/kg de aire.

2.- Entra aire en una secadora de ropa a una temperatura de 20 °C y una humedad relativa del 70 %.

Calcula el flujo másico que se requiere para eliminar 1 kg de agua en 30 minutos, si el aire que sale

de la secadora está completamente saturado a una temperatura de 40 °C. El proceso de secado se

efectúa a presión constante de una atm.

3.- En una torre de enfriamiento de agua, el ventilador tiene una capacidad de impulsión de 8,30 x

106 ft

3/h de aire húmedo. Éste aire está 80 °F y una temperatura de bulbo húmedo de 65°F. El aire

de salida está a 95 °F y tiene una temperatura de bulbo húmedo de 90 °F.


b. Ubica en la carta Psicrométrica las condiciones del aire a la entrada y a la salida.

c. Calcula la cantidad de agua transferida / kg de aire seco.

d. ¿Cuánta agua se puede enfriar, calculada en kg/h, si el agua que se quiere enfriar no se recircula,

entra a la torre a 120 °F y sale a 90 °F?

4.- Entra aire en una torre de enfriamiento a razón de 12 kg/s con una temperatura de 20 °C y una

humedad relativa del 50 %. El aire sale a 35 °C en condiciones de saturación y el proceso es

isobárico a presión de 101 kPa.


b. Indica el proceso en la carta psicrométrica.

c. Calcula la rapidez de transferencia de calor.

d. Calcula el flujo másico de agua transferida en la torre de enfriamiento.

5.- Entra aire a una torre de enfriamiento a 15 °C con una humedad relativa del 60 %. El aire sale a

30 °C en condiciones de saturación. La presión es 1 atm constante.


b. Representa el proceso en la carta psicrométrica.

c. Calcula la temperatura de rocío a la entrada.

d. Calcula la cantidad de agua perdida por cada kg de aire que fluye a través de la torre

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Problemas semanales

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Problemas 11

Balances de energía

1.- En una refinería se utiliza un condensador para enfriar 1000 lb/hr de benceno que entra a 1 atm,

200 °F y sale a 171 °F. Suponga que se desprecia la pérdida de calor a los alrededores.


b. ¿Cuántas libras de agua de enfriamiento se requieren por hora si el agua de enfriamiento entra a

80 °F y sale a 100 °F?

2.- El calor standard para la combustión del n-nonano líquido para formar CO2 y H2O (l) a 25°C y 1

atm es ∆ H°r = - 6124 kJ/mol y el de la combustión del vapor del n-nonano en las mismas

condiciones es ∆ H°r = - 6171 kJ/mol.


b. Si se consumen 3 moles/s de nonano líquido y todos los reactivos y los productos están a 25 °C,

calcula la velocidad de entrada o salida (indica el sentido) de calor en kWatts.

c. ¿Cuál es el significado físico de la diferencia de 47 kJ/mol entre los dos valores de ∆ H°r que se

proporcionaron?

3.- El calor standard de la reacción: CaC2 (s) + 5 H2O (l) ---> CaO (s) + 2 CO2 (g) + 5 H2 (g)

es ∆ H°r = + 69,36 kJ.

a. Calcula ∆ U°r para esta reacción.

b. Suponiendo que se introducen 120 g de CaC2 y agua líquida en un recipiente rígido, a 25°C y se

calienta hasta que todo el CaC2 ha reaccionado completamente y se enfrían los productos con lo

cual condensa toda en agua que no se consumió. ¿Qué cantidad neta de calor (kJ) debe transferirse

desde el reactor?

4.- Calcula el calor standard de la reacción de conversión de agua-gas

CO (g) + H2O (g) ---> CO2 (g) + H2 (g)

para cada uno de los dos conjuntos de datos que se muestran a continuación:

a. CO (g) + H2O (l) ---> CO2 (g) + H2 (g) ∆ H°r = + 1226 Btu/mol

H2O (l) ---> H2O (g) ∆ H°v = + 18935 Btu/mol

b. CO (g) + ½ O2 (g) ---> CO2 (g) ∆ H°r = - 121740 Btu/mol

H2 (g) + ½ O2 (g) ---> H2O (g) ∆ H°r = - 104040 Btu/mol

5.- Se quema con combustión completa monóxido de carbono a presión constante con 100 % de

exceso de aire. Los productos de entrada ingresan a 100 °C.


b. Escribe la reacción química.

c. Calcula la temperatura de llama teórica.

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Problemas semanales

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Problemas 12

Balances de masa y energía

1.- Un deshumidificador opera en las siguientes condiciones:

El aire de entrada tiene un punto de rocío de 21 °C y una humedad relativa del 40 %.

El aire de salida se encuentra a 13 °C, con un punto de rocío de 12 °C.

a. ¿Qué condición debe cumplir el agua para que el aire pueda extraerla?

b. ¿Cuánto vapor de agua se remueve?

c. ¿Cuál es el cambio entálpico del aire?

Enfriador

Bomba

Agua derramada

(en exceso)

Aire AireRociador

Agua

2.- En un enfriador de aire, entra aire a 30 °C y 80 % de humedad relativa y sale a 20 °C, a presión

constante de una atmósfera.


b. Calcula la fracción de agua que condensa.

c. Calcula la velocidad a la que debe extraerse calor para producir 100 m3/h de aire húmedo al

estado final.

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Problemas semanales

3.- Se desea enfriar 10 kmol/h de gas de cp = 7 cal/mol K, desde 400 °C hasta 250 °C, usando como

refrigerante agua a 20 °C. Calcular los caudales másicos necesarios, si sus condiciones de salida

fueran:

a. Agua líquida a 40 °C.

b. Agua líquida a 100 °C.

c. Vapor húmedo de título 0,5 a 1 atmósfera absoluta.

d. Vapor saturado seco a 1 atmósfera absoluta.

e. Vapor seco a 150 °C y 1 atmósfera absoluta.

4.- A la salida de un horno se obtiene 500 m3 de gases de combustión a una atm. y 600 °C, por kg

de combustible. Dichos gases se enfrían hasta 205 °C al pasar por una caldera de recuperación,

donde entra agua a 50 °C y se obtiene vapor saturado a 1,7 atm. manométrica. El análisis de los

gases de combustión es 11 % de CO2, 6 % de O2, 7 % de H2O y 76 % de N2 molar. Suponiendo que

en la caldera no hay pérdidas,


b. ¿Hubo aire en exceso?

c. Calcula la cantidad de calor recuperado por enfriamiento del gas, referido a 1 kg de

combustible.

d. Calcula los kg de vapor producidos en la caldera.

5.- En un secadero spray, se pulveriza una solución de material a secar en una corriente de aire

caliente. El agua evaporada de la solución sale con el aire y el sólido se recupera en un sistema de

ciclones. Se dispone de los siguientes datos:

Aire de entrada: 2800 m3/h, 320 °C, 780 mm Hg, p vap = 7 mm Hg.

Solución de alimentación: 140 kg/h, 15 % m/m sólidos, 21 °C.

Aire de salida: 93 °C, 780 mm Hg, p vap = 50 mm Hg.

Sólido a la salida: 54 °C, no está totalmente seco.

Capacidad calorífica del sólido seco: 0,2 kcal/kg °C.

a. Dibuja y etiqueta un diagrama de flujo.

Calcula:

b. La composición del sólido a la salida.

c. El calor entregado por el aire de entrada.

d. La entalpía usada por el agua para su calentamiento y vaporización.

e. El calor usado para calentar el sólido.

f. El porcentaje de pérdidas por radiación, con respecto al calor entregado por el aire de entrada.

6.- Un reactor en el que se queman 100 kmol/h de CO con un exceso de aire del 80 %, se refrigera

por agua que entra a 25 °C y sale a 60 °C. Si los gases entran y salen del reactor a 500 °C,


b. Escribe las reacciones químicas que tengan lugar.

c. Calcula la composición de los gases de salida.

d. Calcula el caudal de agua de refrigeración.

Problemas-Química-Industrial1

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