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Problemas de Bases de la Ingeniería Química (1º Grado IQ) (Curso 2017-2018) 1

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Segundo Cuatrimestre

Y TECNOLOGIA DEL MEDIO AMBIENTE Curso 2017/2018

UNIVERSIDAD DE OVIEDO Prof.: José R. Paredes Álvarez

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

5/2/2018

PROBLEMA 1.2.1. Conversión de unidades:

Para la resolución de problemas de flujo de fluidos, resulta de gran utilidad agrupar diversas

variables del proceso de forma que resulte lo que se denomina un número adimensional. Uno de los

más empleados es el de Reynolds, definido como:

La velocidad se calcula mediante el cociente entre el caudal del fluido y la sección disponible para

el flujo. Determinar el número de Reynolds para:

a) 35 scfm (standard cubicfeet minute) en condiciones estándar de un gas ideal (aire) que circula por

una tubería 1.25” de diámetro, si su viscosidad es de 10-2cp, a una temperatura de 25 ºC.

b) Agua que circula a 200 gpm (gallons per minute) por un tubo de sección de 0.54 in2. Densidad 1

g/cm3 y viscosidad 10-3Pa·s.

RESPUESTA. a) 7.9·104 ; b) 7.2·105

PROBLEMA 2.9.6. En un horno se quema aceite combustible con aire seco a 25ºC y 1 atm. El

análisis Orsat de los gases de combustión es a 290 ºC y 1 atm, de 12.9% de CO2, 3.8% de O2 y

83.3% de N2. Suponiendo que el aceite contiene sólo carbono e hidrógeno calcular:

a) Porcentaje de aire en exceso.

b) Tanto por ciento de carbono en el aceite.

c) m3 de aire/kg de aceite.

d) m3 de gases de combustión/kg de aceite.

RESPUESTA. a) 20.72%; b) 87.7%; c) 14.6 m3 aire/kg aceite; d) 29.0 m3 aire/kg aceite






20/2/2018

PROBLEMA 2.3.10. La glucosa isomerasa inmovilizada se emplea como catalizador en la producción de fructosa a

partir de glucosa en un reactor de lecho fijo (el disolvente es agua). Para el sistema de la figura, se tiene una

alimentación (F) que contiene un 40% de glucosa en agua y la concentración de fructosa a la entrada al reactor (T) es de

4%. ¿Qué porcentaje de conversión por paso de glucosa tiene lugar en el reactor, si la razón entre el flujo de salida y el

flujo de recirculación en unidades de masa es de 8.33?

RESPUESTA. a) X=0.925

PROBLEMA 2.3.11. El metanol puede producirse mediante la siguiente reacción:

CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O

La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones estequiométricas y 0.5 %

en mol de componentes inertes (I). El flujo de salida del reactor pasa a un condensador, que extrae esencialmente todo

el metanol y el agua formados, pero no así los reactivos ni los componentes inertes. Estas sustancias se hacen recircular

al reactor. Para evitar que se acumulen las sustancias inertes en el sistema, se extrae un flujo de purgado de la

recirculación. La alimentación al reactor contiene un 2% de sustancias inertes, y la conversión por paso es del 60%.

Calcular para una velocidad de producción de metanol de 1000 mol/h:

a) La velocidad de flujo molar de la alimentación fresca.

b) La velocidad de flujo molar de la alimentación total del reactor.

c) La velocidad de flujo molar del flujo de purgado.

RESPUESTA. a) 4456 moles/h; b) 6803 moles/h; c) 456 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






7/3/2018

PROBLEMA 4.1.6. A una columna de absorción entran 40 m3/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. b) R1=270 kg/h, x1=0.22, E1=1230 kg/h, y1=0.48; c) R2=174 kg/h, x2=0.068, E2=231 kg/h, y2=0.251


PROBLEMA 4.2.9. 45 kg de una disolución que contiene un 30% de etilenglicol en agua se

va a tratar con furfural para recuperar el etilenglicol. A partir de los datos de equilibrio a

25ºC y 101 kPa, dibujar el diagrama triangular. Datos de miscibilidad:

Furfural (%) Etilenglicol (%) Agua (%)

94.8 0.0 5.2

84.4 11.4 4.1

63.1 29.7 7.2

49.4 41.6 9.0

40.6 47.5 11.9

33.8 50.1 16.1

23.2 52.9 239

20.1 50.6 29.4

10.2 32.2 57.6

9.2 28.1 62.2

7.9 0.0 92.1

Etilenglicol en furfural (%)

Equilibrio mutuo

(rectas de reparto)

Etilenglicol en agua (%)

49.1 49.1

48.8 32.1

41.8 11.5

28.9 7.7

21.9 6.1

14.3 4.8

7.3 2.3

Asimismo, teniendo en cuenta los datos anteriores, calcular:

a) La cantidad máxima y mínima de disolvente que se ha de emplear.

b) El peso de extracto y refinado libres de disolvente, si se emplean 45 kg de disolvente, y el

porcentaje de etilenglicol extraído.

c) La pureza máxima de etilenglicol en el extracto, y la máxima pureza de agua en el

refinado que se puede conseguir con una sola etapa de equilibrio.

RESPUESTA. a) Smin= 4.45 kg, Smax= 598 kg; b) R1,libre= 30 kg, E1,libre= 14.9 kg, 86% ; c) 47.5% en etilenglicol, 91%

en agua.


DEPARTAME&TO DE I&GE&IERIA QUIMICA Segundo Cuatrimestre Y TEC&OLOGIA DEL MEDIO AMBIE&TE Curso 2017/2018 U&IVERSIDAD DE OVIEDO Prof.: José R. Paredes Álvarez Bases de la Ingeniería Química (1º) Prácticas de Aula (PA-4) 26/03/2018

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. En un reactor de mezcla completa de 120 l se efectúa, en condiciones estacionarias, la reacción

en fase líquida:

k1

A + B ↔ R + S: k1 = 7 l/mol min; k2 = 3 l/mol min.

k2

Al reactor entran dos corrientes de alimentación con caudales iguales: una contiene 2.8 mol de A/l, y la otra 1.6 mol de

B/l. Se desea que la conversión del componente limitante sea del 75% (ver la figura). Calcular el caudal de cada

corriente, suponiendo que la densidad permanece constante.

RESPUESTA. a) 4 l/min 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. a) 33 segundos.

8

2.8 mol A/litro

1.6 mol B/litro

75 %conversión de B

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: 28/3/2018 Fecha tope de entrega de la nota del simulacro: Miércoles 16/4/2018 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: 28/3/2018 Fecha tope de entrega de la nota del simulacro: Miércoles 16/4/2018 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).






09/04/2018 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. a) 915 kg/s

PROBLEMA 6.1.11. Un calentador de agua se alimenta con dos corrientes que tienen distinta temperatura. La primera

corriente de agua entra a 30 ºC y se alimenta con un flujo másico de 120 kg/min. La segunda entra a 65 ºC y se alimenta

con un flujo másico de 175 kg/min. La presión en el calentador es de 17 bar (absoluta). Sabiendo que la corriente que

sale del calentador circula a través de una tubería de 6 cm de diámetro y está saturada a la presión del calentador,

calcular el flujo de entrada de calor que se deberá disipar en el calentador en kJ/min.

Nota:

No considerar las energías cinéticas de los flujos líquidos de entrada.

Volumen específico del vapor saturado a 17 bar: 0.1166 m3/kg

120 kg H2O (l) / min30 ºC, H = 125.7 kJ/kg

175 kg H2O (l) /min65 ºC, H = 271.9 kJ/kg

295 kg H2O (v) / min17 bar saturado (204 ºC),H = 2793 kJ/kgtubo de 6 cm de DICalor

Q (kJ/min)

RESPUESTA. a) 767335 kJ/min






19/04/2018

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) 49.8 kg/h, 5.99 HP y COF=2.73

PROBLEMA 6.3.3. La eficacia térmica del ciclo de Rankine puede aumentarse usando mayores

presiones en la caldera. Sin embargo, hay unos límites de temperatura y presión para la resistencia

de los tubos. Con objeto de mejorar el ciclo se recalienta el vapor, expandiéndolo por etapas, y se

instalan en la caldera unos tubos que pueden resistir hasta 60 atm y una temperatura de 460ºC. El

condensador trabaja a 65ºC.

a) Si se opera en un solo ciclo sin recalentamiento adicional, ¿cuál será la presión máxima alcanzada

y la eficacia?

b) Si la presión se aumenta hasta el límite de resistencia de los tubos y se recalienta, ¿cuántos

recalentamientos serán necesarios, cuál es la temperatura del último recalentador y cuál la eficacia

total?

DATOS: Entalpía del agua líquida saturada a 65ºC=64.93 kcal/kg

RESPUESTA. a) P=6.3 atm y ղ =24.8%; b) 1, T=450ºC y ղ =35.9%

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.






03/05/2018

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 7.2.4. En un secadero adiabático entran 2000 kg/h de un producto con una humedad

del 30% y en él ha de reducirse esa humedad hasta el 4% (referidas las humedades al sólido

húmedo). La temperatura de entrada y salida del sólido en el secadero es de 30ºC, y el proceso se

efectúa a 760 mm Hg. Para el secado se dispone de aire a 20ºC con temperatura húmeda de 10ºC, el

cual se precalienta y se mezcla con una parte de aire de salida (a 34ºC; Y =0.020) entrando al

secadero con una humedad de 0.008 kg agua/kg aire. Calcular.

a) La cantidad de aire que entra en el secadero.

b) La temperatura de entrada de aire en el mismo.

c) La cantidad de aire que recircula.

d) La cantidad de calor suministrada al aire.

RESPUESTA. a) G=45503 kg aire húmedo/h; b) T=62.5ºC; c) G=11512 kg aire húmedo/h; d) Q=426044 kcal/h

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