CURSO: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 1° Semestre 2014

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PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA

1. Una planta de tratamiento de agua procesa 1000 kg/s de una suspensión de

desechos que contiene 500 ppm de impurezas. Parte del flujo de alimentación es

desviado con el propósito de mezclarlo con la corriente de suspensión tratada en la

planta, donde el proceso es capaz de remover las impurezas hasta dejar 10 ppm en la

solución tratada. En la planta, la remoción se realiza sin pérdidas apreciables de agua

portadora. Si este proceso se lleva a cabo, sabiendo que las ordenanzas municipales

permiten un máximo de 100 ppm de impurezas en la suspensión para poder descargarse

a los ríos, calcular:

a) Grados de libertad del sistema.

b) Fracción de la suspensión con 500 ppm que se puede derivar (sin pasar por la planta)

para mezclarse con la suspensión de 10 ppm.

Observación: Considere que la densidad de la suspensión es, aproximadamente, igual a

la densidad del agua.

2. Un fabricante de papel compra resina que no contenga más de un 20% de agua a

US$ 0.12 por lb de resina, precio FOB (puesta en puerto de origen, sin considerar costos

de fletes y seguros). Cuando la resina contiene más agua se descuenta al comprador US$

0.8/100 lb de agua en exceso. Si el embarque es de 2400 lb de resina con 26.3% de

agua, calcular el precio FOB que deberá pagar el comprador.

3. Para obtener cristales de lactosa, una corriente de alimentación que consiste en

una solución al 50% p/p de lactosa se mezcla con una corriente concentrada C (ver

diagrama de flujo adjunto). La mezcla es enfriada y luego alimentada a un cristalizador. La

solución que sale del cristalizador es filtrada con el fin de separar los cristales de lactosa.

Del filtro sale una corriente de 1(kg/h) conformada sólo por cristales de lactosa, mientras

que una pequeña fracción de ellos es reciclada al cristalizador para mejorar el proceso

que ocurre en dicho equipo. Además, del filtro sale una solución al 30% p/p de lactosa y a

2.5 (kg/h), la cual es calentada antes de ingresar al concentrador. Del concentrador sale

una corriente de concentrado C (que se mezcla con la corriente de alimentación fresca) y

una corriente con solución diluida al 10% p/p de lactosa. Calcular:

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a) Grados de libertad del sistema.

b) kg/h de alimentación fresca.

c) kg/h de solución diluida que sale del concentrador.

d) Concentración de lactosa en la corriente concentrada.

e) Concentración de lactosa en la corriente que ingresa al cristalizador.

4. Para el "lavado en seco" de ropa se usa el siguiente proceso: 100 kg/día de ropa

sucia con un 3% de suciedad se trata en una lavadora con un solvente que contiene 3%

de suciedad. La ropa lavada que sale de la lavadora se centrifuga, reteniendo 1 kg de

solvente sucio por cada 100 kg de ropa sucia cargada. El solvente usado en la lavadora

más el solvente que sale de la centrífuga son mezclados para formar una corriente que

contiene 90% de solvente puro la cual se trata en un recuperador. Desde él sale una

purga que tiene 10% de solvente puro y una corriente de solvente contaminado que se

recicla para mezclarlo con solvente fresco para producir la alimentación a la lavadora con

3% de suciedad. Si se sabe que el lavado remueve el 95% de la suciedad de la ropa,

considerando también que la suciedad queda retenida en la ropa y el solvente, calcular:

a) Grados de libertad del sistema.

b) Flujo de solvente fresco.

c) Composición del reciclo que sale del recuperador.

d) Porcentaje total de suciedad removida de la ropa.

e) Flujo del reciclo.

ENFRIADORCorriente de alimentación

50% lactosaCRISTALIZADOR FILTRO

CALEFACTORCONCENTRADORConcentrado, C

Cristales de lactosa

1 (kg/h)

Cristales de lactosa

recicladosSolución

2.5 (kg/h)

30% lactosa

Solución diluida

10% lactosa

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5. Una industria requiere desalinizar agua de mar mediante el uso de una batería de

módulos de osmosis inversa. Para tal propósito, el agua de mar ingresa a la planta con

35000 ppm de sal (cloruro de sodio) y a un caudal de 1000 m3/h. La batería de ósmosis

inversa es capaz de reducir la cantidad de sal en el agua hasta 100 ppm. La industria

sabe que para producir agua potable es necesario adicionar cierta cantidad de agua de

mar, ya que la norma chilena fija en 500 ppm la composición de sal en el agua potable.

Por lo anterior, una parte del agua de mar que se ingresa a la planta es desviada para ser

mezclada con el flujo de agua que sale de la batería de módulos de ósmosis inversa

(conocida como agua clara). Si se sabe que el rendimiento de la planta (es decir, razón de

agua potable por agua de mar alimentada al proceso) es de 0.1, determine:

a) Diagrama de bloques del proceso.

b) Grados de libertad del proceso global.

c) Flujo de agua de mar que se debe incorporar al agua clara que sale de la batería de

módulos de osmosis inversa (kg/h).

6. Una industria requiere procesar una mezcla líquida compuesta por 20% molar de

N2, 30% CO2 y 50% O2, la cual se separa en una torre de destilación. De esta torre se

obtiene un flujo de cabeza (N2 y CO2) y un flujo de cola (2.5% molar de N2, 35% molar de

CO2 y O2). Este último flujo se alimenta a una segunda torre de destilación, obteniéndose

un producto de cabeza con 8% molar de N2, 72% molar de CO2 y 20% molar de O2, y un

producto de cola compuesto de CO2 y O2. Si se sabe que a la primera torre de destilación

se alimenta un flujo de 1000 kg/h, determine:

a) Análisis de grados de libertad para el sistema total, primera torre de destilación y

segunda torre de destilación.

b) Todos los flujos y composiciones desconocidas.

7. Para purificar un flujo de 1000 ft3/min (a 780 mm Hg y 90°F) que contiene 99% en

volumen de H2 y 1% de H2S, éste se pone en contacto en contracorriente en una columna

de absorción con 100 lb/min de solvente líquido (peso molecular igual a 100). De la

columna sale H2 (a 770 mm Hg y 90°F) y una solución líquida de H2S. En una segunda

columna la solución se calienta, saliendo de ella un flujo gaseoso que contiene 99% en

peso de H2S y 1% de solvente y, junto con ello, también de esta segunda columna sale un

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flujo de solvente con baja concentración de H2S el cual se mezcla con solvente fresco y el

flujo obtenido se retorna a la columna de absorción. Con esta información determine:

a) Grados de libertad del sistema.

b) Flujo (en ft3/min a 1 atm y 70°F) de gas que sale de la columna de agotamiento.

c) Flujo de solución (en lb/min) que entra a la columna de agotamiento.

d) Flujo de solvente de reposición (en lb/min).