capitulo 1 balances de materia y energía, dr. antonio valiente

5/14/2018 Capitulo 1 Balances de Materia y Energa, Dr. Antonio Valiente

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. - - - - -


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P R O B L E M A S D E B A L A N C E SD E

M A T E R IA Y E N E R G IA


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PROBLEMAS DE BALANCESDE,-M ATER IA Y EN ERGIA

ANTON IO VALIE NTERUD I PRIMO T lA CA T ZIN S TiV ALE T

Profesores de lo Facultad de Quimica,Universidad Nacional Atenorno de Mexico

~lh':lmhra~exIcaiia.


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PRIMERA EDiCION, 1991 EDITORIALALHAMBRAMEXICANA, S.A. DE C.V

Amores 202703100 Mexico, D.F.CNIEM 1031Reservadostodos 1 0 5 derechos. Ni 1 0 totolidad niparte de esto publicocien pueden reproducirse,registrarse 0 tronsmitirse. por un sistema de recuperccicnde informacion, en ninguna forma ni par ningun media,sed electrenico, meccnico, fotoquimico, magneticoo electrooptico, por Iotocopic, grabaci6n a ruclqui .." oiro,sin permiso previo por escrito del editor.El prestomc, olquilet a cualquier otro forma de cesicnde usa de esre ejemplor requeriro tornbien 10 outorizociondel editor 0 de susrepresentontes,ISBN 968 444 109 6Compcsicicn tipagroiica, formecion Y cubierto: Fotodisei'ia, S.A de c.v,Impreso en Mexico - Printed in Mexico


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a Silvia q.e.p.d.


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PROLOGODe ocuerdo can 1 0 op;ni6n de 10 moyorio de los quimicos, ingenieros e ;ngenieros en olimenlos,el conoc.imienlo m(h directomenle relocionodo can 1 0 practico pro/esional es el de 10eslequio-metria 0los balances de molerio y energio.Estos conoomientos se imparten durante los primeros semeslres de 1 0 5 corrercs en laspro/esiones antes mencionodas y en los relaeionados con elias pues son los pi/ores sobre /05 quese as;entan los demos conocimienttis que deberan ddquirir.Hay bastonles obras dedicodas a 1 0 ensenan,la de los balances de materia y energia; sin

embargo en elias es notable 1 0 ousencia de uno odecvodo metodo/ogia para 1 0 resolueion delos problemas, pues en 10 mayor porle de los textl)!; Elslooorece estor bosada en /0 intuicion 01ser presenloda sin orden 0sin uno .lew encia que /leve gradualmente a los resuilodos. Esta obroes el re5ullodo de 10 experiencia acumulado durante 10 on05 de impartir los catedras debalances de materia y de energio 0 de estequiomelria, uti/izondo como base los librosProblemas de Balances de Materia y Problemas de Balances de Energio publieado. anterior-mente par Editorial Alhambra.

Durante' ese tiempo nos dimoscuanlo que /0 meior forma de impartir esos conocimientos esmedianle ' 0 presentaeion stmultonaa de los balances de materia y de energio, en vel dehafer/o en una forma fracturada, as deeir; presentando primero 105balances de maleria yluego los de energia.EI mllodo presentado en esta obra es integradar de los conodmienlos. Por ofro lado,

seguimos ulilizondo 1 0 metoda/agio arig.ina.1 de 105 obras antedores para 10 reso/ueion deproblemas, 1 0 cuol consla de cuatro elopes: traduceion, pion/eomienla, colculo y presenlacionde resultodo. Esta metod%gia ha prabado ser muy adecuado para lo resolucion de problemasy ha sido ulilizoda ampliamenfe par la5 au/ores y muchO$ prolesores, tanto en los cursos debalances como en otros relacionodos con 10ensenanza de las profe'siones de los areas quimica yiisico .La obra eS/ci pensatit: como el complemenlo de uno close le6rico; es par el/o que so/amenta

se planteo 1 0 teorio necesario para /0 resolueion de los problemas presentados y conliene grannumero de open dices y lablos que /0 haeen autosufic;enle y muy uti! tonto para esludiantescomo pora los profesionoles de 1 0 ingenieria y de 1 0 quimica.La obra con t;ene uno gran canfidad de problemas resueltos, osi como tambien de problemas

propuesl05 con sus respuestas. EI sistema de unidades preferentemente utilizado es el MK5 deingenieria, pera sa uti/iza tombien el sistema 51y al ingles para familiarizar 01 esludianle con'odos los sistemas emp/eodos en /0 practico profasiona/.

VII


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En esla nueva ohm hem05 querido verter todo nuestro experiencia ocumu/ado, as; como losconseios que nos hicieron /legor /05 caled,aticos, estudiontes y profesiono/es que en numerososuniversidodes y tecno/6gicos de Mexico, Latinoameriw, Espano y los E .U .A . uti/izoron nues/rosobms. A 'odos ellos nuestro gratilud y e/ deseo de que esto nuevo edici6n sea de su ogrado.

Los au/oresodubre 1990

VIII


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C O N T E N I D OIntroductionObjetivos , .Ingenierio quimica .................................................Campo de lo ingenieria quimica .....................................Balances de materia y energia ........................................Diagramos de fluio .................................................Diagromas de bloque .Diagramos con equipos .............................................Simbologia utilizado .Diagramas de instrumentad6n ........................................Combinaci6n de equipos para former procesos ..........................Nomenclatura .Combinoci6n de los diogramos de equipo y nomenclatura .Operaciones unitorios .Procesos unitarios .Resoluci6n de problemas ..........................................Problemas resueltos .................................................Problemas propuestos .

2 VariablesObjetivos 49Unidades y sistemas ................................................ 49Conversion de unidodes 51Congruencia de una relaci6n matem6tica ............................... 51Variables relacionadas con la materia 52Tronsformccion de 1 0 energia 65Transmisi6n de la energio 66ley de la c:onservaci6n de 1 0 energia 66Procesos ...................................................... 67Problemas resuelros ................................................ 69Problemas propuestos 95

3 Balances de mtlteria y energia, generalidades 105Objelivos ......................................................... 107Breve resumen te6rico ............................................. 107Balances simples de mosa 109Mezclado .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109Seporaci6n ........................................................ 110

IX

13337788920212224252526283747


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Contacto a c:ontracorriente 110Contocto en paralelo 111Balances con recirculocion 111Balances con derivocion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112Balances usando el equilibrio fsico .-........................... 113Balances con reoccien quimica 114la ecuecien quimica; estequiometria 114Balances en regimen no permanente 117Balances de energia 117Problemas resueltos .......................... 119Problemas propuestos 156

4 Balances de materia y energia en equipos paratransferir calor . . .. 163Objetivos 165Breve introdeccicn teorico ............................................ 165Equipos utilizados .............................................. ", . .. 165Balances de energio 166Vapor de ogua : 172Problemas resueltos 174Problemas propuestos 191

5 Balances de materia y energia en mezclado y evaporation 197Objetivos 199Flujo de fluidos 199Equipos en usa ............... ,................................... 199Mezdado 201Equipos empleados 201Balances de masas en fluios de fluidos ~. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 202Balances de rnoso en mezdado 203Balances de energio en mezdado 204Regia de 10 polcnco 207Diagromos triangulares '. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 208Gases y mezcla de gases 211Evoporccion ...................................................... 215Balances en un evaporador 216Problemas resueltos 219Problemas propuestos 268

x

6 Balances en las operaciones unitarias de extraction liquido-liquido,lixiviacion y cristalizacion 277Objetivos 279Extracc:i6n solidc-liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 279Equipos utilizados 279Balances de materia 282Extracci6n liquido-liquido 287Equilibrio ' 287Equipos 2898alances de materia 290


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Cristalizad6n " , .. , , ,..... 292Aporctos " , , .. ,.. 292Equilibria , , ,', .. , .. ,.. 293Balances de materia ' , , , .. , , .. , .. 294Problemas resueltos , .. , .. , .. " .. , "...... 295Problemos propuestas ., , .. " , , .. , .. ,................... 331

7 Balances de materiay energia en la operacion unitaria dedestilacion .. ,." , , , , .. "." .. ,..... 340Objetivos " .. , .. , , , " , "." .. ,..... 343Breve imroduccion teo rico " .. , .. , .. " " , "..... 343Temperatura de ebullicion de soludones llquidos ideales 346Equilibria vopor-liquido , , " .. ,..... 346Diagramos de equilibrio para rnezclos binaries ideoles .".,', .. ,." .. " .. , .. 353Diagramos de entalpia-concentraci6n .. , . , ... , .. , .. , .. " .. " , .. ,., .. 354Balances en rectificadores' . , .. , , , , .. , , , .. , , .. , .. , ' . . . .. 356Problemas resueltos .. , , , .. , ,................. 357Problemas propueslos , ...................... , , .. ".. 399

8 Balances en operaciones aire-agua , "., .. , , .. ".,... 411Objetivos ., .... "., ..... , ... , .. "., .. , , , , , .. ,..... 413Equili brio enlre un liq uido y un gas insoluble en el liquido , .. ,............ 413Acondicionamienlo de aire , , , .. ,....................... 419Secodo " .. "., , , , .. ,.. 420Enfriomiento de -agua ., ,., , , ,................ 421Problemos resueltos , , ,.................. 422Problemas propuestos ., , , ". 468

9 Balances de balances de maleria y energia en reacciones quimicas , 479Objetivos .. " .. , ' , , 481Reacciones quimicas ., .. " , .. " , ,.,." .. ,." .. " .. ,Closificocicn de reacdones , , .. , , .. " .. , , .. , .Reactivo Jimitante , , , .Rendimiento , .. , , , ........ ,

4814814824824B2483483484486

Reactivo en excesoReo crores , " , "." .Balances ., .. ,. " .................................................La reoccion quimica y la energio , ..Calor estondnr de reoccicn , , .. , , , _., , , .. , , .. , .Colores de formccion , .. " , , .. , .. , , ,., .. " .. ,. 486Calores de combustion " , . , , .. , , .. , .' , , , . , .. 487Calores de reaction a una temperatura diferente de lo estandar .. , , .. ,' 488Reacdones adiab6ticas , ".......... 489Colores de reaccion a volumen comtante 491Poder colorifico de aceites combustibles. carbone, y madera 492Problemas resueltos , .. " .. ,................................ 493Problemas propuestos , .. ,." , , ,.............. 552

- - ' X I


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Apendices 565Apendice I: Conversiones mas comunes , , . , 567Apendice 11: Pesos otornicos inlernadonales (1961) , .. ,.,.,.......... 570Apendice III: Propiedades crificos ', , .. " " .. , 571Apendice IV: Conslanles de Van der Waals , , .. , . , .... ' ........ , ,. 572Apendice V: , , ... , , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 573Apendice VI: Propiedodes de algunos compuestos organicos , .. 574ApEmdice VII: Punto de fusion, color latente de fusion, punto de ebullici6n y color

, latenfe de vaporizaci6n de algunos sustcncios .,............. 575Apendlce VIII: Presi6n de vapor del agua en mm de Hg ., ................ 576Apendice IX: Capacidad calorifica a presion constante de algunos gases ..... 577Apimdiee X: Ca!ores espedficos promedio de algunos gases en fundon de 10

temperatura , .. , "................. 578Apendice XI: Capaddad ealorifiea molar promedio a presion constante de algunosgases org6nicos ..................................... , 579Apendice XII: Capaddades calorificas de disoluciones ocuosos a 20C 580

'Apendke XIII: Capacidad calorifico de algunos compuestos y elementos so lidos . 581Apendice XIV: Calores espedficos de gases y va pores ... , .. , ... ,.......... 582Apendice XV : Calores latentes de vcporizooon . ,....................... 584Apendice XVI: Calores especificos de liquidos .... ,....................... 586Apendice XVII: Entalpias del vapor de agua saturado 588Apendice XVIII: Entalpias del vapor sobre colentado Keal/kg ............... 589Apendice XIX: Diagrama de Mollier para el agua 590Apendice XX: Calores integrales de disoluci6n a 25C , "... 591Apendice XXI: Calores integrales de disoluci6n a 25C ., ,........... 592Apendice XXII: Capaeidad calorifiea de los disoluciones de acido sulfurico 593Apimdice XXIII: Calores de disolucion del 6ddo sulfurico .. ,................. 594Apendice XXIV: Diagrama entalpioconcentroci6n para los disoluciones 6cuosas de

6cido clorhidrieo ..................................... 595Apendice XXV: Diagrama entolpio-concentrccion para las disoludones acuosas de

6eido sulfurico a uno atmosfera , , , " 596Apendice XXVI:Apendice XXVII:Apendice XXVIII:Apendice XXIX:Apendice XXX:Apendice XXXI:Apendice XXXII:Apendice XXXIII:Apendice XXXIV:Apendice XXXV:Apendice XXXVI:Apendice XXXVII:Apimdice XXXVIII:Apendice XXXIX:

Dioqromo entalpia-concentraci6n para los disoluciones de hidr6xidosodico '" _. _ _ _. __ .Constantes de Antoine ..............................Diagrama de presion de vapor de Cox , .Diagromo de DGhring para las disoluciones de NaCl .Diagromo de DGhring para las disoluciones de NoOH ., ,.Diagramo de Duhring para los disoluciones de H,SO, .Constantes de equilibrio ,., .... , , .Diagroma psicrometrico ..... ,",., .....Carta psicrornetrico 0586 mm Hg , , .. , .. , .

597598599600601602603604605606

Entalpias de formaci6n de algunos compuestos a 25C ....... 607Colo res de combustion ......................... 611Densidad del agua ................ ,................ 613Densidades de liquidos en funcion de 1 0 temperatura. Valores de(X, Y) ......................... , _. 614

X U


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Nomenclatura usada en esta obra 617Paro indicar prapiedades de 10 materia ................................ 619Para indicor flujos 620Poro indicar concentraciones 620En balances de energia 621Uso de 10 nomenclatura en relocion con 10 simbologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 622Operaciones con 10 nomenclatura usada 623

Bibliografia ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 624

X I I I


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CAPITULO 1

INTRODUCCION


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OBJET IVOSAI finalizar la lectura de este capitulo, el lector: a) Co-nocera los distintos diagramas de flujo y la simbologiausada en ingenieria quimica. b) Sera capaz de apliearlos simbolos a los proeesos qufmieos. c) Sera capaz deinterpretar los procesos presentados en un diagramade flujo deingenierfa qufmiea.

INGENIERIA QUIMICALa ingenierfa quimlca es la rama de la Ingenieria que estudia las trans-

formaciones fisicas y qulmlcas a que se someten las materias primas paraobtener productos y servicios utiles al hombre; estudia tambien la formaen que se pueden elaborar esas transformaciones mediante un proceso detransformaci6n eficiente, as! como el disefio y la especificaci6n de los equi-pos y aparatos con los cuales pueden IIevarse a cabo esas transformaciones,y la mejor manera de manejarlos y controlarlos.Para esto, la ingenieria quimica se basa en los conocimientos que aportan

la Fisica, la Quimica, las Matematicas y en especial la Fisicoquimica. Lalorna de decisiones, sin embargo, requiere ademas la utilizaci6n de cono-cimientos humanisticos, de gerencia, economia y administraci6n, para quela realizaci6n de estudios previos de factibilidad econ6mica conduzcan ala consecuci6n de soluciones 6ptimas no s610 desde el punto de vistatecnico, sino tambien socioecon6mico.

CAMPO DE LA INGENJERIA QUIMICADurante la planeaci6n de un proceso de manufactura el ingeniero quf-

mico, junto con otros ingenieros y cientificos, debe: definir los problemas,determinar el objetivo, considerar las limitaciones de tiempo, materialesy costo, y en consecuencia, disefiar y desarrollar la planta de proceso.Una vez instalado el equipo de proceso, el ingeniero quimico permanece

con frecuencia en la planta para supervisar y administrar la operaci6n, as![3]


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4 PROBLEMAS DE BAlANCES DE MATERIA Y ENERGIAcomo para asegurar el control de calidad y el mantenimiento de la pro-duccion. Otros ingenieros quimicos se ocupan de futuros aumentos encapacidad y la incorporaci6n a la planta de nuevos equipos y procesos.Debido a su preparaci6n, los ingenieros quimicos resultan de mucho

valor en el mercado de la venta de equipo, plantas y productos terminados.A continuaci6n reproducimos, para completar 10 antes expuesto, las

atribuciones profesionales del ingeniero qulrnico que fueron aprobadas enel IV Congreso Interamericano de Ingenieria Quimica, realizado en BuenosAires en 1969 y que son las siguientes:

1. Investigaci6n en el dominio de las ciencias de la ingenieria quimicay de sus tecnologias de aplicaci6n.2. Disei'io, calculo y montaje de equipo e instalaciones para las indus-

trias de proceso.3. Manejo y control de la produccion en plantas e industrias de proceso.4. Asesoramiento tecnico en la venta de equipos- para las industrias de

proceso y de productos para las mismas.5. Adrninistracion de empresas en la industria de proceso.6. Planificaci6n y desarrollo de las industrias de proceso,7. Ensefianza de las ciencias de la ingenieria quimica y de sus tecnologiasde aplicaci6n.


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INTRODUCCION

Relaci6nque guarda la ingenie(iaqulmica con otras ingenierias.

Fuente: E. Martinez Stienz y V. Mayagoitia. Estudios de especi.Jlizaci6n y gndo en ingeniertlqufmica. CONACYT. Mexico, 1976.

5


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8 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIAb) Diagramas con equipo.c) Diagramas de instrumentaci6n.

DIAGRAMAS DE BlOQUEEn ellos se presenta el proceso 0 las diferentes partes de un proceso pormedio de cajas 0rectangulos que tienen entradas y salidas. Sobre el rec-tangulo se suele poner la indlcacion de 10 que representa el rectangulo,mientras que sobre las Ifneas que representan corrientes de entrada 0 salida

se indira la naturaleza de estas corrientes (sustancia, flujo, temperatura,presion, concentraci6n, etc.).~----------------~I I

III A - a.zufre

B - aireC - aguaD - H,SO.Plan!a deacidosulturico

III, IL ~

DIAGRAMAS CON EQUIPOSEn estes se muestran las interrelaciones entre los equipos mayores por

medio de lineas de union. Para representar los equipos se usan simbolosque recuerdan el equipo 0 los equipos usados. Las propiedades ftsicas, lascantidades, temperatura y laspresiones de los rnateriales son parte impor-tante de estes diagram as. Estos valores se indican en tres formas: poniendosobre cada linea los datos, identificando cada linea con un nurnero que serefiere a una lista sobre el diagrama 0mostrando todo en una hoja detabulacronr Estos dibujos se usan por las siguientes razones fundamentales:1) Ayudar en el diserio y en el acomodamiento de la planta.2) Dar una idea clara del proceso 0 de una planta.3) Ayudar en el dimensionamiento del equipo.4) Servir como medio de enserianza e instrucci6n del personal relacio-

nado con el proceso 0 con el equipo.5) Ayudar a la resolucion de los balances de materia y energfa.


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INTRODUCCION 91 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,IIIIIIrIIIIIrr

IIIrrIIIII1: X:a:OH := 0.12 x~aOH _ 0.15 , X~OK ~ 0.17-- --- - -- - ---- ------- ----- -- ----I (PR)o - 1.3

En el diagrama anterior se muestra una operacion de evaporacion deuna solucion de NaOH con objeto de concentrar el soluto. La evaporaci6nse lIeva a cabo en tres evaporadores conectados en serie. AI primer evapo-rador se introducen 125 000 kgjh de solucion, con una densidad de 1.1 yuna concentraci6n de NaOH del 8% en peso. La concentraci6n final de lasolution sera del 17% con una densidad de 1.3. Para efectuar esto se debeevaporar agua que sale de los equipos con las corrientes E, F Y G.

tubertaprincipal compuerta .-.[:>-


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10 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERCIAM ANEJO D E FLUIDO S

r -~--- --- -- ---II ,I ,II

I,I II I, 1

A - Ilquido 8 baJeprasiOnB - IIquido a alta presiOn

,1, _ ------ - ---

A - gas I bajl presi6nB - gas a median. presi6nBOMBA CENTRIFUGA SOPLAOOR, 0 VENTILAOOR

,---- ------ ----_-,, ,I-~~- -- -- - - ---;I I

I1,IIIII

J II JA - gas baja presiOnB - gas a alta presiOn

IIIIL .J

A - gas, 0 vapor, a alta presiOnB - gas, 0 vapor, a baja presiOnC ~ energ1a mecanlca

COMPRESOR TURBIN"

- --- 1

t CICLON

,I~ - - - - - - - - - - - -

A - gas con poivosS - gas limpioC - polvos asentados


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INTRODUCCIONM E Z C L A D O R E S

11

,--------------,~,II1~IIIII1II,,1 - ~ ~ _

" - substanelas8 - mezclaM ElCLA DOR DE ROD IllO S

r-------------I

~

I~ ~ 1

A - 5ubsta ncta 58 - mezcta

MEZCLADOR OE HO JAS SIGMA

I, - - - - - - - - - 1A - substancia.B - mezcla

MElCLAOOR DE BANDA

t--- - -- -- ---------1, ,, II II II,I,11I ,~-----------------~

A - gasB -gasC - rnezctaM ElCLAOOR DE VENTUR I

,--- -------------,,II,IIIIII,I,, _ - - - 1

A - substanciasB - mezcla

M EZCLA OO R PO R A GITA CIO N


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12T R A N S P O R T A D O R E S D E S OL ID O S Y A L M A C E N A )E D E S U S T A N C IA S

PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERCIA

fIi; IIIIII,L ~A - .olido entra nteB - 5111 ido saliente

TRANSPORTADOR DE BANDA

~----~-----------.L

A - .lIlido entranleB - solido sallenteTANQUE DE FONDO CONtCO

TANQUE ABIERTO TANQUE CERRAOO

.-------- -~ - - ., II II II II II II II II II I: III:IL . . . . JA - liquido salienle

TANQUE AGITAOO

i-- --- -- --- -- ----;I II IIII

I,IIIIIIIII! . - ~ 1A - solid 0 entre nteB - s6lido saljenle

ELEVAOOR DE CANGllONES

~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -I

~~ I II IL ~A - s6Udo entranteB - s6lido salienteSOUDOS APILADOS

GUSANO


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A - liquido COn cristales en suspensjon8 - Ilquido claroC - cristales

fNTRODUCCION

A - mezcla8 - liqujdo ligeroC - liquido pesad"

13S E PA R A D O R E S M E C A N IC O S

i - - - - - - - - - - - - ~ - - - - : ~'\ :,I ,II,II ,L :..._. ::_J ~ - - - - - - - - - - - - - - - -II

CENTRIFUGAI,I I'------ --- --------,

A - II q uido' co n s6lidos en suspensi6nB - IIquido clareC - s6lidos~-~--- - ~--- ----~ --------1, I,, FILTRO PRENSA

,,:: Ir , J

DECANTADOR

I--~--------II IIIIIII

A - s6lidos mezclados8 - s6lidos ,ruesosC - s6lidos flnos

IIIIIIIIIIIIIL J.

FILTRO ROTATORIO

A - 1 < > < 1 " 5B - IIquldo clamC - s6lidos

MALLA CLASIFICADORA


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14 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGfA

I,IIIIIIII It._~ ,

I,II,,IIIIIIIII l

xx

REDUCTORES DE TAMAfiilOj- ~-.,_-- -- ,_--I

I II ~ ~ __ - - __ - __ ,A - i611do grl>eSOB - 5


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INTRODUCCIONTR AN SFE RE NC IA D E C AL OR

1S

A - fluida frio - 'Iulda calienteC - fluldo ealentadoo - f1uida enfrlado

CAM BIADOR DE CA lOR (CA lENTAOOR )

-- --- ---------11~' II III11IIIIIII JA-"" frla - cumIlustiblec : - _ade combuslilln - ..., caliente

CA lEHTADOR A FUEGO O IRECTO

A - solucilln diloJidaB - vaporC - solucilln cone,nl'ada

A - fluido calienteB - fluido calentadaC - flulda enl.iadaD - ftuldo frla

CAM BIAOOR DE CALOR (ENFR IADOR )

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - , ,

I,II - ---__----__A - IIquido ent,anleB - vaporesC - p.oductos del fondo

R EH ER VIO OR (C AlD ER IN )1-----------,IIIII

EVAPORAOOR

I,IIIt,ItI I_


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--,...-------- ---------------------------

I ~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,. ,_PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA

:---------~~------III,,I,IIIIII IIII,,I,IIIIIIIIIIII IJ

A - aliUDB - combuslib leC - ajr'eD - Hases de cornbustienE - vapor

16

A - agua caliente8 - aire ambiBnteC - a i re ca lienteD - agua friaTORRE OE ENFRIAMIENTO DE Aau.A

r - - - - - - - - - - - - - - lI I, II IIIIII IIIIII IL JA - media calentante calienteB - medio celanl.nle frioTANQUE CA lEN TADO CON SERPENT IN ~------------------

CAL.OERA

IIIIIII I: " " 1 " ~ ~ _ _ ~J

A - media calentante calienteB - media calentante Irlo

TANQUE C A l E H T A O O CO N CH AQ UE TA


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INTRODUCCIONT R A N SF E R E N C IA D E M ASA

17

j---------------IrIIIIIIIIIIIIII

IIIIIL J

II- .limentaei6n - ptOducto del domoC - ptOducto de la base (0 fon(los)

TORRE DE PU.TOSr-----------------------,t :III1II

IIIIII I'- - - - -- --- - - - I

- IIIiido hllmed 0 - ... caliente1: - .. frioa- ..... seco

SECADOR ROTATORIO (0 CALCINADOR)

j----- ------------[I

,I1I 11 - - - - - 1A - liquido ..ntranteB - gases entrantesC - gases sahente so - l iquido saliente

COLUMNA EMPACADA

r - - - - - - - - - - - - - - - - - - -I IIIItIIIIIII,IIIIIII IL_~--------------JA - sOlido. hllmedosB - 561i dos seeos

SECADOR DE CHAROLAS (BANDEJAS)


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18

.---------~~----II

,II,IIIIII I1 _ !A - mez(;la9 - vaporeaC - IIC lu ldo

TA NQUE SE?A RA DO R VERTICA L

- - - - - - - - - - - - - - - - - ~ lII

- - - _ _ 1A - ~oh.tcio-neaturadaB - .aguas m ,Hi resC - ct's. lllin

CRISTALIZADOR

r------------~--II II

IIIIIIIIIiIII II I__--- ..

A - solucion saturada8 - aguas madre.C - crlstales

CRISTAllZADOR CONENFRIAMIENTO

PROBLEMAS DE BALANCES DE MAT~~IA Y ENERGIA- - - - - - - - - - - - - - - - - - - , I

I II I_A - UQuido con. sOlido en suspenstenB - "qu,do clareC - lodos

ASENTADOR. SEDIMENTAOOR, 0 ESPESADOR~------~--~--------II IIIIIIIII,IIIIJI I~

A - solido hLimedcB - aire cal ienteC - aire frio y saturadcD - solido seco

SECADOR DE BANDA

: - - - - - - - - - - - - ~III

I':_-- --- ----- -----_A - mezcla (carga)a - vaporC - destiladoo - eondenssdc ALAMBIQUE


28/54

INTRODUCCION 19REACTORES

r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1IIIII,IIrII

,---------------,

. ,II,III!I IL ~ - - ~ _ ~ ~ . 2

IIIIIIIIIIII,III'---------------_I.. - ...activosB - medio calentante entranteC - medio eetentente salienleD - productos

CAMARA CATAlITiCAREACTOR AGITAOO CON CHAQUETADE CALENTAMIENTO (0 ENfRIAt.ljlENTO)

A - .reacti ' llo58 - productos

A - reactivosB - combustibleC - gases de combusti6no - productos

QUEMAOOR OE ACEITE 0 GAS

.-------------------------'"1I ,, II I

I ~I

.. - combustibleB - aireC - gases de COmbustiOn

IIIIr,, I

':.._-- ---~ -- -- ---- -_ - t

------- -----------1

,I,II,IIII, IL----- J

REACTOR TUBULAR


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r.20 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIADJAGRA MAS DE IN STRUM EN TA CIONSon utiles para determinar los requerimientcs para el control y la instru-

mentaci6n en una planta.Los principales simbolos son:

T P

MEDIDOR DE TEMPERATURA MED1DOR 'OE PRESION MED1DOR DE N1VEL

MED1DOR DE FLUJO PLACA DE OR1FlCIO RDTAMETRO

CONTROLADOR DE NIVEL CONTROLADOR DE TEMPERATURA

CONTROLADOR DE PRESION


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N1ltODUCCIONApliac:i6n de diagramas de instnamentacion.

21

En el siguiente diagrama se muestra un proceso de "flasheo", que (on-siste en volatilizar parte de una mezcla Jiquida agreg.indole calor; la mezclase debe mandar a un tanque separador, el cual presenta un area de flujok> suficientemente grande como para que se separe la mezcla de Hquido y~-apor.Los productos, vapor y Ifquidos, que se extraen del tanque estan en

equilibrio, 0sea, se encuentran a la misma presion y temperatura. La tem-peratura del tambor se mantiene constante por una valvula que controla eltlujo de vapores salientes del tanque; el flujo de liquido se controla conuna valvula controladora de nivel.

r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~I :I ,I IIIIIIIIII

I______________________________________ J,. - allmentaci6n liquidaB - pt'Oducto vaporr; - producto Ilquido

COMBINACION DE EQUIPOS PARA FORMAR PROCESOSLos simbolos anteriores se pueden combiner y de esamanera representar

procesos quimicos, por ejemplo: en fa manufactura de mononitrotoluenose emplean como materias prirnas el acido nitrico, el acido sulfurico y eltoIueno. Los acidos se bombean hasta un mezelador venturi en donde seintroduce tarnbien el acido proveniente del nitrador. La mezcla de acidosse introduce al nitrador en donde se alimenta el tolueno. EI nitrador es untanque cerrado, enfriado por serpentin y agitado. Se usa la palabra aguaen el serpentin para indicar que es el medio enfriante. La mezcla fluye porp2Vedad hasta un segundo nitrador y luego a un decantador.


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22 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERG IAParte del acido obtenido en el decantador se recircula y el resto se mandaa una planta de concentraci6n que no se muestra en el diagrama. los mo-nonitrotoluenos estan contaminados con acido, por 10 que se lavan en 3etapas: con agua, con soluclon de carbonato de sodio y con agua. Loslavados se decantan por medio de tanques decantadores, aprovechandola diferencia de densidades entre el mononitrotolueno y el agua.Los mononitrotoluenos se almacenan en un tanque y de alii se llevan auna columna de platos que opera a regimen no permanente. La primera

porcion de destilados 0cabezas se quitan, pues alii se encuentran las para-finas; Ja siguiente fracci6n, que es una mezcla de orto, meta y para mono-nitrotolueno, se recolecta en tanques, la operaci6n intermitente de la co-lumna de platos se muestra por medio de dos tanques y dos valvulascolocadas en la linea de alambique al condensador. Los tres isorneros semandan desde el tanque almacenador a una columna de destilaci6n con-tinua del tipo empacada. Del fondo de esta columna se extrae una mezclade meta y para nitrotolueno y por el domo se ext rae el orto.la mezcla de meta y para toluene se enfrfa, se manda a un cristalizador

y se separa con una centrifuge, (Ver paglna 23).

NOMENCLATURALas propiedades seran designadas por medio de letras latinas 0 griegas.En ocasiones se usara la misma letra para designar diferentes propiedades

volumetricas, una flechita sobre la letra cuando se quieta indicar la ideade fuerza y una tilde para cantidades molares:L flujo maslco de HquidoL flu]o molar de JiquidoCa flujo volurnetrico de Jiquido = Caudalp densidad absolutaPe peso espedficoH entalpiaR ental pia molarLa nomenclatura para designar a las diferentes propiedades se iran dandoen los capltulos siguientes.

Nomenclatura para corrientes y componentes en las corrienles.las corrientes se identificaran con una letra mavuscula 0 un numero y

se colocaran como subindices de las propiedades 0 de los flujos. Las sus-


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wnooUCCION 23

~- - r - ---

_ _ _ _ _ _ 1


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r e

24 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGrAtancias se ldentlflcaran con letra 0 con letras rnayusculas 0 con su simboloquimico y se colocaran como superfndices de las propiedades 0 flujos,tal y como sigue:

L... flujo masico de la corriente A Iiquidaflujo rnasico de agua en la corriente Atemperatura de la corriente 1concentracion molar de alre en la corriente 3

L~PT Iy : l r e =En general,L se reterira a flujos JiquidosG se reterira a flujos gaseososS se referira a flujos de solidosM se referira a flujos de mezclasX se referira a concentraciones en fase lfquiday concentraciones en fase gaseosaW concentraciones en fase solidaZ concentraciones de mezclas

(vease capitulo 11) .

CQMBINAClON DE LOS DIAGRAMAS DE EQUIPO Y NOMENCLATURA

1" ~ 25' CX~Cl = 0.05

IC..- 1000-h

1-------------II1III1 x : . .CJ = 0,00

IIII1I I1 l tc = so' Cx~c, = 0.15EI diagrama anterior muestra que la corriente tiene un caudal de 1 000

Ijh a 25C Y con una concentracion de sal del 5% . Esta corriente entraa un evaporador para concentrar la sal. Del evaporador sale una solucionconcentrada con el 15% de sal y a 80C, Y 664 kg por hora de agua enforma gaseosa,


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NTRODUCCIONTIPO S de procesos.los diagramas de flujo hasta aquf mencionados sirven tanto para repre-

sentar procesos ffsicos como procesos qufmicos.

25

Muchos procesos utilizados en la industria quimica son en realidad pro-cesos ffsicos (no hay reacciones quimicas), pues solo requieren de opera-ciones tales como molienda, evaporacion, separacion, cristalizaciones, etc.;sin embargo, son mas cornunes aquellos procesos que tienen tanto ope-raciones fisicas como qufmicas.

PB:OCESO FISICO,-'------------------ A- nitrate de sooto, B - carbenC - ufre0- .,Olvora

IIIIIIIIIIIIIIL J

OPfRACIONES UNITARIASComo se di]o con anterioridad, muchos procesos de la industria quimicaconsisten en procesos fisicos, los cuales se pueden agrupar en una serie

no muy grande de operaciones llarnadas unitarias, entre las que se encuen-tran el secado, la evaporacion, la filtracion y la hurnidificacion, Todas eJJasbenen como caracteristica el que los materiales no sufren cambios quimicos;'~nque si fisicos, tales como de estado, concentraci6n, presi6n y tempe-ratura.

PROCESOS UNIT ARIOSAquellos procesos que requieren de una 0mas operaciones con reaccio-

rr; quimicas se lIaman procesos unitarios, par ejemplo, nitracion, cornbus-tiOn, polimerizacion, etc.


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26 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIAPROCESO QUIMICO

I---"':===~""==- - ----------- ------- -- ------ - - --,A - ~cido nitricoB-oleumC - glicerinaD agua triaE - carbonato de sod ioF - 8Kua calienteG - Beida de desperdicioH - !l8 les Y ifill/aI - nttrogtlcertna

IIIIIII1,Il DECANTADOR ,,------------.----- ----------------------,

La combinaci6n de procesos unitarios y operaciones unitarias permiteIa formaci6n de cualquier planta quimica 0 proceso qufmico.

Los problemas con los que tiene que trabajar el ingeniero qurmrco sepresentan en el mundo real y se refieren casi siempre a las necesidadesde producir mas y mejores servicios 0 productos. Sin embargo, para resol-ver estos problemas debe trasladar los requerimientos del mundo exterior

RESOLUCION DE PROBLEMAS

DECANTADOR

TANQUE DENEUTRALIZACIDN


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INTRODUCC ION 27al mundo de la mente y alii, con ayuda de las maternaticas, fisica y qufmicao su combinaci6n encontrar la respuesta que debe despues traducirse nue-vamente a terrninos usados en el mundo real (reactivos, productos, energfa,equipo, etc.).

En la resoluci6n de problemas se seguira una secuencia similar. En primertermino se tendra un enuriciado, que resume los requerimientos de algunproblema real (en general, lIegar al planteamiento de un enunciado en elque se indica claramente cual es el problema que debe resolverse, esuna tarea nada facil cuando se trabaja en una planta 0 en un bufete dediserio).

RESOLUCION

Despues del enunciado, la primera fase de la resoluci6n sera traducireI enundado al lengua]e usado en ingenieria quimica, es decir, construir.., diagrama de flu]o, colocar los datos conocidos en las diferentes lineasde f1ujo y tratar de presentar en forma rnaternatica la pregunta 0 pregun-las que se esperan sean contestadas por medio de la resoluci6n. Inmedia-amente se procedera a la resolud6n usando los conocimientos materna-Iicos, fisicos 0 quimicos a nuestro alcance y planteando ecuaciones ma-IrImiticas que nos lIeven a una solud6n. En esta fase se evitara el uso nurneros y se trabajara unicamente con ecuaciones algebraicas y dife-tBlCiales. Cuando ha sido posible plantear el resultado de esta manera,& facil sustituir las variables algebraicas por los datos nurnericos y as!


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28 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGfAobtener el resultado, el cual por ultimo debera traducirse al mundo real,a sea, presentarse en forma escrita indicando los resultados y requerimien-tos can palabras y nurneros.Secuencia en la resolucton de problemas:Enunciado del problemaResoluclon

1. Traducclon2. Planteamiento3. Sustltucion y calculos4. Resultados

:

PROBLEMAS RESUEL TOSProblema 1.1lOUe sucede con 105 materiales que se procesan en el siguiente diagrarnai

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

II_ - - - - __ _: - - ,

Problema 1.2Se tiene una corriente de 231.03 kg rnol/h de una mezcla de benceno

y toluene, con un anatisis de 35% en peso de benceno y 65% en peso

En el proceso anterior, una substancia que debe ser s61ida se introducea un molino de bolas, para reducir de tarnario las particulas: luego semete a un tanque en donde se disuelve algo con un liquido: de alii lasolucion se bombea a un filtro prensa de donde se separan 105 solidosno disueltos de la solucion.


38/54

INTRODUCCION 29de tolueno. Se desea someter esta corriente a fraccionamiento por desti-lacion continua para obtener una recuperacion del 98% de benceno enel producto del domo y una concentraci6n del 95% de tolueno en elproducto de la base de la torre. Todos los % en peso.Exprese 10 anterior por medio de un: a) diagrama de bloques, b) diagra-

ma de equipo.1. Traducci6n1.3 Diagrama de bloques

- kg melLA231,03 -h-X:::ncl!':no =0.35X~J",C'no = 0_65A - aumentacjenB - produetos del domoC - preductca del tondo

1.b Diagrama de equipos

- kg molL . . . =231.03--h

A - allmentacjonB - domeC - fondos

r - - - - - - - - - - - - - - - - ~I

Torre dedestilaciOnIIIIIIIL ~ x~..,,=0.05

r--------------------IIIIIIIIII

X~"nO=0.98

IIIIIIIIIIIIIIII~------------------~


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r

IIII1III1I' --- _-- ---- _----- -- ----- __ ------ ---- -- --- ---...!

30Problema 1.3Para la fabricaci6n del acido sulfurico por medio del metodo de contacto

se parte de la pirita Fe52 que despues se tritura y se somete a tostaci6n:

PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA

EI 502 obtenido se pasa a un purificador, pues lIeva arseruco y otrosmateriales que envenenan el catalizador disminuyendo su eficacia: a con-tinuacion pasa al reactor catalitico mezclado con aire, con 1 0 que se oxidaa S03.

EI S03 producido se mete a una torre de absorci6n en donde se poneen contacto con H2S04 diluido, con 1 0 que se produce la siguiente reacci6n:

a) Haga un diagrama de bloques del proceso.b) Indique las posibles operaciones unitarias empleadas y los procesos

unitarios utilizados.Soluci6n.1. Traducci6n1.1 Oiagrama de bloques

r------------------------------------------------- I

A - acldo sulfurico diluidoB - aifeC - pi'ita

0- aireE - acido sulfunco concentradof - pelves


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311 Operaciones

las operaciones unitarias pueden ser:Trituraci6nSeparacion de polvosAbsorci6n.Tr.msferencia de calor (para aprovechar el calor de las reacciones)

11 ProcesosOxidacionesAbsorci6n con reaccion qulmica

n " u 1.4Haga una descripci6n del slgulente proceso:

- - - - ~ - - - - - - - - - - - - - - - ~ - - - - - - ~ - - - ~ - - - ~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - I ,,,I,,,

A - l'ije>1 de soyaB - SOlvente f resco (triclorr>etileno)C - vapor de 8guao - alimento para ganadoE - ac..ile de soyaF - 8gua

I~ - - - - - - - - - - - - - - - ~- - - - ~ - - ,_ - - - - - - ~ - - - - - - - - - .. - - - - - - - ~ - - - - - - - ~ - - - ~ -- - - - - _ .. - - - - - - - - - __ I


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32 PROBLEMAS Of; BALANCES DE MATER IA Y ENERCIA1. Descripci6nPara la fabricaci6n del aceite de soya se parte del frijol soya, el cual

despues de molido se pasa a un extractor en donde se trata con trielo-roetileno. los productos del extractor se pasan a un asentador; en esteel liquido sobrenadante se pasa a un evaporador y los s61idos a un secador.EI solido resultante se vende como alimento para ganado.En el evaporador se concentra la solucion de aceite de soya; luego de

concentrarse, la solud6n se manda a una columna de destilacion de plates.Por elfondo de la columna entra vapor vivo que sirve como medio decalentamiento y de separacion del aceite de soya del solvente. Por eldomo de la columna sale el vapor de agua mas el trieloroetileno, mientrasque por el fondo se obtiene el aceite de soya liquido.Los vapores salientes de la columna de destilaci6n se unen a los salientes

del evaporador y del secador, se enfrian con agua en un condensador y semandan a un decantador, en donde por diferencia de densidades se separael agua del trieloroetileno. Este ultimo se mezela con solvente fresco y semanda al extractor para cerrar el cicio.Problema 1.5Indique que sucede en el siguiente diagrama:

,------------ --- -------- --- ------ ------- ---II,IIII,IIII: r e pI F

~,~-~IIIIII

II A - alimentaci6n: B - purge de incondensable.I C - de.tlradoI 0 - prcductos del fondo


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INTRODUCCION1. Discusion,

33

En el diagrarnaanterlor se muestra una columna de destilaci6n de plates,La columna cuenta con un rehervidor en donde se vaporiza parte delliquido que sale del fondo de la misma y parte sale como productos del fon-do. EI flujo del fonda se controla con un controlador de nivel,En la parte superior de la columna se cuenta con un condensador total,

operado por agua. EI liquido condensado pasa a un acumulador de reflujoen donde un controlador de presion fija la presion interna a traves deuna valvula de venteo. EI nivel del liquido en el acumulador se fija pormedio de un controlador de nivel, el cual se conecta a una valvula quepermite la salida de destilados.Parte del liquido destilado se manda de nuevo a la columna de destila-

cion como reflujo. EI flujo de esta corriente se controla con un medidorcontrolador de flujo. Este mismo tipo de dispositivo se usa para controlarel flujo de alirnentacion entrante a la columna.

Problema 1.6Proceso para la obtenci6n de alcohol absoluto.Para producir alcohol absoluto a partir de una mezcla de alcohol y

agua se debe usar la destilaci6n azeotr6pica con benceno usando trescoJumnas. En el proceso, la primera columna sirve para eliminar el aguapresente en la alimentaci6n y alcanzarta composici6n azeotr6pica de 89%en mol de alcohol 0 95.38% en peso. En la segunda columna se lIeva acabo la destilacion azeotropica del etanol en presencia de benceno y enIa tercera se recupera el benceno de la mezcla azeotr6pica. EI grado derecuperacion yla pureza del etanol producido dependeran del valor espe-cfficado para las variables seleccionadas para el control.las variables que se seleccionan para contro/ar la operaci6n del proceso

O J regimen' permanente son: los gastos de alimentaci6n de la mezclaetanol-agua y de _benceno; el gasto de alimentacion a la columna dedestilaci6n azeotr6pica; la presion en las tres columnas; la temperaturaen cada columna y la de los recipientes de reflujo. Tarnbien es necesariocontrolar los niveles de liquido en los fondos de las columnas y en lostanques de reflujo, pero los valores seleccionados no afectan el sistemaen las condiciones previstas.


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r l - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - - u-' ...00IC::>-Z, .. l it:!Z~~' ~ g ; mI..JO~0......0"0

34 PR O B LE M AS D E :B AL AN C E S D E M AT E R IA Y E N E RG iA

----IIIIII

I1Ii ~ - - __


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MaODUCC10N"""ma 1.7

35

Describa con palabras como se "eva a cabo el siguiente proceso.iCual 0 cuales reacciones quiinicas ocurren en el proceso?

------------------------------------------------1IIIIr---


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i------------------------------------------------IIII A - potase concenlradaB - aire almosfericoC - nitrogena 98%. axls.no 2%o - oxigeno 99%. nitrogeno 1%E - potua agotada

36 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGfAEn el horne

L : : , .CaCOa --+CaO + CO2Problema 1.8Para producir oxigeno se utiliza el siguiente proceso:

IIII'- - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _- - - - __- - - - - - J

Describa el proceso presentado. lComo se logra la temperatura en elfondo de la columna?1. Descripcion del ""rocesoLa materia prima para la' produccion de oxigeno es el aire, el cual se man-

da por medio de una compresora a una torre empacada con potasa causticasolida para eliminar el CO2 y el agua. EI aire, Iibre de CO2 y agua, se pasaa un proceso de compresion en cuatro etapas. En la primera se com primehasta 4 atm. Como el aire sale caliente se 1 0 enfria con agua en un cam-biador de calor y se com prime hasta 50 atm, y por ultimo se enfrta ycomprime hasta 200 atm. EI aire saliente del cuarto compresor esta a200 atm y 170 DC, por 10 que se enfria con agua hasta 30 DC. Para bajar masla temperatura del aire se enfria este con amoniaco hasta - 30 "C y de aliiel aire sale a una torre de destilacion con platos en donde se separa eloxigeno Hquido por la base y el nitrogeno por el domo.2. La temperatura se baja hasta -183 DC debido a que el aire se dejaexpander adiabaticamente desde una presi6n de 200 atm hasta 1 atm.


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INTRODUCCIONProblema 1.9

37

Para licuar metano se utiliza el metoda Linde. De acuerdo con el diagra-rna que se presents a continuaci6n, indique en que consiste dicho proceso.

r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1I ,I II II II II II II III,

P.. = 55 aIm It... = 15 C :II

IIIII[ !.=314C IL ~

If. - metana gaseosoB - meta no liquido

1_ Descripci6n del procesoDe acuerdo con el diagrama de flujo, el metano gaseoso que esta a 55

.tm Y 15 DC se introduce al proceso, en donde se mezcla con rnetano re-circulado. La corriente gaseosa se pasa a un carnbiador de calor, de dondewle a - 73 D C . Posteriormente, el gas se expande adiabaticamente hasta1atm. con 1 0 cual parte del gas' se licua, separandose en un recipiente deseparaci6n de la fase gaseosa que sale a -160C. [I gas frio sirve paraentriar al gas entrante al proceso. [I gas saliente del cambiador (10 DC Y 1atm) se mete a una compresora, de don de sale a 55 atm y 314C. Este gas~ enfria y rnezcla con el gas nuevo y se replte el proceso.

PROBLEMAS PROPUESTOS

lIobIema 1.10En el siguiente diagrama que muestra un secador rotatorio, indique 10

qve significa: a) G.; b) 5,; c) til.


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38 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIAr-------------~---.I II

1- _

Problema 1.11lQue sucede en el siguiente proceso?

Problema 1.12En la pasteurizacion autornatica de la leche por calentamiento con vapor

de agua se usa el siguiente equipo. Indique en que consiste el proceso.

}t:~ol ~ 0.40'~~.o_ 0.60 It,,=2S.C II

IIIL"I I x"" . . n ' " =0.05________ _,. _ ~ ....... _ __ R


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INTRODUCCION 39~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~I 1I ,I I1 I: I1 I

,. , . ,L !1- vapor2 - condensado

P r ob le ma 1.,3En la destilad6n instantanea 0 "flash" se utiliza el siguiente equipo. Indi-

que que sucede y c6mo se controla el proceso.

,III1I1rjII I1 J

II - al imentation IIQu ida - vaporesC -liquido

P r ob le ma 1.14En la manufactura de acido nltrico se usa nitrato de sodio y acido sulfu-

rico. Si se requiere un gran rendimiento de HN03 se debe secar primero elnitrato en un secador rotatorio. EI nitrato secado y el acido se cargan en unaretorta caliente (reactor), la cual se calienta por fuego directo. los vapores


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40 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIAnitricos disociados se destilan y pasan a un condensador. EI acido conden-sado pasa a un enfriador y se obtiene como acido concentrado 0 diluido(dependiendo del estado de la destilacion). EI acido diluido contiene oxidesde nitrogeno y se pasa a un tanque en donde se eliminan estes con aire.los productos de la disociaci6n pasan al condensador y luego a una seriede torres en donde se absorben con agua.EI resultado es la generaci6n demas acido diluido. AI final del proceso de absorcion se emplea un equipopara producir vado (por 10 general un eyector con vapor). EI producto ga-seoso saliente de las torres de absorci6n se descarga en el aire. EI agua enlas torres se recircula y mezcla con aire para ayudar a la oxidaci6n y recu-peracion de los oxides del nitrogeno,Reacciones:

NaNO, + H2S04 ~ NaHS04 + HNO,2 NO + 0, - -0> 2 NO,3 NO, + H20 -+ 2 HN03 + NO

a) Haga un diagrama de bloques del proceso.b) Haga un diagrama de equipos del proceso.

Problema 1.16

Problema 1.15Para la manufactura de cierto producto se parte de las materias primas

A y B. las materias primas se disuelven por separado en agua; luego semezcJan y se hacen reaccionar en un reactor agitado. la suspension de loscristales producidos se centrifugal se lava con acido sulfurico y se seca.Indique el proceso anterior usando: a) un diagrama de bloques; b) un

diagrama de equipo.

Para la manufactura de la sosa caustics por el proceso electrolitico, sedisuelve la sal para formar una salmuera libre de Mg, Ca y Fe al tratarla conNa2COa y Ca(OHh. EI precipitado se deja asentar, la salmuera purificada secalienta y se manda a las celdas electroliticas. En estas celdas se produce enel catodo una soluci6n en la cual 1/3 de la sal se ha convertido en hidro-xido y una cantidad de hidrogeno equivalente a la sosa formada. Enel anodese libera CI,. EI liquido de la celda se concentra hasta 50% de NaOH enun evaporador de multiple efecto, En esta fase la mayor parte del NaCI noconvertidose .separa, se lava de NaOH y se manda a los tanques de disolu-cion.' Si contiene algo de NaOH puede reemplazar al Ci:I(OHhen la purlfi-cacion. La solucion al 50% se enfria para que se precipite mas NaCI. Lamayor parte de la soluelon al 50% se vende y el resto se concentra hasta


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700 75% en un evaporador calentado a fuego directo. La mayor cantidadde la solucion del 75% va a recipientes de fusion, donde se convierte enescamas0solido granulado.Indique el proceso anterior en diagramas de bloques y senale las reaccio-

nes que se lIevan a cabo.Problema 1.17EI plaguicida 2-4-0 se produce con el proceso ilustrado a continuation:

INTRODUCCION 41

I .e-0----r--------------------------------- --..,.---- -----I

I1III1I---~_.J H}--@

I

~

:---- ~----~----- -----------~- --~------ ---~&- _ dorhidrico .1 30% - _ caustlca .1 50%C - _ mcnocloroaeettee - 24 diclorofenol

E - aguaf - acruo clorhidrico al 10%. 30% en excesoG - aire a 60 CH - agua

1- 2.4 dictorofenotJ - aire humedoK - producto 2-4-D. 1% humedadL - aguas residuates


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42 PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIAlasreacciones del proceso son:

2) CI CH, COOH + NaOH _ CI CH, COONa + H,O .1) O

OHI+ NaOH

CI 4)aONa+_gCICI CH. CooNa3)+OONaI+ H,o + +QCH, COONaOCI+ NaCICI

OCH, CooHO ' ~ N o OCI

CI

Explique en que consiste el proceso descrito.Problema 1.18Haga una descripcion del siguiente proceso usado para fabricar anilina.iQue reacciones quimicas se lIevan a cabo?

~~-------------------------------. I - condensadoJ - asua calienteK-anilinal-aguaM- tcido usado

A - rasp.aduras de hi-erroB - actdo clorhLdricoC- bencenoo ~ a.cu:1o slIlftlricOE - acid'o nitricof- agua triaG -vapo,H - "ape, de agua


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MIIIOOUCCION1 ' 1 .hmil 1.19

Oescr iba eJ siguiente proceso:

43


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PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA44Problema 1.20Describa el siguiente proceso empleado para fabricar pentanol 0 alcohol

amilico:.., __ __ .~ .~ _ ... r -- .... -

....u

00< = . . ," "E.,.:>0.",


54/54

INTRODUCCIONReacciones en eJ reactor

45

C5H'2 + CI 2 ____. CsH"CI + HCIC5H12 + 2 CI2 ____. CSH1 0Cl2 + 2 HCICSH l1CI ~ CsH,o + HCICSHIO+ CI. ____. CsH,oCl,

Reacci6n en el digestorCsH"CI + NaOH -), C,HllOH + NaCI

capitulo 1 balances de materia y energía, dr. antonio valiente

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