GUIA DE ANALISIS DE BIOPROCESOS

BALANCE DE ENERGÍA

1. En un horno adiabático se quema carbón (73% en peso C, 5% H, 3% S, 7%H2O y 12% ceniza) con 150% de exceso de aire. El aire contiene 0,01388 lb de agua/lb de aire seco. El carbón y aire ingresan a 77°F. El gas y la escoria (29% en peso C, 2% de S y 69% de ceniza) salen a la misma temperatura. El gas se utiliza para secar 1000 lb/min de un mineral desde 58% de humedad y 110°F hasta 13% y 110°F. El gas sale del secador a 249°F. Suponiendo que el carbono se quema para dar sólo CO2. (Cp escoria = 0,22 BTU/lb°F). Calcular:a. Consumo de carbón y aireb. Temperatura de los gases a la entrada del secador.

2. Se quema metano con un 70% en exceso de aire en un horno de combustión continuo. El aire, antes de ser introducido en el horno, se precalienta en un cambiador de calor con los gases de combustión, aumentando su temperatura desde 25ºC hasta 200ºC. Si los productos de la combustión salen del horno a 800ºC, y se desprecian las pérdidas de calor hacia el ambiente, ¿a qué temperatura saldrán los gases de combustión del precalentador?

3. 200 gal/h de agua se llevan desde el fondo de un pozo de 150ft de profundidad hacia un estanque cuyo nivel esta a 30ft sobre el nivel del terreno. Para evitar congelamiento en invierno se usa un calefactor que le entrega 60000 BTU/h al agua circulante. El sistema total pierde 25000 BTU/h hacia el exterior. Se usa una bomba de 2Hp y un 55% de la potencia se usa en el trabajo de bombeo y el resto se disipa como calor a la atmósfera. Calcular el aumento de temperatura del agua.

4. Para un uso industrial es preciso generar 250 kg/h de vapor de agua a 15 bar y 280 ºC. Se dispone de una caldera que puede alimentarse con agua desionizada a 20 ºC y gas natural (que puede considerarse metano puro) cuyo calor de combustión es 10.000 kcal/Nm3. En las condiciones de operación el 80 % del calor generado en la combustión del gas se aprovecha para producir vapor (rendimiento de la caldera 80%, perdidas de energía 20%). Justificar si el vapor que se produce es saturado o sobrecalentado. Estimar el flujo másico (kg/h) de gas natural que es preciso quemar en la caldera.

5. El proceso de la figura intercambia calor (en C1 y C2) entre las corrientes 1 (3600 kg/h de agua a 100°C y 5bar), 6 (500 kg/h de vapor de agua a 280°C y 20 bar) y 9 (vapor de agua a 200°C y 10 bar) y las mezcla para conseguir la corriente 5, que debe salir a 200°C y 25 bar.

Del proceso se sabe también que las corrientes 3 y 10 se encuentran como líquidos saturados y que el consumo de la bomba es 2.675 kW. Calcule:a. Los flujos másicos (kg/h) de las corrientes 9 y 5.b. El estado de la corriente 8.c. Los flujos térmicos (kW) que intercambian C1 y C2.d. La temperatura de la corriente 2.

(Presiones: P1=P2=P3=P8=P11=P12=5 bar; P9=P10=10 bar; P6=P7=20 bar; P4=P5=25 bar)

6. Una industria química dispone de una caldera que usa como combustible una mezcla de CH4, C2H6 a 1 atm y 77°F y un flujo de aire de 900 ft3/h (medidos a 1 atm y 77°F). El aire contiene 0,01 gmol H2O/gmol de aire seco. Los gases de salida del horno tienen la siguiente composición molar: 5,1588% de CO2; 0,5732% de CO; 9,7146% de O2; 9,5534% de H2O y 75% de N2. Estos gases se llevan a la caldera para generar vapor saturado y sale de ella a 400°C, a la caldera se alimenta agua líquida a 80 psia y 20°C. Calcular:a. Composición molar y flujo volumétrico de combustible.b. Producción de vapor.c. % de exceso de aire usado.d. Composición de gases de salida y producción de vapor si se reduce a un 25%

el consumo de combustible suponiendo que no cambian las temperaturas de entrada y salida y el flujo de aire.

7. Aire a 20 º C y 2 atm de presión absoluta entra a un calentador de vapor a través de un tubo de 50 mm a una velocidad promedio de 15 m/s. Sale del calentador a través de un tubo de 65 mm a 90 º C y a 1,6 atm de presión absoluta. ¿Cuál es la velocidad promedio de aire a la salida?

8. Uno de los procesos que implica la deshidrogenación catalítica en presencia de hidrógeno se conoce con el nombre de “hydroforming”. Durante la Segunda Guerra Mundial, este proceso tuvo gran importancia como ayuda para satisfacer la demanda de tolueno para la manufactura de explosivos. El tolueno, el benceno y otros derivados aromáticos pueden producirse económicamente en esta forma a partir de cargas de alimentación constituidas por naftas. Después de separar el tolueno de los otros, se condensa y se enfría en un proceso como el que se

muestra en el diagrama de flujo. Por cada 100 lb de alimentación cargada al sistema, se producen 27,5 lb de una mezcla de tolueno y agua (9,1 % en peso de agua) como vapor el cual se condensa mediante la corriente de la alimentación. Calcular: a) la temperatura de la carga de alimentación después de salir del condensador y b) las libras de agua de enfriamiento requeridas por hora.

9. 100 mol/min de una equimolar de CO y H2 con un 2% de N2 a 50°C y 1atm, se comprime isotérmicamente hasta 300 atm. La mezcla se alimenta a un reactor adiabático para producir metanol (CH3OH) con una conversión del 70%. Suponiendo comportamiento gas ideal. Calcular:

a. Composición molar de los gases a la salida del reactor.b. Potencia del compresor en hp, si su eficiencia es de 90%.c. Temperatura de los productos del reactor.d. Flujo de calor transferido si el reactor opera a 300°C.

HORNO

SE

PA

RA

DO

R

CONDENSADOR

ENFRIADOR

H2O, 65ºF

H2O, 130ºF

300ºF, 1 atm

100ºF, Tolueno, agua

200ºF, 1 atm

Alimentación, 60ºF, 48000 lb/h