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Problemas de Bases de la Ingeniería Química (1º Grado IQ) (Curso 2018-2019) 1

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Segundo Cuatrimestre

Y TECNOLOGIA DEL MEDIO AMBIENTE Curso 2018/2019

UNIVERSIDAD DE OVIEDO Prof.: José R. Paredes Álvarez

Bases de la Ingeniería Química (1º) Prácticas de Aula (PA-1)

4/2/2019

PROBLEMA 1.2.2. Conversión de unidades:

¿Cuál es la densidad (en el S. I.) de un gas ideal cuya masa molecular es de 0.045 lb/mol, a una

presión de 15 psig y 135 ºF?

RESPUESTA. 1.5 kg/ m3

PROBLEMA 2.9.5. En un quemador se introduce butano con un 25% en exceso del aire teórico

requerido. Si se queman 85 m3/h de butano medidos a 20ºC y 760 mmHg, calcular:

a) Los m3/h de aire suministrados en las condiciones de entrada.

b) La composición de los gases salientes

c) Los m3/h de gases salientes si están a 800ºC y 1 atm.

RESPUESTA. a) 3294 m

3/h aire; b)N2=74.2%, O2 =4.0%, CO2 =9.7%, H2O =12.1%; c) 12837 m

3/h gas chimenea

Pre

ssur

e (M

Pa)

2-2

15

−200

−200

−100

−100

0

0

100

100

200

200

300

300

400

400

500

500

600

600

Enthalpy (kJ/kg)

0.01 0.01

0.02 0.02

0.04 0.04

0.06 0.06

0.08 0.08 0.1 0.1

0.2 0.2

0.4 0.4

0.6 0.6

0.8 0.8 1. 1.

2. 2.

4. 4.

6. 6.

8. 8. 10. 10.

20. 20.

Pre

ssur

e (M

Pa)

Air (R-729)

reference state: h = 0.0 kJ/kg, s = 0.00 kJ/(kg·K) for ideal gas at 0 K

sat

urat

ed li

quid

sat

urat

ed v

apor

c.p.

0.1

0.2

0.3

x

= 0

.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.10

0.15

0.20

0.30

0.40

0.60

0.80 1.0

1.5

2.0

3.0

4.0

6.0

8.0 10.

15.

20.

30.

40.

60.

100. 150. 200.

300. 40

0.

500

.

600

.

700

.

800

.

900

.

2.6

0 2

.80

3.0

0 3

.20

3.4

0 3

.60

3.8

0 4

.00

4.2

0 4

.40

4.6

0 4

.80

5.0

0 5

.20

5.4

0 5

.60

5.8

0 6

.00

6.2

0

6.4

0

6.6

0

6.8

0

7.0

0

7.20

s = 7.40 kJ/(kg·K)

7.60

7.80

70

T =

80

K

90

100

110

70

80

90

T = 100 K

110

120

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

T =

460

K

480

500

80. kg/m3ρ =

FIG. 2-5 Pressure-enthalpy diagram for dry air. Properties computed with the NIST REFPROP Database, Version 7.0 (Lemmon, E. W., McLinden, M. O., and Huber, M. L., 2002, NIST Standard Refer-ence Database 23, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties—REFPROP, Version 7.0, Standard Reference Data Program, National Institute of Standards and Technology), based on theequation of state of Lemmon, E. W., Jacobsen, R. T., Penoncello, S. G., and Friend, D. G., “Thermodynamic Properties of Air and Mixtures of Nitrogen, Argon, and Oxygen from 60 to 2000 K at Pressures to2000 MPa,” J. Phys. Chem. Ref. Data 29:331–385, 2000.






19/02/2019

PROBLEMA 2.3.13. En un reactor que opera a 10 atm y 360 ºC se verifica la reacción A + B → C. Se utiliza una

alimentación fresca (F) de 10 mol-kg/h cuya composición es 48% de A, 48% de B y 4% de C en moles. La conversión

en el reactor es del 40%. A la salida del reactor hay un separador que retira el 90% de C. El resto de la mezcla A + B +

C, se recircula a la entrada del reactor mezclándose con la alimentación fresca. De acuerdo con estos datos:

a) Dibujar el diagrama de flujo.

b) Calcular el flujo molar (E) que recibe el reactor.

c) Calcular el flujo molar de recirculación (R).

d) Calcular el flujo molar del componente C en cada corriente del proceso.

RESPUESTA. b) 24.98 moles-kg/h; c) 14.98 moles-kg/h; d) F=0.4; E=0.98; S=5.78; R=0.58; P=5.20 moles-kg/h

PROBLEMA 2.3.14. A un reactor catalítico de una planta de fabricación de amoníaco se alimenta una mezcla de N2 e

H2 en proporción 1/3, para alcanzar una conversión del 25% a NH3. El amoníaco formado se separa por condensación y

los gases no convertidos se recirculan al reactor. La mezcla inicial N2 - H2, contiene un 0.2% de argón y es necesario

evitar que se acumule durante el proceso, por lo que parte de la corriente de recirculación se purga continuamente. La

concentración de argón en la entrada al reactor no puede superar el 5%.

a) Dibujar el diagrama de flujo.

b) Calcular la fracción de purga.

c) Calcular el caudal molar de la corriente de recirculación.

DATOS

Reacción: N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)

RESPUESTA. b) f=0.0098; c) R=75.5 moles/h

PROBLEMA 2.3.12. En un reactor se deshidrogena propano para dar propileno:

C3H8 → C3H6 + H2

El proceso se va a diseñar para una conversión global del 95% del propano. Los productos de reacción se separan en dos

corrientes: la primera (P), que contiene H2, C3H6, y 0.555% del propano que sale del reactor, se considera como

producto; la segunda (R) que contiene el resto del propano sin reaccionar y 5% del propileno de la corriente (P), se

recircula a la entrada del reactor. Calcular:

a) La composición del producto final.

b) La relación moles recirculados por moles de alimentación fresca.

c) La conversión por paso.

RESPUESTA. a) 2.56% C3H8, 48.72% C3H6, 48.72% H2;

b) 9 moles R/moles F; c) 9.54%

Reactor Reactor

F

R

P






6/3/2019

PROBLEMA 4.1.6. A una columna de absorción entran 40 m

3/h de una mezcla gaseosa de

composición 35% en volumen de amoniaco y 65% en volumen de aire. La absorción se

verifica en contracorriente con agua que contiene un 2% en peso de amoniaco a 20ºC y 1atm,

y se ha de recuperar el 90% de amoniaco contenido en la mezcla gaseosa. Calcular:

a) La cantidad mínima necesaria de agua.

b) El número de etapas necesarias para efectuar la separación indicada, si la cantidad de agua es

un 35% superior a la mínima y la eficacia de cada etapa es del 30%.

Condiciones de equilibrio:

kg NH3/100 kg H2O 2 5 10 15 20 25 30

P* mm Hg 12 31.7 69.6 114 166 227 298

RESPUESTA. a) 34.4 kg/h; b) etapas reales=10

PROBLEMA 4.2.8. Una mezcla de 1000 kg/h cloroformo y ácido acético a 18ºC con un 35%,

en peso, de CHCl3 se va a someter a extracción con agua para recuperar el ácido. Los datos de

equilibrio líquido-líquido correspondientes al sistema cloroformo-ácido acético-agua son los

siguientes:

Teniendo en cuenta los datos anteriores, calcular:

a) Las composiciones y flujos de las corrientes de refinado y extracto, si la mezcla

CHCl3/ácido acético se trata con 500 kg/h de agua en una etapa

b) La composición de las corrientes salientes si el refinado obtenido se trata con la mitad de

su peso en agua.

RESPUESTA. a) R1=270 kg/h, x1=0.22, E1=1230 kg/h, y1=0.48; b) R2=174 kg/h, x2=0.068, E2=231 kg/h, y2=0.251


PROBLEMA 4.2.10. Se pretende separar el ácido propiónico contenido en 1000 kg de una

mezcla ácido propiónico-agua de composición 25%, en peso, de ácido propiónico,

empleando como agente extractante metil-isobutil-carbinol (MIC), que contiene un 2%, en

peso, de agua. Si la temperatura a la que se realiza la extracción es de 30 ºC y el proceso se

lleva a cabo en dos etapas operando a corriente cruzada utilizando 200 kg de agente

extractante en cada etapa. Calcular:

a) Representar el diagrama de equilibrio y las rectas de reparto.

b) Las composiciones de los extractos y refinados separados en cada etapa.

c) Las cantidades de los extractos y refinados separados en cada etapa.

Los datos de equilibrio entre fases líquidas para el sistema ácido propiónico-agua-MIC a 30

ºC y los datos de las rectas de reparto son los siguientes: REFINADO

Fase pesada, peso %

EXTRACTO

Fase ligera, peso %

CH3CH2COOH H 2O MIC CH3CH2COOH H 2O MIC 10.4 88.2 1.4 42.2 27.2 30.6

21.1 76.3 2.6 41.8 22.3 35.9

26.9 68.0 5.1 40.2 19.5 40.3

32.5 58.1 9.4 35.3 14.0 50.7

38.8 43.6 17.6 28.9 10.6 60.5

41.0 36.8 22.2 21.3 8.7 70.0

42.1 32.2 25.8 12.1 7.3 80.6

RECTAS DE REPARTO

CH3CH2COOH H 2O MIC CH3CH2COOH H 2O MIC

REFINADO EXTRACTO

2.3 96.4 1.3 8.2 7.4 84.5

4.9 93.7 1.4 14.8 8.4 76.8

7.8 90.7 1.5 21.4 9.6 69.0

11.3 86.8 1.9 28.2 11.0 60.8

36.3 49.7 14.0 36.3 49.7 14.0

RESPUESTA. a) x1=0.16, y1=0.34, x2=0.09, y2=0.225; b) R1=866.7 kg/h, E1=333.3 kg/h, R2=750.6 kg/h, E2=316.1 kg/h

Y = 46,052X4 - 13,937X3 + 4,3339X2 + 0,5772X + 0,0022 R² = 1

Y= 1,7664X+ 0,0169 Y= 2,3847X+ 0,0039

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350

Y

X

Ejercicio 4.1.6

2

1

Ejercicio 4.2.8 HAc

M1

M2

CHCl3 H2O

E2

E1

R1

R2

Ácido propiónico

M1

M2

H2O MIC

E2

E1

R1

R2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ejercicio 4.2.10






25/03/2019

PROBLEMA 5.1.12. Para la reacción irreversible A→B en un reactor discontinuo (BR), si la

concentración inicial de A es de 1 mol/l, se logra una conversión del 50% en una hora. Si la

concentración inicial pasa a ser 10 mol/l, determinar cuál será la conversión y concentración de A

después de una hora, en los casos en los que la cinética de la reacción viene dada por las siguientes

expresiones:

a) (-rA)=k·CA (reacción de primer orden)

b) (-rA)=k·CA2 (reacción de segundo orden)

c) (-rA)=k (reacción de orden cero)

RESPUESTA. a) XA=0.5, CA=5 mol/l; b) XA=0.91, CA=0.9 mol/l; c) XA=0.05, CA=9.5 mol/l

PROBLEMA 5.1.10. La ropa que se utiliza hoy en día se fabrica en una proporción bastante

importante con fibras sintéticas de poliéster. Para fabricar las fibras de poliéster se utiliza un 45%,

aproximadamente, del etilenglicol que se produce a escala mundial. El etilenglicol se obtiene por

reacción entre el óxido de etileno y agua en presencia de H2SO4 como catalizador.

En vista de la demanda existente, se desea montar una planta química para la producción de 100000

t/año de etilenglicol, utilizando un reactor continuo de tanque agitado (CSTR). El reactor operará

isotérmicamente y se piensa alimentar con una disolución acuosa de óxido de etileno con una

concentración de 0.02 mol-kg/l, junto con el mismo caudal de una disolución acuosa de H2SO4 al

0.9%, en peso. Si la constante cinética específica para esta reacción es de 0.311 min-1

, calcular:

a) ¿Qué volumen tendría que tener el reactor CSTR necesario para lograr dicha producción,

sabiendo que la conversión que se alcanza en el mismo es del 80%?

b) Si el tanque agitado que se piensa utilizar como reactor tiene 1 m de diámetro, ¿qué altura

deberá de tener el reactor?

RESPUESTA. a) 4.94 m3; b) 6.29 m

PROBLEMA 5.1.13. Se ha encontrado que para la reacción A→ 2R, la velocidad de reacción en fase

gaseosa homogénea a 215ºC resulta ser (-rA)=10-2

·CA1/2

mol/l·s. Calcular el tiempo necesario para

alcanzar un 80% de conversión, partiendo de una alimentación de A puro, en un reactor tubular

ideal que opera a dicha temperatura y a 2.5 atm de presión.

RESPUESTA. 33 segundos.

CALIFICACIONES DEL EXAMEN DE TEORÍA PREGUNTAS DE TEST NOTA RESTO DE

PREGUNTAS

Nº BIEN Nº MAL Nº EN BLANCO NOTA TEST NOTA TOTAL

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA SIMULACRO DE EXAMEN Y TECNOLOGIA DEL MEDIO AMBIENTE Bases de la Ingeniería Química (1º) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Fecha del simulacro: 11/3/2019 Fecha tope de entrega de la nota del simulacro: Miércoles 1/4/2019. Enviarla a: [email protected], indicando el nombre completo y la nota correspondiente. Alumno/a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INDICACIONES: Póngase en el cuadro la letra (en mayúsculas) que corresponda a la respuesta que se considera como más adecuada (téngase en cuenta que pueden existir una o varias respuestas correctas, pero sólo una es la respuesta más adecuada). NOTA: Cada subpregunta mal contestada resta 0.1 puntos en la nota de esta pregunta. Cada subpregunta no contestada no resta puntos en la nota de esta pregunta. Cada subpregunta bien contestada suma un 0.2 puntos en la nota de esta pregunta.

TEST (2 puntos) 1.1 El diagrama de flujo figurativo es aquel que: A. Reproduce de forma abstracta el curso de un proceso químico.

B. Especifica el tipo de aparato que se utiliza en cada operación mediante un pictograma.

C. Representa abreviadamente el curso de la producción industrial de una planta química

1.2 Un componente de enlace real es: A. Un material que está en dos corrientes de proceso distintas.

B. Una especie atómica contenida en un compuesto químico que sólo está presente en dos corrientes del proceso

C. Un material que pasa de una corriente a otra sin cambiar de aspecto ni permitir que se le adicione o se le elimine ningún material parecido.

1.3 En un sistema con reacción química, se cumplen los siguientes balances de materia: A. En masa total y los realizados a las especies atómicas

B. En masa total y los realizados a los compuestos químicos

C. En masa total y los realizados a las especies atómicas, siempre que se realicen en masa 1.4 La densidad de flujo de cantidad de movimiento es: A. La cantidad de cantidad de movimiento que se transfiere por unidad de superficie

B. La cantidad de cantidad de movimiento que se transfiere por unidad de volumen

C. La cantidad de cantidad de movimiento que se transfiere por unidad de superficie y tiempo

1.5 Las bombas de engranajes son bombas: A. Centrífugas

B. Volumétricas

C. Alternativas

2.1 La rectificación consiste en: A. Separar dos componentes basándose en la diferencia entre sus presiones de vapor

B. Condensar el vapor que sale de una columna de destilación y retornarlo a la columna de destilación para que intercambie materia con el vapor que asciende por la misma

C. Condensar el vapor que sale de una columna de destilación y retornar una parte del mismo a la columna de destilación para que intercambie materia con el vapor que asciende por la misma

2.2 El diseño óptimo de un reactor químico tiene que basarse en lograr: A. El coste mínimo del proceso químico completo

B. El coste mínimo del reactor

C. El menor tiempo de residencia en el reactor

2.3 Si en un proceso de transmisión de calor, nos indican que se están transfiriendo 100 W/m2, se están refiriendo a:

A. La densidad de flujo de propiedad intensiva

B. La concentración de propiedad extensiva

C. La densidad de flujo de propiedad extensiva

2.4. Los cambiadores de calor de flujo cruzado se utilizan con frecuencia: A. Para intercambiar pequeños caudales de calor.

B. Cuando uno de los fluidos que intervienen en el proceso de intercambio de calor es un gas.

C. Para el intercambio de calor en tanques y reactores.

2.5 En la depuración de las aguas residuales se distinguen los siguientes tratamientos:

A. Primario, secundario y terciario

B. Previo, primario, secundario y terciario

C. Previo, primario, secundario o biológico y terciario

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA SIMULACRO DE EXAMEN Y TECNOLOGIA DEL MEDIO AMBIENTE Bases de la Ingeniería Química (1º) UNIVERSIDAD DE OVIEDO Fecha del simulacro: 11/3/2019 Fecha tope de entrega de la nota del simulacro: Miércoles 1/4/2019. Enviarla a: [email protected], indicando el nombre completo y la nota correspondiente. Alumno/a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . INSTRUCCIONES: 1) Cada pregunta se deberá contestar en un folio diferente, incluido el de esta carátula de examen. Se utilizará, como máximo, un

folio para cada una de las preguntas, escribiendo los folios por las dos caras. 2) Conteste de FORMA RAZONADA y escriba ORDENADAMENTE y con LETRA CLARAMENTE LEGIBLE. 3) Todos los procesos que conducen a RESULTADOS o EXPRESIONES FINALES, así como los GRÁFICOS o DIBUJOS

deben estar suficientemente JUSTIFICADOS Y COMPLETAMENTE EXPLICADOS. 4) Si los folios en blanco recibidos para la realización del examen están numerados, escribir de forma que el nº aparezca arriba a

la derecha. Serán invalidados los folios que carezcan de nº o que no cumplan esta instrucción. Dibuja y explica los siguientes perfiles de propiedad en régimen laminar:

a) Perfil de temperatura de un fluido que circula en una conducción cilíndrica (0.4 p). b) Perfil de concentración de un líquido volátil que se evapora en un recipiente abierto en contacto con una corriente de aire (0.6 p).






28/03/2019

PROBLEMA 6.1.3. En una planta circula, en régimen estacionario, aire caliente por una tubería de 20 cm de diámetro,

la cual tiene un tramo de 50 m sin aislamiento térmico. A la entrada de ese tramo la velocidad del aire es 5 m/s, la

presión 2 atm y la temperatura 80ºC. Al final del tramo, situado 25 m más arriba, el aire está a 25ºC. La caída de presión

se estima en 700 Pa/m. Suponiendo comportamiento ideal del gas, calcular las pérdidas de calor en kW.

DATO: <Cp>AIRE (entre 25-200 ºC) = 0.241 kcal/kg ºC.

RESPUESTA: 17.35 kW

PROBLEMA 6.1.8. Desde un recipiente elevado fluye agua a través de un conducto hacia una turbina que se encuentra

a un nivel menor, y sale de la turbina a través de un conducto similar. En un punto 100 m por encima de la turbina, la

presión es 207 kPa, y en un punto 3 m por debajo de la turbina, la presión es 124 kPa. ¿Cuál debe ser la velocidad de

flujo del agua, si la turbina produce 1.00 MW?

RESPUESTA: 915 kg/s

PROBLEMA 6.1.12. Monóxido de carbono a 25ºC se quema completamente a 1 atm de presión con un 50% de exceso

de aire que se encuentra a 540ºC. Los gases de combustión abandonan el horno a 425ºC. Calcular el calor eliminado en

el horno, en kcal por kg de CO alimentado.

Datos:

Calor de combustión del CO (1 atm, 25ºC) = -67636 kcal/kmol

Capacidades caloríficas medias en kcal/(kmol·ºC): N2=7.0; O2=7.3; CO2=10.2; CO=6.9

RESPUESTA: 2426 kcal/kg de CO






11/04/2019

PROBLEMA 6.3.5. Se desea construir un acondicionador de aire con una capacidad de enfriamiento de

3.5 ton. El acondicionador operará en un ciclo normal de refrigeración por compresión de vapor con

expansión adiabática y reversible. El refrigerante empleado será NH3. Las temperaturas del

evaporador y el condensador se mantendrán a 7.2ºC y 76.6ºC respectivamente.

a) Dibujar el diagrama de flujo del proceso y representarlo de forma teórica en un diagrama T-S

y P-H.

b) Representar el proceso en el diagrama presión-entalpía para el NH3 y determinar el caudal

del refrigerante, la potencia del compresor y el coeficiente de funcionamiento.

Dato: 1 ton=3024 kcal/h

RESPUESTA. b) 46.9 kg/h, 5.33 HP y COF=3.62

PROBLEMA 6.3.6. Una bomba de emergencia de una refinería se va a impulsar mediante una parte del

trabajo generado en una turbina de vapor. En el sistema de generación de vapor, que funciona según

el ciclo de Rankine con recalentamiento, el agua se introduce a la caldera a 8 atm y el vapor

producido se expande en la turbina hasta 1 atm. La turbina y la bomba pueden ser considerados

como adiabáticos y reversibles.

a) ¿Cuánto trabajo neto se produce por kcal suministrada a la caldera?

b) Determina el recalentamiento necesario.

c) ¿Cuál sería el rendimiento térmico del ciclo si el sistema operase según un ciclo de Carnot entre la

temperatura baja de ciclo y la máxima temperatura del recalentador?

DATOS

- Entalpía del agua como líquido saturado a 1 atm=100.04 kcal/kg.

- Volumen específico del agua como líquido saturado a 1 atm=1.0435 dm3/kg.

RESPUESTA. a) ղ =0.17 kcal/kcal suministrada; b) ∆T=168ºC; c) ղ =39%






02/05/2019

PROBLEMA 6.5.5. Un biodiesel de composición 84% de C y 16% de H2 en peso, se quema en un

horno con aire enriquecido dando un gas de chimenea con la siguiente composición molar en base

seca CO2: 13.2%; O2: 6.4%; N2: 80.4% (en volumen). El aire enriquecido se obtiene mezclando una

corriente de aire con oxígeno puro. Tanto el biodiesel como el aire enriquecido, se alimentan al

horno a 298 K en el cual las pérdidas de calor se han estimado en 125000 kJ/ 100 kg de biodiesel

alimentado. Calcular:

a) Los mol-kg de gas de chimenea producidos por 100 kg de biodiesel.

b) Los mol-kg de agua que acompañan cada 100 mol-kg de gas chimenea seco.

c) La composición del aire enriquecido y el exceso de oxígeno respecto del estequiométrico.

d) La temperatura de salida del gas de chimenea.

Datos: Entalpías de combustión a 298 K

C + O2 CO2 HC = -393.51 kJ/mol de C

H2 + 1/2 O2 H2O HC = -241.84 kJ/mol de H2

Suponer los siguientes valores medios de los calores específicos molares (kJ/mol-kg·K)

CO2 = 54.6; O2 = 35.12 N2 = 33.35; H2O(g) = 43.41

RESPUESTA. a) 61.03; b) 15.09; c) %O2=25.23, %N2=74.77, exceso=30.8%; d) T=2308K

PROBLEMA 7.2.5. Una de las partes más importantes del proceso de obtención de gluten a partir

de cereales, es el secado del cereal. Se procesan 333 t/día de dicho material con una cantidad inicial

de agua del 45% y sale con un contenido en agua del 5%. El aire que se emplea para secar el cereal

entra a 60ºC y con 10% de humedad relativa. Si el proceso de secado es adiabático, calcular:

a) El agua evaporada

b) El aire seco mínimo necesario.

c) El volumen de aire a la entrada.

d) Condiciones de salida del aire.

RESPUESTA. a) 140.21 t agua/día; b) G=10785 t aire seco/día; c) V=431400 m3 aire/h; d) T2=29ºC, Y2=0.025 kg vapor/ kg aire seco

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