Guía 1

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Procesos Qúımicos y Térmicos IN1093C
Ariel Hernández S.
Gúıa 1
1. En la siguiente figura se presenta el área 100 de una planta industrial. En esta área se
encuentran 4 columnas de destilación (C-100 hasta C-103) que están combinadas entre śı. La
alimentación (corriente 1) de una mezcla de 4 componentes (C1, C2, C3 y C4) ingresa a la columna
C-100 y el flujo de la corriente 5 es de 1000 mol/s. Además, se conoce que la recirculación a la
columna C-100 es 50 % de los fondos de la columna C-101. Aplicando balances de masa en las
diferentes etapas, determine los flujos molares totales de todas las corrientes desconocidas.(Los
flujos molares (mol/s) de las corrientes 1 a 11 son: 11633.33, 3333.333, 8800, 2333.333,
1000, 500, 500, 3003.356, 5796.644, 4140.46, 1656.184)
C-100
C-101
C-102
C-103
Alimentación 1
2
3
4
5
6 7
8
9
10
11
20 % C1
25 % C2
40 % C3
15 % C4
 C1
 C2
 3% C3
99.5 % C1 
 0.5 % C2
1 % C1
89 % C2
10 % C3
98 % C3
2 % C4
 C2
 C3
0.2 % C4
70 % C3 
30 % C4
C4
 C2
 C3
 C4
Ayuda:
Como nomenclatura puede usar:
a) yij: fracción molar del componente i en la corriente j.
b) ṅij: flujo molar del componente i en la corriente j.
c) ṅj: flujo molar total de la corriente j.
Comience haciendo los balances en el punto del bypass.
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2. Se requiere procesar una alimentación de semillas crudas con el objetivo de remover el aceite
de las semillas mediante el agregado de hexano. Mediante este proceso se podrá obtener una pasta
de protéına pura. La alimentación porcentual (en peso) de semillas crudas es: 14 % de material
celulósico, 37 % de pasta y el resto de aceite. A continuación se presenta un diagrama de bloques
del proceso:
PROCESO
Semillas crudas
Hexano
Material celulósico
Pasta de proteína pura
Extracto de aceite
Aceite
Hexano
El flujo másico de alimentación de hexano es el triple del flujo de semillas crudas. Usando la
información anterior, responda:
a) Calcule la composición del extracto de aceite. (0.140 kg aceite/kg extracto aceite,0.140 kg aceite/kg extracto aceite,0.140 kg aceite/kg extracto aceite,
0.860 kg hexano/kg extracto aceite0.860 kg hexano/kg extracto aceite0.860 kg hexano/kg extracto aceite)
b) Si el flujo de hexano es de 100 kg/s, determine los flujos de semillas crudas, pasta de protéına
pura, material celulósico y de extracto de aceite. (33.33 kg/s, 12.33 kg/s, 4.67 kg/s, 116.33 kg/s33.33 kg/s, 12.33 kg/s, 4.67 kg/s, 116.33 kg/s33.33 kg/s, 12.33 kg/s, 4.67 kg/s, 116.33 kg/s)
3. Se desea tratar un flujo de 200 kg/s de ĺıquido residual en una planta que opera bajo
condiciones estables. El objetivo de esta planta de tratamiento es reducir el contenido de impurezas
de la corriente ĺıquido residual de 0.4 % hasta 0.02 %. Se permite una concentración máxima de
estas impurezas de 0.1 % para ser descargadas al ŕıo local. En la figura adjunta se presenta un
diagrama de procesos de la planta de tratamiento.
Planta de Tratamiento1 2
3
4 5
6
3
Observaciones:
Todos los porcentajes del enunciado corresponden a porcentajes en peso
La corriente 6 sólo está compuesta por impurezas
Considerando la información anterior, responda:
a) Complete el diagrama de procesos. Agregue los porcentajes másicos conocidos y simbolice
los flujos másicos de las corrientes. Además, identifique el punto divisor y punto de mezclado.
b) Determine los flujos másicos totales (kg/s) de las corrientes 2 a 6. (158.126 kg/s, 41.874 kg/s,158.126 kg/s, 41.874 kg/s,158.126 kg/s, 41.874 kg/s,
157.525 kg/s, 199.399 kg/s, 0.601 kg/s157.525 kg/s, 199.399 kg/s, 0.601 kg/s157.525 kg/s, 199.399 kg/s, 0.601 kg/s)
c) ¿Qué porcentaje de la corriente de entrada se puede derivar, con el fin de cumplir con la
norma ambiental?. (21 %21 %21 %)
4. Se desea llevar a cabo un proceso de deshumidificación en un acondicionador de aire. La
alimentación fresca contiene 4 mol % de vapor de agua, y el objetivo es que el aire deshumidificado
presente 1.70 mol % de agua. Se combina una corriente de aire fresco con una corriente de aire
recirculado previamente deshumidificado y se hace pasar por el enfriador. La corriente de la mezcla
que entra a la unidad contiene 97.7 mol % de aire. En el acondicionador de aire, parte del agua se
condensa y se elimina como ĺıquido. Una fracción del aire deshumidificado que sale del enfriador se
recircula, y el resto sale hacia una habitación. Considere que el flujo másico de aire deshumidificado
que sale hacia la habitación es de 6.346 lbm/h. Además, los pesos moleculares del agua y del aire
están dados por 18 y 29, respectivamente.
En el siguiente diagrama de bloques se puede apreciar el proceso con las respectivas corrientes
de entrada y salida.
Usando la información anterior, responda:
a) Complete el diagrama de bloques con la información conocida y desconocida.
b) Calcule los siguientes flujos molares en mol/h: alimentación fresca, agua condensada, ali-
mentación al enfriador, y recirculación. (102.4 mol/h, 2.4 mol/h, 392.53 mol/h, 290.13 mol/h102.4 mol/h, 2.4 mol/h, 392.53 mol/h, 290.13 mol/h102.4 mol/h, 2.4 mol/h, 392.53 mol/h, 290.13 mol/h)
5. Se desea separar una mezcla compuesta por los componentes C1, C2 y C3, en un sistema
combinado de dos columnas de destilación tal como se ilustra en la figura. La alimentación a la
columna C-300 es de 100 kg/s. Además, se conoce que:
El flujo del tope de la columna C-300 es 52 % del flujo de alimentación.
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El 75 % del flujo del componente C1 alimentado a la columna C-301, es equivalente al flujo
del componente C1 que sale por el tope de la columna C-301.
C-300 C-301
1
50 % C1
20 % C2
30 % C3
95 % C1
3 % C2
2 % C3
 C1 
 C2
 C3
3 % C1
95 % C2
2 % C3
 C1 
 C2
 C3
100 kg/s
2
3
4
5
Determine:
a) El flujo total de la corriente 3, y el flujo del componente C1 en la corriente 3. (48 kg/s, 0.6 kg/s48 kg/s, 0.6 kg/s48 kg/s, 0.6 kg/s)
b) Los flujos totales de las corrientes 4 y 5, y la composición del componente C1 en la corriente
5. (15 kg/s, 33 kg/s, 4.545x10−315 kg/s, 33 kg/s, 4.545x10−315 kg/s, 33 kg/s, 4.545x10−3)
6. En un proceso industrial se desea obtener una solución acuosa con un 4.8 % (en peso) de NaCl.
Para obtener la solución anterior, parte del agua que ingresa al proceso, pasa por un saturador
donde debe saturarse con sal. Posteriormente la solución saturada se mezcla con la de agua pura
para obtener la solución deseada (4.8 % de sal). Considerando que la solubilidad de la sal es de
0.176 kg de sal/kg de agua, calcule el porcentaje de agua que debe ser derivada. (28.571 %28.571 %28.571 %)
7. Aire húmedo se pone en contacto con H2SO4 al 94 % en una torre de absorción, con el fin
de obtener aire seco a la salida de la torre. Por el tope de la torre ingresa una corriente ácida
compuesta por un 94 % de ácido y 6 % de agua, la cual permite retirar el vapor de agua del aire. A
la salida de la torre se obtiene ácido dilúıdo en agua con una composición porcentual del 93 %. Si
este ácido se recirculara, el ácido no seŕıa capaz de extraer de manera eficiente el vapor de agua,
por esta razón en la recirculación del ácido al 93 %, se extrae una corriente de ácido al 93 % y se
agrega una corriente de ácido puro. Considerando que el flujo de aire húmedo es de 1000 kg/h, y
que la composición porcentual de agua en esta corriente es de 2.5 %, responda:
a) Realice un diagrama de flujo del proceso, incluyendo variables conocidas y desconocidas.
b) Determine los flujos másicos (kg/h) de aire seco (que sale por el tope), de corriente ácida al
94 % que ingresa a la torre, y de corriente ácida dilúıda al 93 % que sale de la torre. (975 kg/h,975 kg/h,975 kg/h,
2325 kg/h, 2350 kg/h2325 kg/h, 2350 kg/h2325 kg/h, 2350 kg/h)
c) Determine los flujos másicos (kg/h) de corriente ácida que se extrae y se agrega en la
recirculación. (357.143 kg/h, 332.143 kg/h357.143 kg/h, 332.143 kg/h357.143 kg/h, 332.143 kg/h)
58. Se desea recuperar acetona desde una corriente gaseosa mediante una columna de absorción.
Un flujo de 48.49 kmol/h de una alimentación gaseosa compuesta por un 92 % de aire, 4 % de
acetona y 4 % de agua ingresa a la columna de absorción donde se pone en contacto con agua
pura. Como productos de la absorción se obtiene una corriente compuesta por 99.6 % de aire
y 0.4 % de agua. Además se obtiene una corriente de 250 kg/h de solución acuosa de acetona.
Para obtener acetona de alta pureza, la corriente de solución acuosa de acetona ingresa a una
columna de destilación donde se obtiene 98 % de acetona (por el tope) y 2 % de acetona (por el
fondo). Considere que todos los porcentajes son peso/peso. Además, los pesos moleculares del aire,
acetona y agua son 29, 58.08 y 18, respectivamente.
a) Realice un diagrama de flujo que incluya toda la información conocida. Enumere las corrientes
y agregue variables conocidas y desconocidas.
b) Haga un análisis de grados de libertad en cada etapa del proceso y determine si pueden ser
determinadas todas las variables desconocidas.
c) Determine el flujo másico de la corriente gaseosa obtenida como producto de la columna de
absorción y el flujo másico de agua pura utilizada como absorbente (kg/h). (1293.173 kg/h, 143.173 kg/h1293.173 kg/h, 143.173 kg/h1293.173 kg/h, 143.173 kg/h)
d) Determine la composición porcentual en peso de la corriente solución acuosa de acetona
obtenida de la columa de absorción. (22.4 % acetona y 77.6 % agua22.4 % acetona y 77.6 % agua22.4 % acetona y 77.6 % agua)
e) Determine los flujos de tope y fondo de la columna de destilación (kg/h). (53.125 kg/h, 196.875 kg/h53.125 kg/h, 196.875 kg/h53.125 kg/h, 196.875 kg/h)
f) Verifique si se satisface un balance parcial de agua en el sistema global. (si se satisfacesi se satisfacesi se satisface)
9. Un evaporador que opera a 1.25 bar concentra 1000 kg/h a 50oC de una solución acuosa que
contiene 1 % en peso de NaCl hasta que contenga un 2 % en peso de la sal. El vapor de calefacción
ingresa como vapor saturado a 2 bar y sale como ĺıquido saturado a 2 bar. Considere que la solución
acuosa tiene las mismas propiedades del agua.
Información adicional:
El calor espećıfico del agua es 4.189 kJ kg−1 K−1.
El calor latente de vaporización del agua a 1.25 y 2 bar es 2240.6 y 2201.6 kJ/kg, respecti-
vamente.
La temperatura de saturación del agua a 1.25 bar es 105.97oC.
Determine:
a) Realice un diagrama de flujo que incluya las corrientes de entrada y salida. Enumere las
corrientes e incluya toda la información conocida.
b) Haga un análisis de grados de libertad.
c) El flujo de agua evaporada, el flujo de solución concentrada obtenida del evaporador, y el
flujo del vapor de calefacción. (500 kg/h, 500 kg/h, 615.35 kg/h500 kg/h, 500 kg/h, 615.35 kg/h500 kg/h, 500 kg/h, 615.35 kg/h)
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10. Se desea aumentar la concentración de sal presente en una solución acuosa mediante el
uso de dos evaporadores en serie. La salmuera inicial con un 3 % en peso de sal ingresa a razón
de 1200 kg/h y 20oC al primer evaporador que opera a 75 kPa donde se obtiene vapor de agua
y salmuera concentrada al 5 % en peso de sal. Para lograr la ebullición de la salmuera a 75 kPa,
se utiliza agua a 300 kPa que ingresa como vapor saturado y se condensa como ĺıquido saturado.
La salmuera al 5 % obtenida del primer evaporador ingresa al segundo evaporador que opera a 40
kPa; de este evaporador se obtiene vapor de agua y salmuera concentrada con una composición
desconocida. Para lograr la ebullición de la salmuera en el segundo evaporador, se utiliza como
calefacción el vapor de agua obtenido en el primer evaporador, el cual ingresa al segundo evaporador
y se condensa hasta ĺıquido saturado. Considere que la entalṕıa de la salmuera inicial es de 83.92
kJ/kg, que las soluciones de salmuera de ambos evaporadores presentan las propiedades f́ısicas del
agua, y que ambos evaporadores son adiabáticos. A continuación, en la Tabla 1 se detallan las
entalṕıas espećıficas del agua a diferentes condiciones:
Determine:
a) Realice un diagrama de flujo.
b) El flujo másico de agua evaporada del primer evaporador, flujo másico de solución concen-
trada al 5 %, y flujo másico de vapor de calefacción a 300 kPa. (480 kg/h, 720 kg/h, 672.09 kg/h480 kg/h, 720 kg/h, 672.09 kg/h480 kg/h, 720 kg/h, 672.09 kg/h)
c) El flujo másico de agua evaporada del segundo evaporador, flujo másico de salmuera concen-
trada a 40 kPa, y composición porcentual de la salmuera a 40 kPa. (492.36 kg/h, 227.64 kg/h, 15.8 % sal492.36 kg/h, 227.64 kg/h, 15.8 % sal492.36 kg/h, 227.64 kg/h, 15.8 % sal
y 84.2 % aguay 84.2 % aguay 84.2 % agua)
Tabla 1: Entalṕıas espećıficas para agua saturada.
Presión [kPa]Presión [kPa]Presión [kPa] Entalṕıa ĺıquido saturado [kJ/kg]Entalṕıa ĺıquido saturado [kJ/kg]Entalṕıa ĺıquido saturado [kJ/kg] Entalṕıa vapor saturado [kJ/kg]Entalṕıa vapor saturado [kJ/kg]Entalṕıa vapor saturado [kJ/kg]
40 317.62 2636.1
75 384.44 2662.4
300 561.43 2724.9