UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL
SOLUCIONARIO DE LIBRO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA (PROCESOS INDUSTRIALES) INDUSTRIALE S) CAPITULO 1-10
CURSO: OPERACIÓN DE PROCESOS UNITARIOS PROFESOR: ING. HUIMAN SANDOVAL JOSE INTEGRANTES: •
•
•
•
GUERRERO LUJAN, GABRIEL OMAR GARCÍA ALIAGA, JESÚS RODRIGO MARTINEZ LIFONZO, GUIMER ALBERT FABIAN LEON, JEAN CARLOS ORLANDO
CICLO: 4TO CICLO
2016013123 2016012198 2016018554 2016010925
Capítulo
1 INTRODUCCION A LOS PROCESOS INDUSTRIALES
1. Elabore un diagrama conceptual de una Industria
2. Indique los conceptos de las partes que lo integran •
•
•
•
•
•
•
•
•
Ciencia: es el conjunto de conocimientos que se organizan de forma sistemática obtenidos a partir de la observación, experimentaciones experimentaciones y razonamientos dentro de áreas específicas. Es por medio de esta acumulación de conocimientos que se generan hipótesis, generan hipótesis, cuestionamientos, cuestionamientos, esquemas, esquemas, leyes y principios. Procesos físicos: Son los cambios que se presentan en la materia sin alterar su constitución, es decir, que no forman nuevas sustancias y por lo tanto, no pierden sus propiedades, solamente cambian de formato de estado de agregación; por ejemplo, el paso de la corriente eléctrica por un alambre, el estiramiento de una goma elástica, la solidificación o evaporación del agua, etc. Procesos químicos: es un conjunto de operaciones químicas destinadas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes. Se considera que un producto químico es diferente de otro cuando tenga diferentes propiedades, esté en diferente estado o hayan cambiado sus condiciones. Así, se considera un proceso químico la obtención de sosa en escamas a partir de un bloque de sosa; o incluso la licuación de cloro para su envasado en estado líquido. Procesos fisicoquímicos: Son las operaciones combinadas de manipulaciones físicas y reacciones químicas; por ejemplo, la electrolisis de una sal fundida. en este tipo de procesos existe un cambio de estado y un cambio de las propiedades químicas. Tecnología: es el conjunto de conocimientos con las que el hombre desarrolla un mejor entorno, más saludable, agradable y sobre todo cómodo para la optimización de la vida. La tecnología t ecnología combina la técnica de mejoramiento de un espacio con con las distintas revoluciones que se han suscitado en los últimos siglos, específicamente hablando de la revolución la revolución industrial, en ella, se marcó un antes y un después en la tecnología, el e l trabajo a mano a mano paso a ser un trabajo en serie producido por una una máquina a base base de vapor vapor con la que se movía algún tipo de herramienta y correa de d e transporte en en él, desarrollando así una materia prima en mayor cantidad, mejor presupuesto y de excelente calidad. Economía de la industria: Conjunto de actividades que implican la transformación de materias primas en productos en productos por por medio de la intervención mayoritaria del factor factor trabajo y del factor facto r capital. Conjunto de de teorías y conocimientos procedentes procedentes de la economía que tienen como objeto de estudio la la actividad industrial. Contabilidad : es la ciencia la ciencia social social que se encarga de estudiar, medir, analizar y registrar el el patrimonio de las las organizaciones, organizaciones, empresas empresas e individuos, e individuos, con el fin de servir en la toma de decisiones y control, y control, presentando presentando la la información, previamente registrada, registrada, de manera sistemática y útil para las distintas partes interesadas. Posee además una técnica que produce sistemáticamente y estructuradamente información cuantitativa y valiosa, expresada en unidades monetarias acerca de las transacciones que efectúan las entidades económicas y de ciertos ciertos eventos económicos económicos identificables y cuantificables que la afectan, con la finalidad de facilitarla a los diversos públicos interesados. La finalidad de la contabilidad es suministrar información en un momento dado y de los resultados r esultados obtenidos durante un período d e tiempo, que resulta de de
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
utilidad a los usuarios en la toma de sus decisiones, tanto para el control de la gestión pasada, como para las estimaciones de los resultados futuros, dotando tales decisiones de racionalidad y eficiencia Administración: es el acto de administrar, gestionar o dirigir empresas, negocios u organizaciones, personas y con el fin de alcanzar los objetivos definidos Ingeniería industrial: es por definición la rama de las ingenierías encargada del análisis, interpretación, comprensión, diseño, programación y control de sistemas productivos y logísticos con miras a gestionar, implementar y establecer estrategias de optimización con el objetivo de lograr el máximo rendimiento de los procesos de creación de bienes y/o la prestación de servicios. Técnica operacional: la constituyen las operaciones efectuadas en un orden lógico para la obtención del o los productos. Planta química productiva: Es el área de la fábrica donde se llevan a cabo los procesos físicos, fisicoquímicos y químicos para transformar la materia prima en producto terminado. Materias primas: es la materia extraída de la naturaleza y que se transforma para elaborar materiales que más tarde se transformarán en bienes de consumo. Las materias primas no son inagotables, es decir, su consumo tiene un límite, pues estas no se reproducen. También se define como materia prima a todos los elementos que se incluyen en la fabricación de un bien o producto. La materia prima son los elementos que se transforman e incorporan en el producto final. Un producto terminado tiene incluido una serie de elementos y subproductos, que mediante un proceso de transformación permitieron la creación final del producto final. Laboratorio analítico de control de calidad: es un mecanismo diseñado para detectar, reducir, y corregir posibles deficiencias analíticas internas, antes de emitir un resultado. Tiene por finalidad aumentar la calidad y confiabilidad de los resultados informados. El control de calidad es básicamente una medida de precisión, o de que tan bien un sistema de medición reproduce un mismo resultado a lo largo del tiempo bajo condiciones operativas diferentes. Para ello se hace uso de un material de control sobre el cual se realiza una serie de determinaciones al comienzo de cada corrida analítica, luego de que un instrumento recibe servicio técnico, cada vez que se cambia un lote de reactivos, luego de cada calibración, y toda vez que un resultado parezca inapropiado Planta productiva: En ésta se procesa la materia prima y se obtiene el producto final en una producción de calidad para su aceptación o rechazo. si se acepta, ésta recibe el nombre de producto final o producto terminado. Producto: es el bien o sustancia fabricado por la industria que se sujetara al análisis de control de calidad para su aceptación o rechazo. Si se acepta, éste recibe el nombre de producto final o producto terminado. Subproducto: es un producto secundario y, a veces, inesperado. También se llama subproducto al residuo de un proceso al que se le puede sacar una segunda utilidad. No es un desecho porque no se lo elimina, sino que se lo usa para otro proceso.
•
•
•
Es ventajoso encontrar una utilidad para los desechos y convertirlos en subproductos reaprovecharles de algún modo. Así, en vez de pagar el costo de eliminar el desecho, se crea la posibilidad de obtener un beneficio. Además de la ventaja económica está la ventaja ambiental de reducir o eliminar los residuos que en otro caso recibiría el entorno. Producto recuperado: Es el producto que inicialmente no cumplió con los estándares de calidad y es reprocesado para elevar su calidad y así ser aceptado por el laboratorio de control de calidad. Planta piloto: es una planta de proceso a escala reducida. El fin que se persigue al diseñar, construir y operar una planta piloto es obtener información sobre un determinado proceso físico o químico, que permita determinar si el proceso es técnica y económicamente viable, así como establecer los parámetros de operación óptimos de dicho proceso para el posterior diseño y construcción de la planta a escala industrial. Desecho industrial: Es cualquier elemento, sustancia u objeto en estado sólido, semisólido, líquido o gaseoso, obtenido como resultado de un proceso industrial, por la realización de una actividad de servicio, o por estar relacionado directa o indirectamente con la actividad, incluyendo eventuales emergencias o accidentes, del cual su poseedor productor o generador, no pueda utilizarlo, se desprenda o tenga la obligación legal de hacerlo.
3. Mencione la clasificación de las materias primas:
Según su origen, las materias primas se pueden clasificar en:
Materias primas vegetales: Como la madera o el algodón, con los que se fabrican muebles y tejidos.
Materias primas animal: Como la piel y la leche de las vacas.
Materias primas minerales: Que a su vez se clasifican en: • Minerales metálicos: Como el hierro o el cobre, que utilizan industrias como la metalúrgica. • Minerales no metálicos: Como el azufre o la fluorita, que emplea la industria química, entre otras.
4. Mencione como se clasifiquen los productos: Los productos pueden clasificarse en tres grupos según su durabilidad o tangibilidad.
Los bienes no duraderos son bienes tangibles que se consumen por lo general en una o varias veces que se usen. Ejemplos de ello son la cerveza, el jabón y la sal.
Los bienes duraderos son bienes tangibles que suelen sobrevivir al uso. Los ejemplos incluyen refrigeradores, maquinas herramientas y ropa. Los servicios son actividades, beneficios o satisfacciones que se ofrecen en venta; por ejemplo, cortes de cabello y reparaciones.
Bienes de consumo. Los bienes de consumo son los que compran los consumidores definitivos para su propio consumo. Por lo general, las mercadologías clasifican estos bienes basándose en los hábitos de compra del consumidor.
5. Mencione y explique en cómo se clasifican las empresas: Las empresas se clasifican según:
a. Según su actividad: • Agropecuarias: Son aquellas que producen bienes agrícolas y pecuarios en grandes cantidades. Son las empresas que proporcionan materia prima a otras industrias, por ejemplo, pesca, agricultura, caza, explotación de bosques, etc.
Ejemplos: granjas avícolas, porcícolas, invernaderos, haciendas de producción agrícola, ganadería intensiva de bovinos, entre otras. • Mineras: Son las que tienen como objetivo principal la explotación de los recursos del suelo.
Ejemplos: empresas de petróleos, auríferas, de piedras preciosas, y de otros minerales. En nuestra región encontramos la mina de mármol. • Industriales: Son las que se dedican a transformar la materia prima en productos terminados. Se dedican a la producción de bienes, mediante la transformación de la materia prima a través de los procesos de fabricación.
Ejemplos: fábricas de telas, fábricas de camisas, fábricas de muebles, fábricas de calzado, fábrica de pulpas, mermeladas y encurtidos.
• Comerciales: Son Empresas que se dedican a la compra y venta de productos terminados, tales como almacenes, librerías, farmacias, supermercados. • De servicios: Son las que buscan prestar un servicio para satisfacer las necesidades de la comunidad.
Ejemplos: Servicios en salud, en educación, transporte, recreación, servicios públicos, seguros, y otros servicios. b. Según la propiedad: • Privadas: Son las empresas que para su constitución y funcionamiento necesitan aportes de personas particulares. p articulares.
Ejemplos: un centro educativo, un supermercado propiedad de una familia, un taller de carros, una fábrica de ropa, una empresa de lácteos. • Oficiales o Públicas: Son las empresas que para su funcionamiento reciben aportes del Estado. Departamentales, Colegios Nacionales. Nacionales. Ejemplos: Hospitales Departamentales, • De economía mixta: Son las empresas que reciben aportes de los particulares y del Estado. c. Según su tamaño • Microempresa: Posee menos de 10 trabajadores. • Pequeña empresa: Es la que maneja escaso capital. Su contabilidad es sencilla, cuenta con menos de 50 empleados trabando en la empresa y cubre una parte del mercado local o regional. • Mediana empresa:
En este tipo de empresa puede observase una mayor especialización de la producción o trabajo, tr abajo, en consecuencia, el número de empleados es mayor que el anterior, tiene de 50 a 250 empleados laborando, la inversión y los rendimientos obtenidos ya son considerables, su información contable es amplia y su producto solamente llega al ámbito nacional.
• Gran empresa: Es la de mayor organización, posee personal técnico, profesional y especializado para cada actividad, las inversiones y rendimientos son de mayor cuantía. Tiene más de 250 empleados, y su producto abarca el mercado internacional. d. De acuerdo con el número de propietarios. • Individuales: Se denominan también empresas unitarias o de propietario único. En ellas, aunque una persona es la dueña, la actividad de la empresa se extiende a más personas, quienes pueden ser familiares o empleados particulares. • Unipersonales: Es la persona natural o jurídica, que, reuniendo las calidades jurídicas para ejercer ejercer el comercio, destina destina parte parte de sus activos activos para una o varias actividades de carácter mercantil. La empresa unipersonal una vez inscrita en el registro mercantil forma una persona jurídica. e. Según las sociedades: Son las empresas de propiedad de dos o más personas llanadas socios. Las personas se agrupan por medio de un contrato de sociedad, y se denominan socios, los cuales hacen un aporte en dinero, en trabajo o en bienes apreciables en dinero, dinero, con el fin de repartirse entre si las utilidades obtenidas en la empresa o actividad social. • Sociedad Colectiva: Está constituida por dos o más personas; los socios pueden aportar dinero o bienes, y sus responsabilidades es ilimitada y solidaria. La razón social se forma con el nombre o apellidos de uno o varios socios seguido de la expresión & Compañía. • Sociedad en comandita simple:
Se forma por dos o más personas, de las que por lo menos una tiene responsabilidad responsabilidad ilimitada; en la razón r azón social debe figurar el nombre o apellido de los socios que tienen responsabilidad ilimitada, seguido de la expresión & Cía. S. en C.
Ejemplo: Torres & Cía. S. en C. • Sociedad Anónima: Se forma con mínimo de cinco socios. El capital aportado está representado en acciones. La razón social se forma con el nombre que caracteriza a la empresa, seguido de la expresión S.A.
Ejemplo: Galletas Tostaditas S.A. • Sociedad en comandita por acciones: Se constituye por uno o más socios con responsabilidad ilimitada y cinco o más socios con responsabilidad limitada. El capital está representado en títulos de igual valor. Se distingue porque la razón social va acompañada de las iniciales S. C. A. (Sociedad en Comandita por Acciones).
Ejemplo: Computadores y Equipos S. C. A. f.
Por su constitución patrimonial • Públicas: Tales como Instituciones de Gobierno, Instituciones Autónomas, Municipalidades. • Privadas: Las que se dedican a la producción de bienes y/o servicios a la vez que buscan lucro, y su capital está formado por aportes de personas particulares. • Empresas Mixtas: En las cuales existe una colaboración entre el estado y el sector privado, actuando en forma conjunta en la formación de su capital (Corfo, Aguas Andinas, etc.).
6. Explique cuáles son las diferencias entre un proceso proce so químico, físico y fisicoquímico
Proceso Físico: Es aquel en que no ocurre ningún cambio en la estructura de la materia y se mantienen las propiedades de la sustancia de origen. Por ejemplo, cuando hierve el agua, cuando se tritura una semilla de eucalipto o cuando se corta un papel. • Propiedades extensivas: El valor medido de estas propiedades depende de la cantidad cuerpo material (masa). Ejemplo: inercia, peso, área, volumen, calor ganado, etc. • Propiedades intensivas: El valor medido de estas propiedades no depende de la cantidad de cuerpo material, su valor es constante a ciertas condiciones en la que se efectúa la medida, ejemplo: densidad, temperatura de ebullición, color, olor, sabor, calor latente, electronegatividad, etc.
Proceso Químico: Es aquel donde ocurre un cambio en la estructura de la materia, es decir, en donde al final se obtiene una nueva sustancia con propiedades diferentes a la o las sustancias de origen. Por ejemplo, cuando la pera se oxida, cuando se quema una semilla de eucalipto o cuando se enciende un fósforo.
Proceso Fisicoquímico Es un proceso en el cual ocurren cambios físicos y químicos, los que están íntimamente relacionados con las propiedades físicas y químicas de las moléculas. En el caso de la flotación, las características y propiedades físicas del cobre permiten que éste sea atraído hacia las burbujas de aire
7. Explique en qué parte de la industria se necesitan controles de calidad. Se induce a creer que la calidad depende del proceso de inspección y no del de producción o ejecución. Esto implica el surgimiento de cierta falta de compromiso o despreocupación de los ejecutantes para hacerlo bien a la primera, por lo tanto los l os posibles errores serán detectados y corregidos por la inspección o el control posterior. Este tipo de control aumenta mucho los costos de los procesos por la necesidad de crear un equipo especializado en el control. El costo de los procesos clásicos clásicos de Control de Calidad puede elevarse hasta un 35% de la cifra de ventas.
En ocasiones, es el jefe inmediato el que realiza este tipo de Control de Calidad. El mando tiene que supervisar el trabajo y es responsable de la calidad del mismo. Pero si su labor de supervisión consiste en revisar todo el trabajo de sus subordinados, en puridad, esto significa una duplicación del trabajo de éstos, y la disminución o eliminación del uso de la cadena de mando para otros cometidos. Así pues, desde los años 30 a los 60, el énfasis se centraba en la labor de inspección y en el establecimiento de tolerancias para los productos, y este control se llevaba a cabo en la recepción de materiales y, al final, en el control de productos acabados. El objetivo era limitar el envío de unidades defectuosas al mercado. No evitaba los defectos de fabricación, por lo que había un costo elevado de nocalidad, ya que los productos que no pasaban el control tenían que ser eliminados o reparados, reprocesado en terminología propia de la calidad.
8. Explique la diferencia entre un subproducto y desecho industrial.
Un subproducto: Es un producto secundario y, a veces, inesperado. También se llama subproducto al residuo de un proceso al que se le puede sacar una segunda utilidad. No es un desecho porque no se lo elimina sino que se lo usa para otro proceso. Es ventajoso encontrar una utilidad para los desechos y convertirlos en subproductos reutilizables de algún modo. Así, en vez de pagar el costo de eliminar el desecho, se crea la posibilidad de obtener un beneficio. Además de la ventaja económica está la ventaja ambiental de reducir o eliminar los residuos que en otro caso recibiría el entorno.
Desechos industriales: Es cualquier elemento, sustancia u objeto en estado sólido, semisólido, líquido o gaseoso, obtenido como resultado de un proceso industrial, por la realización de una actividad de servicio, o por estar relacionado directa o indirectamente con la actividad, incluyendo eventuales emergencias o accidentes, del cual su poseedor productor o generador, no pueda utilizarlo, se desprenda o tenga la obligación legal de hacerlo. SUBPRODUCTOS DESECHOS Material que puede ser No tiene utilidad para la recirculado a la planta planta productiva. productiva.
Posee valor económico Material que sale de la considerable. industria y que no es necesariamente aprovechada.
9. Explique las diferencias entre empresa de extracción, transformación y explotación.
La industria de extracción: También llamada industria extractiva se integra por extracción de petróleo y minería.
La industria de transformación: Incluye todas las demás ramas industriales, como envasado de frutas y legumbres, refrescos embotellados, abonos y fertilizantes, vehículos, cemento, aparatos electrodomésticos, etc.
La industria de explotación: Industria cuya actividad principal es la explotación y tratamiento de materiales rocosos, arcillosos, arenosos, etc. Explotación conjunto organizado de medios materiales (capital) y humanos (trabajo) que, en un determinado lugar geográfico, están dedicados a la producción de uno o varios bienes o la prestación de uno o varios servicios, bajo una dirección única.
1° Limpieza de la fruta y
eliminacion de la dermis
2° Lavado y triturado
3° Mezclado Azucar (45:55)% Pectina y acido citrico(ph 305) • •
4° Evaporacion (80°C por 20-30 min) 5° Obtencion de la jalea
10.¿Cuáles son las materias usadas en el proceso productivo del ejercicio 9 y como se clasifican estas por su origen y composición? Las materias primas que se usaron en el ejercicio anterior son fruta, solidos solubles, azúcar, pectina y ácido cítrico; sin embargo todas estas estarían dentro de las materias primas vegetales.
11.¿Qué fenómenos físico se llevan a cabo? El fenómeno quimio que ocurrió fue la evaporación sin embargo el físico fue el cambio del ph.
12¿Qué desechos resultan del proceso? El agua, la dermis y pedúnculos que salieron de las frutas.
13¿Cuáles son las condiciones de operación? El proceso de evaporado de 80 C por 20-30 minutos
14. ¿En qué tipo de empresa se clasifica el proceso? Básicamente se caracteriza por ser una industria de transformación
LEA EL SIGUIENTE TEXTO Y CONTESTE LO QUE SE LE CUESTIONA: El proceso de fabricación de silicato sódico inicia con la eliminación de la humedad de todas las materias primas: polvo de cuarzo fino, sulfato sódico y carbón vegetal, en seguida estas se envían a un equipo en donde se mezclen en las siguientes cantidades: polvo de cuarzo fino (100kg), sulfato sódico (70kg) y carbón vegetal (4kg); el equipo se pone en movimiento hasta que esté perfectamente combinado. Este material se introduce a un horno donde se obtienen silicato sódico, bióxido de carbono y bióxido de azufre. El horno tiene un quemador que funciona con fuel-oíl y su temperatura de funcionamiento es de 1500°C. Finalmente, una vez formado el silicato, se vacía y se enfría con agua. El material se reduce de tamaño y se le agrega agua.
15.- ¿Cuáles son las materias primas o insumos? Clasifíquelas de acuerdo con su composición y su origen.
Materias primas: •
Polvo de cuarzo fino Este es un mineral de origen variado que cristaliza directamente del magma. El cuarzo está compuesto de sílice (SiO 2), Pertenece a la clase 4 (óxidos) en la clasificación de Strunz.
•
Sulfato sódico Se origina mediante de reacciones de procesos químicos que le presentamos a continuación. Na2O + H2O ----> Na(OH), eso es un hidróxido de sodio. Por otro lado, se produce el óxido sulfúrico que es S + O ----> SO3 (teniendo en cuenta que el estado de oxidación del azufre es +6). Luego se suma con agua así: SO3 + H2O ----> H2SO4 (ácido sulfúrico) Y por último se suma el hidróxido de sodio con el ácido sulfúrico así H2SO4 + Na(OH) -----> Na2(SO4) + H2O (sulfato de sodio)
Y su composición es: H2SO4 (ácido sulfúrico) que ha perdido 2 H NaOH (hidróxido de sodio) que ha perdido un OH •
Carbón vegetal Se origina por calentamiento de madera y residuos vegetales, hasta temperaturas que oscilan entre 400 y 700 °C, en ausencia de aire Es un material combustible sólido, frágil y poroso compuesto por un alto contenido en carbono (del orden del 98%).
Insumos:
•
fuel-oil
16.- Identifique los suministros del proceso. •
Polvo de cuarzo fino
•
sódico
.
Carbón vegetal
•
Fuel-oil
17.- ¿Cuáles son los subproductos? •
Bióxido de carbono
•
Bióxido de azufre
18. Identifique los procesos físicos (operaciones unitarias). • Secado
• Mezclado
19. Mencione los procesos químicos (procesos unitarios). - Calcinación:
En el proceso de hidrogenación del carbono, para obtener gasolina sintética, se alimenta carbón y un catalizador a un triturador y la descarga se empasta con aceite en un depósito. En seguida, una bomba toma la pasta, la comprime y la introduce en un horno donde se realiza la reacción de hidrogenación a 450 °C y 200 atm. El producto caliente pasa por una centrifuga para separar la materia volátil, la cual se envía a una columna de destilación. El aceite pesado que se descarga de la centrifuga y de la columna del fondo, va hacia un depósito para recircularlo después y empastar más carbón. El destilado de la columna se lleva al horno de gasolina donde reacciona con hidrogeno en presencia de un catalizador granulado, a 200 atm y 450°C. El producto gaseoso pasa a otra columna de destilación que descarga gases licuables (principalmente propano) y como producto de fondo es gasolina que se purifica con lejía alcalina (hidróxido de sodio).
20. ¿Cuáles son las materias primas que se utilizan en el proceso antes descrito? Clasifíquelas de acuerdo con su composición y origen. Encontramos al carbón, hidrogeno, aceite, catalizador, lejía alcalina (hidróxido de sodio).
CARBON
CLASIFICACION SEGÚN ORIGEN: •
CARBONES HUMICOS Carbón que ha sido formado a partir de la acumulación de restos vegetales que han conservado su estructura morfológica. La mayoría de los carbones húmicos son bandeados y tienden a desarrollar superficies de clivaje. Las variedades bituminosas están incluidas dentro de este grupo.
•
CARBONES SAPROPELICOS Los carbones sapropélicos no presentan laminaciones o un bandeado fino. Son homogéneos, más resistentes y duros. Pueden presentar una apariencia algo parecida al litotipo dureno de los carbones húmicos. Suelen ser más
densos porque contienen cantidades significativas de materia mineral debido a que su origen es subacuático, es decir, se forma a partir de una acumulación importante de polen, esporas o algas, dentro de un lago, donde puede decantar partículas finas de arcilla. Aunque formalmente no se han definido litotipos en estos carbones, existen dos tipos principales de carbones sapropélicos, con tipos de transición entre éstos: CANNEL y BOGHEAD
CLASIFICACION SEGÚN SU COMPOSICION: Las principales categorías de carbón se basan en el porcentaje d e carbono que contiene, el cual a su vez depende de la evolución geológica y biológica que ha experimentado el carbón:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Turba (50 a 55 %): producto de la fosilización de desechos vegetales por el micro organismo en zonas húmedas y pobres en oxígeno. Lignito (55 a 75 %), o carbón café: de característica suave. Carbón sub-bituminoso o Lignito negro. Hulla (75 a 90 %): Hulla grasa o Carbón bituminoso bajo en volátiles, tipo de carbón más corriente. Hulla semi grasa. Hulla delgada, o hulla seca. Antracita (90 a 95 %): el que tiene mayor proporción de carbono. Grafito: carbono puro, no utilizado como combustible.
HIDROGENO
SU COMPOSICION: El átomo de hidrógeno es el átomo más simple que existe y el único que admite una solución analítica exacta desde el punto de vista de la mecánica cuántica. El átomo de hidrógeno, es conocido también
como átomo monoelectrónico, debido a que está formado por un protón que se encuentra en el núcleo del átomo y que contiene más del 99,945 % de la masa del átomo, y un sólo electrón -unas 1836 veces menos masivo que el protón- que "orbita" alrededor de dicho núcleo (aunque también pueden existir átomos de hidrógeno con núcleos formados por un protón y 1 ó 2 neutrones más, llamados deuterio y tritio, respectivamente). Se puede hacer una analogía pedagógica del átomo de hidrógeno con un Sistema Solar, donde el sol sería el único Núcleo atómico y que tiene la mayor cantidad de masa -concretamente es el 99,86 % del Sistema Solar- y en su órbita tuviera un solo planeta (Electrón) que conformaría el resto de la masa del Sistema (átomo de protio (1H)). Esto hace del hidrógeno el más simple de todos los elementos de la tabla.
ACEITE
CLASIFICACION SEGÚN ORIGEN: •
•
Aceites Minerales: Los aceites minerales proceden del Petróleo, y Son elaborados del mismo después de múltiples procesos en sus plantas de producción, en las Refinarías. El petróleo bruto tiene diferentes componentes que lo hace indicado para distintos tipos de producto final, siendo el más adecuado para obtener Aceites el Crudo Paranínfico. Aceites Sintéticos: Los Aceites Sintéticos no tienen su origen directo del Crudo o petróleo, sino que son creados de Sub-productos petrolíferos combinados en procesos de laboratorio. Al ser más largo y complejo su elaboración, resultan más caros que los aceites minerales. Dentro de los aceites Sintéticos, estos se pueden clasificar en:
OLIGOMEROS OLEFINICOS •
•
•
ESTERES ORGANICO POLIGLICOLES FOSFATO ESTERES
CLASIFICACION SEGÚN SU COMPOSICION: La mayor proporción de un aceite la constituyen los triglicéridos (también llamados triacilgliceroles), que son el resultado de la combinación de los tres grupos alcohólicos del glicerol (glicerina) con tres ácidos grasos igual o distinto. También pueden estar presentes monoglicéridos y diglicéridos, en los que cada molécula de glicerina se combina con uno o con dos moléculas de ácidos grasos, respectivamente, y también ácidos grasos libres (a los que se debe la acidez). En ese medio están disueltas otras sustancias como vitaminas, esteroles (colesterol en las grasas animales y fitoesteroles en las vegetales), así como pigmentos (la clorofila da tonos verdes, los carotenoides amarillos a rojos) y otras sustancias liposolubles (tocoferoles…). Las grasas tienen mala prensa porque cada gramo aporta a la dieta en torno a 9 kilocalorías, pero suele desconocerse que el 50% del peso seco del cerebro humano está constituido por lípidos
CATALIZADOR
CLASIFICACION SEGÚN ORIGEN: Haciendo referencia a su modo de acción o a su naturaleza, a veces se distinguen otros tipos, entre ellos: Electrocatalizador: colabora en la transferencia de electrones entre el electrodo y los reactivos, y facilita una transformación química intermedia (semirreacción). Por ejemplo, se emplean estos catalizadores en la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis de agua. Organocatalizador: pequeñas moléculas orgánicas libres de metales con muy baja sensibilidad a la humedad y al oxígeno, por lo que no exigen condiciones de reacción especiales. Son particularmente atractivas para ser usadas en la preparación de compuestos en los que no se admite la contaminación con metales (medicamentos, por ejemplo).
Catalizador biológico: el ejemplo clásico son las enzimas intervienen en diversos procesos naturales e industriales . Catalizador de partículas sólidas: Por ejemplo, los catalizador sólidos metálicos de automóvil, que aceleran la transformación de los gases de combustión que se quiere eliminar (principalmente monóxido de carbono, óxido de nitrógeno e hidrocarburos asociados a la combustión incompleta o ineficiente).Dentro de estos encontramos a los llamados catalizadores de tres vías, porque
eliminan los tres contaminantes principales en el mismo compartimento.
CLASIFICACIÓN SEGÚN SU COMPOSICIÓN: En primer lugar, los catalizadores pueden clasificarse en dos grandes grupos, teniendo en cuenta si aceleran o retardan el proceso químico:
•
•
•
•
Catalizador positivo: es el que aumenta la velocidad de una reacción; son los más comunes. Catalizador negativo (o inhibidor): retarda el proceso químico. De acuerdo con la fase en que se encuentran se distinguen dos tipos: Catalizador homogéneo: el catalizador está en la misma fase que los reactivos y se combina con alguno de ellos para generar un compuesto intermediario inestable, que rápidamente se tiende a combinar con más reactivo y genera así más producto. Catalizador heterogéneo (o de contacto): los reactivos y el catalizador no están en la misma fase; esos son materiales que ofrecen superficies adsorbentes, las que consiguen aumentar la concentración y superficie de contacto entre los reactivos, o bien debilitan las uniones y disminuyen así la energía de activación. Los metales y los óxidos de metales (de níquel. platino, hierro) son los más comunes.
LEJÍA ALCALINA (HIDROXIDO DE SODIO)
COMPOSICIÓN FÍSICA Punto de ebullición: 1388ºC (a 760 mm de Hg) Punto de fusión: 318.4 ºC Índice de refracción a 589.4 nm: 1.433 ( a 320 º) y 1.421 (a 420 ºC) Presión de vapor: 1mm (739 ºC) Densidad: 2.13 g/ml (25 ºC) Solubilidad: Soluble en agua, alcoholes y glicerol, insoluble en acetona (aunque reacciona con ella) y éter. 1 g se disuelve en 0.9 ml de agua, 0.3 ml de agua hirviendo, 7.2 ml de alcohol etílico y 4.2 ml de metanol. pH de disoluciones acuosas (peso/peso): 0.05 %:12; 0.5 %: 13 y 5 %: 14. Calor específico: 0.35 cal/g °C (20 °C) Calor latente de fusión: 40 cal/g Calor de formación: 100.97 Kcal/mol (forma alfa) y 101.95 Kcal/mol (forma beta) Calor de transición de la forma alfa a la beta:
24.69 cal/g Temperatura de transición: 299.6 °C Energía libre de formación: 90.7 Kcal/ mol (a 25 °C y 760 mm de Hg).
COMPOSICION QUÍMICA El Hidróxido de Sodio es una base fuerte, se disuelve con facilidad en agua generando gran cantidad de calor y disociándose por completo en sus iones, es también muy soluble en Etanol y Metanol. Reacciona con ácidos (también generando calor), compuestos orgánicos halogenados y con metales como el Aluminio, Estaño y Zinc generando Hidrógeno, que es un gas combustible altamente explosivo. El Hidróxido de Sodio es corrosivo para muchos metales. Reacciona con sales de amonio generando peligro de producción de fuego, ataca algunas formas de plástico, caucho y recubrimientos El Hidróxido de Sodio Anhidro reacciona lentamente con muchas sustancias, sin embargo, la velocidad de reacción aumenta en gran medida con incrementos de temperatura. Los metales más nobles como el Níquel, Hidróxido de Sodio Plata y Oro son atacados solo a altas temperaturas y en atmósferas oxidantes. En presencia de la humedad del ambiente, el hidróxido de sodio reacciona con el Dióxido de Carbono para generar Carbonato de Sodio. Reacciona con el Monóxido de Carbono bajo presión para dar formato de Sodio, también en presencia de humedad. La hidratación paulatina del Hidróxido de Sodio genera seis diferentes hidratos: NaOH.H2O, NaOH.2H2O, NaOH.3, 5H2O, NaOH.4H2O, NaOH.5H2O, NaOH.7H2O. La gran afinidad del Hidróxido de Sodio por el agua causa una reducción en la presión de vapor del agua y por tal razón es un muy buen agente secante.
21. Mencione cuál es el producto, el subproducto y los desechos del proceso. Producto Es el bien o sustancia fabricado por la industria que se sujetará al análisis de control de calidad para su aceptación o rechazo. Si se acepta, éste recibe el nombre de producto final o producto terminado. PRODUCTO ---- Gasolina
Subproducto Este término se utiliza para nombrar a los productos secundarios que son parte de las materias primas, degradadas o transformadas, que no tienen las características del producto final. Algunos de estos subproductos son recirculados a la planta productiva, otros, en ocasiones, son aprovechados directamente o bien pasan a la planta piloto para obtener otros productos de mayor rendimiento económico. SUBPRODUCTO--- Propano
Desecho industrial Es toda sustancia que sale de la industria y que no es económicamente aprovechada ni de utilidad para la planta productiva, aunque sí puede ser útil en otra industria. Los desechos industriales son muy variados, por ejemplo: las emisiones de humo de la chimenea, las aguas residuales de los drenajes y los residuos que produce una planta química productiva (algunos de estos residuos químicos pueden ser peligrosos para el medio ambiente, por lo que el laboratorio de investigación deberá estar encargado de investigar la manera de eliminarlos sin producir daños al medio ambiente; una vez que se dictamina la mejor manera de eliminarlos, corresponde a la planta piloto aplicar la técnica correspondiente para tratarlos y desecharlos en una forma segura y confiable). DESECHO-------- Los residuos de la purificación del propano, vapor
22. Identifique las operaciones unitarias y los procesos unitarios que se llevan a cabo en este proceso de producción: Durante el procesamiento del maíz se obtiene almidón y proteína mediante las siguientes operaciones: primero, se remoja el maíz en agua a una temperatura de 70 ºC, durante 1 o 2 día. E n seguid, se le añade 0,15% se S 2 para su fermentación, posteriormente el grano húmedo se tritura para obtener una suspensión que contiene gérmenes, salvado, almidón y gluten. El germen se separa de la pasta liquida mediante separadores neumáticos (ciclones) para líquidos. Los gérmenes lavados y secos pasan al proceso de extracción del aceite de maíz. Mediante una molienda y un tamizado que se repite varias veces, el salvado se separa de las demás fibras. El resto de la pasta liquida contiene de 5 o 8% en peso de proteína, la cual se concentra separándose el almidón más denso del gluten y el primero se filtra, se lava y se seca. El gluten se seca y se utiliza en la elaboración de alimentos para el ganado.
Solución Las operaciones y procesos unitarios que se llevan a cabo en el proceso son: •
•
•
•
•
•
Centrifugado Empastado Destilación Trituración Hidrogenación Combustión
23. ¿Cuáles son las materias primas en el proceso antes descrito? Clasifíquelas de acuerdo con su composición y origen. Composición Química
Materia PrimaOrigen
Orgánica
Maíz
Inorgánica
2
Materia Prima
Vegetal
Maíz
24. Mencione cuál es el producto, el subproducto y los desechos del proceso. •
•
•
PRODUCTO: almidón. SUBPRODUCTO: gérmenes, gluten. DESECHOS DEL PROCESO: aguas residuales.
25. Identifique las operaciones unitarias y los procesos unitarios que se llevan a cabo en este proceso de producción. Operaciones Unitarias (procesos físicos) Secado. Tamizado. Filtración. Trituración. Molienda.
Procesos Unitarios (procesos químicos) Fermentación.
26. Elabore el diagrama de bloque en donde se distinga la secuencia del proceso de producción
Maíz FERMENTACIÓN
2
TRITURACIÓN
Gérmenes
aceite de maíz
Salvado MOLIENDA Y TAMIZADO
Gluten SECADO
Almidón
Alimento de Ganado FILTRACIÓN
En base al esquema identifique:
27. Materias primas * Caña de azúcar
28. Clasificación materia prima
* Caña de azúcar: Por composición química – “ORGÁNICA” Por origen – “VEGETAL”
29.
Servicios
*Servicio de mantenimiento: la maquinaria *Servicio privado: transporte de productos *Servicios públicos: agua, luz, etc.
30. Productos obtenidos *Azúcar morena *Azúcar blanca *Alcohol
31. Subproductos *Bagazo: aplicación como combustible, alimento de ganado y elaboración de papel. *Pasta: aplicación como fertilizante y alimento de ganado. *Melazas: fermentado para producir alcohol.
32. Procesos físicos y químicos *Proceso físico
-Lavado
-Secado
-Triturado
-Prensado
-Centrifugado
*Proceso químico
-Refinado
-fermentado
-clarificado
Cap
2
SISTEMA DE UNIDADES Y SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
1.
Hallar a) el producto elaborado en ton/h de piña y durazno PIÑA
DURAZNO
b) En kg/año PIÑA
DURAZNO
2.
Envases/año a) PIÑA
= 0.75 kg/envase
b) DURAZNO
ENVASE VOLUMEN
Flujo másico
44 472 995.01 envase/año
3.
Temperatura del proceso
Una empresa desea adquirir un generador de vapor para su proceso y tiene las siguientes opciones: Tipo de generado ble d d
Combusti Consumo Capacida Costo del Densidad combusti r de vapor calorífica ble
1
Gas
1,3 lb/h
2
Gasolina
3
Diésel
11650 kcal/kg
1,55 $/lb
1,2 g/L
0,8 m3/turno 42,3 BTU/g
15 $/gal
0,85 g/cm3
1350 L/día
90 $/ft3
0,91 g/cm3
42,49 cal/g
4.
La cantidad de energía en forma de calor que genera cada equipo en 3 horas de trabajo. Exprese sus resultados en BTU (considere que calor= masa x capacidad calorífica).
5.
GAS
Convertimos a BTU:
Entonces en 3 h de consumo, la energía será:
Energia = 81855.12BTU
GASOLINA
Entonces en 3 h de consumo, la energía será:
Energia = 10786500BTU
DISEL
Entonces en 3 h de consumo, la energía será:
Energia = 25892.34BTU
6.
Si se requieren 1,55 x 106 kcal en el proceso, ¿cuál sería la opción más adecuada?
GAS
Energia =20627.49kcal
GASOLINA
Energia = 2718198Kcal
DISEL
Energia = 6524.87kcal RESPUESTA: Por tanto, la mejor opción es la gasolina.
6) Según los cálculos anteriores, ¿Cuál sería la mejor opción a elegir? RESPUESTA: Por tanto, la mejor opción es la gasolina. Una empresa que fabrica empaques automotrices trabaja 7 horas efectiva cada día (un turno) y durante la operación presenta los siguientes consumos de energía con esta información determine:
Energético o energía Gasolina Gas Electricidad
Consumo 10 gal/semestre 5Kg/día 10 kW h/día
Costo 130 $/ft 3 2,50 $/lb 0,003 $/BTU
7) Costo de operación de la fábrica durante 15 días hábiles. RESPUESTA: Para la gasolina:
10
x 1 x 6
1 30
x 1 x 24ℎ
7ℎ
x 1303 $ x
1 3 7,481
= 0.282
Para el gas:
= 8.03
Para la electricidad:
Costo de operación de 15 días fue:
x 15 días = 572.625 $
8) Si la gasolina tiene un poder calorífico de 11.83 kcal/cm 3 y el gas de 10.30 kcal/g ¿Cuál será la cantidad en BTU utilizado durante cinco días de trabajo por concepto de utilizar gasolina, gas y electricidad
RESPUESTA: Para gasolina:
Para gas:
Para electricidad:
Cantidad en BTU utilizado por 5 días:
x 5 días = 362409.82 BTU
9) En una empresa se tiene los siguientes consumos por concepto de energía y energéticos. La empresa trabaja 8 horas diarias y consume en promedio 10 ℎ⁄ de energía eléctrica, su sistema de calentamiento trabaja mediante la combustión de un gas que proporciona
11,76 ⁄ℎ por cada gramo que se quema. Utilizando un promedio
de 0,25 ⁄ℎ de gas. También se utiliza combustible un promedio de 1 ⁄ℎ, cuya densidad es de 1,1 ⁄ con poder calorífico de 1193,45 .
Si los costos promedio por concepto de energía y energéticos son de
$0.20⁄. Determine el costo total por concepto de energía y energéticos por cada semana de trabajo (6 días).
RESPUESTA: *combustión de un gas de un sistema de calentamiento
11,76 ⁄ℎ Por gramo
pero se utiliza 0,25 ⁄ℎ por hora
0. Entonces:
11,76 ⁄ℎ × 113,3975 = 1333,5546 ⁄ℎ *consume de energía eléctrica
10 ℎ⁄
*consumo de combustible
1193,45 = 300,9456
Calculando el costo diario (8horas)
$0.20⁄
*Costo por combustión de un gas de un sistema de calentamiento
1333,5546 ⁄ℎ × 8ℎ × 0.20⁄ = $2133.6874 *Costo de combustible
136505.915 ⁄ℎ × 8ℎ × 0.20⁄ = $218409.464 Calculando costo semanal (6dias) *Costo por combustión de un gas de un sistema de calentamiento
$2133.6874 × 6 = $12802.1244 *Costo de combustible
$218409.464 × 6 = $1310456.78 *consume de energía eléctrica
Costo total de energía y energéticos = $12802.1244 + $1310456.78 + $10318.14 = $1333577.04 ∴ = = $1333577.04
10) Proporcione las dimensiones para la Nr, donde Nr = Numero de Reynold, D=diámetro, = Densidad, V= Velocidad y = viscosidad cP(CentiPoise).
RESPUESTA:
Unidades (
11) Cuanta energía en ft lb, tiene un tambor de 100lb suspendido 10ft sobre la tierra la superficie de la tierra con referencia a dicha superficie.
RESPUESTA:
Energía potencial= 100lb x 100ft x 9,8
12) Cien libras de agua fluyen por una tubería a razón de 10 ft/s, ¿Cuánta energía cinética tiene el agua en ft lb?
RESPUESTA:
Ec = x m x
x 100 lb x
=5 x
lbFt/
13) convertir 130°C en: K, °F, R. RESPUESTA: K= 130°C + 273 = 403K °F= 32 + (130°C x 1.8) = 266°F R= 491.67 + (130°C x 1.8) = 725.67R
14) La conductividad térmica del aluminio a 32 es 117 valor equivalente a 0°C en términos de RESPUESTA:
.
, calcule el
15) La capacidad calorífica del dada en un manual, tiene las unidades J/gmol°C y está dada por la relación donde T se expresa en °C. Modifique la fórmula de modo que la expresión resultante tenga asociadas las unidades BTU/lbmol°R.
RESPUESTA:
1lb=454g
° = 1.8(1.055 ∗ 10−1°) + 32 = 32.28 ° ⁄ = ⁄° °
13.89 ⁄° = 13.89 ⁄°
16) un cubo de hierro mide 2 por lado y tiene una masa de 62.9 . Calcule su densidad en ⁄3. RESPUESTA: Llevando las unidades en m y Kg
= 2
= 62,9
= 0.02
= 0,0629
Hallando el volumen del cubo de hierro.
= ()3 = (0.02)3 = 8 × 10−63
Calculando la densidad en ⁄3.
= ⁄
0,0629 ⁄ −63 = 8 × 10
∴ = 7,86 × 103 ⁄3
17) Pasar los siguientes datos de unidades a condiciones normales de presión y temperatura: 15 kg/cm3, 70 ºF (considere que CNPT implican que P=1 atm y T=0 ºC).
RESPUESTA:
do=15 kg/ 〖cm〗^3 *(〖10〗^6 〖cm〗^3)/〖1 m〗^3 =15*〖10〗^6 kg/m^3 To=70 ºF = 294.261 ºK Tf=0 ºC = 273 ºK
18) y
La torre Eiffel tiene 984 pies de altura, exprese esta unidad en: m, cm yd
RESPUESTA: 984pies x 0,3048m/1 pie= 299,9232 m 984 pies= 299,9232 m x 100cm/1m= 29992,32 cm 984 pies= 299,9232 m x 1yd/0,9144m= 328 yd
19) ¿cuál es la dimensión del lado de un cubo volumen es de 3375 3 ?
RESPUESTA:
21) Un estudiante hizo tres mediciones de peso de un objeto: 19,17oz. 9,15g y 18,4 lb. ¿Cuál es el promedio en peso del objeto en mg?
RESPUESTA: 1 onza 19,17 oz
28,35 gramos X
X = 543,47 g
Y = 9,15 g
1 libra
453,59 gramos
18,4 lb
Z
Z = 8346,05 g
El promedio: X + Y + Z = 543,47g + 9,15g + 8346,05g 3
2966,22 g
= 2966,22g
3
1000 mg
= 2 966 220 mg
1g
22. La densidad del alcohol es de 0.8 g/ml. ¿Cuál es el peso de 5 galones de esta sustancia?
1 galón estadounidense
3.785L
5 galones estadounidense
18.925L
La densidad muestra la masa contenida en un determinado volumen. 1L
80 g
18.925L
X
∴ = 1514 . La masa contenida en 5 galones de alcohol es de 1514 g.
23. Calcule la densidad de un bloque de madera en y tiene las dimensiones de 2.5 in, 0.10m y 10 yd.
6 cm 340 500 g
, el cual pesa 750 lb
m = 750 lb = (750) (454 g) =
10 cm V= (6cm) (10cm) (914.4cm) = 54 864 3 914.4 cm
24. La capacidad calorífica a presión constante del agua a 200°F es de 10.8 BTU/lb mol R. calcular en Kcal/Kg mol K. 1 BTU
252 cal
1 lb
454 g
1R
1.8 K
(10.8 BTU/lb mol R) (252 cal/1BTU) (1lb/454 g) (1R/1.8K) = 33.30 Kcal/Kg mol K.
25.
El valor de la constante R de los gases ideales es 1545
exprese el valor en
48.28 Pa 1lb
454 g
1R
1.8 K
1atm
101 325 Pa
26. Una ecuación simplificada para la transmisión de calor de un tubo de aire es Q=h x A x ΔT, donde h es el coeficiente de transferencia de calor (h=0.269 x
) en
, A es área, Q es cantidad de calor en Btu/h, ΔT es la diferencia de temperaturas en ℉, G es la velocidad másica (1lb/h 2) y D es diámetro en ft. a) En caso de expresar h en cal/min 2℃, ¿Cuál sería la nueva constante de la ecuación en vez de 0.026? b) Si G y D fueran a utilizarse con las unidades G=g/min 2, h=cal/min 2℃ y D=cm, ¿Cuál sería la constante alfa h=alfa
SOLUCION
?
a) h= 0.269 x h= - 0.7 x 10−4 x cal/min 2℃,
27. Una unidad muy usada para medir presiones es el bar ( será la presión en la ciudad de México en dicha unidad?
¿cuál
Presión en la ciudad de México = 580 mmHg. 1atm X
X= 0.7632 atm.
760 mmHg 580 mmHg
) = 77 326.97 Pa
1bar
105
X
77 326.97 Pa = 0.77
28. De la ecuación: = ( ) , 1 = 10−5, q(carga) en uem, 1uem= 10C, y v(velocidad) en cm/s se obtiene la unidad conocida como gauss (dina s/uem cm). Obtenga la equivalencia entre un tesla(T) y un gauss.
= . .
S.I F en N
=
V en m/s
= /
q en C
= =10C
B en tesla (T)
Equivalencia entre un tesla (T) y un gauss
29. La densidad del aluminio metálico es de 2,7 ⁄3 Sabiendo que un mol (6,022 × 1023) ⁄ de átomos tiene una masa de 26,91815 (peso atómico): 1 − 6,022 × 1023
26,91815 − 6,022 × 1023
− 1
∴ 1 = 4,48 × 10−23
a) calcule el volumen que ocupa cada átomo de aluminio. = 2,7 ⁄3 1 = 4,48 × 10−23
= 1,66 × 10−233
b) obtenga el radio de una esfera con ese volumen en , , Å.
3 = 3,96 × 10−243
= 1,582 × 10−8
= 1,582 × 10−10 = 1,582Å
30. Si un avión viaja al doble de la velocidad del sonido (1100ft/s) ¿Cuál es su velocidad en millas por hora y en kilómetros por segundo? V = 2200ft/s 1ft
30.48 cm
1milla
1.609 Km
Cap. 3 Conceptos básicos usados en los procesos industriales y en la mezcla de gas sin reacción
1)En una industria productora champú se procesan 1735 lb/hora de producto con una densidad de 0,944 g/cm3. Determine: a) ¿Cuántos galones se procesan al año considerando 254 días laborables al año y dos turnos de trabajo por dia, uno de 8 horas y uno de 6 horas? Datos: d=0.944 g/cm3 v=1735 lb/h masa en 1 hora
Pasar de gal/hora a gal/año
¿Cuántas botellas se requieren anualmente si cada recipiente tiene un volumen de 355 mL y se llenan al 95% de su capacidad? Datos: Vol botella=355 mL = 95%
= 95% 355 = 337.25
El volumen en litros obtenido en 1 año es:
Nº de botellas anuales es:
º = ñ ÷
a) La industria en cuestión tiene una requisicion de 740 000 botellas para entregar en un mes, ¿lograra dicha producción? Considere que la planta productora trabaja 21 dias al mes. En caso contrario, ¿Qué haría usted para cumplir con lo solicitado por el cliente? Dato: 1 mes=21dias tenemos que saber cuántas botellas producen en un mes y por eso usaremos el dato hallado en la anterior pregunta (botellas por año)
-Una delas preguntas dice que si lograra la producción de 740 000 botellas en un mes, la respuesta es negativa ya que solo llegara a producir 732 995 al mes. -para llegar a la meta de 740 000 botellas al mes aumentaría las horas de trabajo de 14 horas al dia a 14horas 15minutos, veamos
= 14.25 ℎ ≅ 14ℎ 15
Una planta productora de puré de tomate (densidad =1,5 Kg/L) proceso 1,5 toneladas / hora de tomate, con un aprovechamiento de 85% en peso (el restante 15% corresponde a residuos). El plan de trabajo de la planta es de dos turnos de 8 horas cada uno y 5 días laborables a la semana. El producto final se envasa en recipientes de 8 cm de diámetro y 12 cm de altura, y se llena a 90% de su capacidad, una vez enlatado, el producto debe pasteurizarse a una temperatura entre 90°C y 92°C. Determine:
2)
8 cm=0.08m
a)¿Qué cantidad en masa de puré de tomate se obtendrán en una semana de trabajo? b)¿Cuantos envases se requerirán para envasar el producto obtenido en un mes, considere 4 semanas por mes?
12 cm=0.12m
c)¿Qué cantidad de desperdicio se genera en un día de trabajo? d)El laboratorio de control de calidad reporta que el equipo de pasteurizaciones halla trabajando a una temperatura de 205°F. Demuestre si cumple la especificación deseada y que haría usted en casa de un error
Pr: 1,5
a) Que cantidad en masa de pure de tomates se obtendrá en una semana de trabajo.
Qmt = 85% * 1.5 Qmt = 102 000Kg. Respt: La masa de Puré total es 102 000Kg. b)¿Cuántos envases se requerirán para envasar el producto obtenido en un mes, considere cuatro semanas por mes? Qmt / mes = 102 000Kg x 4 Qmt / mes = 408 000Kg
Vmt =
= 272 000L
V envase =
V envase = V envase = 0,603 L N° envases =
Respt: El N° envases es 451077
c)
¿Qué cantidad de desperdicio se genera en un día de trabajo?
Q desper = 0. Q desper = 3 600Kg Respt: La cantidad de desperdicio en un día es 3 600Kg d) El laboratorio de control de calidad reporta que el equipo de pasteurización se halla trabajando a una temperatura de 205°F. Demuestre si cubre la especificación deseada y que haría usted en caso de algún error.
° = 205°
° = 96,1 °
Respt: La temperatura usada es mayor a la que debería de ser en el proceso de pasteurización. La temperatura se excede entre 6° C y 4 °C.
3) Una limpiadora de tubería contiene 5lb de agua y 6lb de hidróxido de sodio(NaOH) a) ¿Cuál es la composición de los compuestos que integran el limpiador en por ciento de peso? •
Del Agua:
= 2270g x
masa total=2270g +2724g=4992g x
•
Del Hidróxido de sodio
= 2724g x
=2,72kg
La composición seria Del h20
•
=45.47%
Del NaOH =54.57%
b) Si se tienen en el almacén 17850 kg de NaOH. ¿Qué cantidad de limpiador podría elaborarse y cuánta agua se requeriría?
1. Hallando la cantidad de limpiador:
kg
2. Hallando la cantidad de agua requerida Cantidad de limpiador – cantidad de NaOH = 3642.85kg – 1785kg= 1860.85 c) ¿Cuantos recipientes de un galón podrán llenarse al 90% de su capacidad si la densidad de la solución de NaOH es 1,25g/cm3
1 galon =3,78litros
2= 1000kg/m3
Densidad = Hallando el volumen del agua
Hallando el volumen del hidróxido de sodio
m3x
volumen total= 0,005
=5l
La capacidad del recipiente al 90 % es
90% x 1galon x Entonces la cantidad de recipientes será:
4) Una fábrica que produce puré de durazno tiene la siguiente programación de producción: TURNO 1º 2º
JORNADA DIA 7-14 hrs 16-20 hrs
SEMANA Lunes a sábado Lunes a viernes
OPERADORES 2 1
Por cada kilogramo de fruta se utilizan 750g de pulpa cada 6 segundos por cada operario. Los envases utilizados para el producto tienen una capacidad de 400mL, llenados al 92.5% de su capacidad, la densidad del puré es 1.8%g/ 3. Con base en esta información, determine:
a) kg de materia prima/día
SOLUCION
Hallando el tiempo del 1er turno:10hr4-7hr=7hrs laboradas Tiempo del 2do turno= 20hr-16hr=4hr Horas producidas 1er turno=7hr x 2operarios=14hrs Horas Producidas en un día= 18hr
MATERIA PRIMA 1kg
PULPA 0.75kg
TIEMPO 6s =64800s
x
y
La cantidad de materia prima=
=10800kg de durazno
b) kg de pulpa/día La cantidad de pulpa producida en 1dia=
=8100kg de pulpa
c) % en peso de fruta aprovechada por kg de materia prima
=75% d) % en peso de fruta no aprovechada =25% e) Si el fabricante tiene un pedido de 80000 envases/semana, demuestre con cálculos si se satisface la demanda. Para satisfacer la demanda se necesitaría: 80000x92.5%(capacidad de llenado) x 0.4L (capacidad total) =29600L de pulpa
m=d x v
m=
x 29600L=53280kg se debe producir la semana
Cantidad de pulpa por día de lunes a viernes = 8100kg x 5=40500kg
Cantidad de pulpa producida el día sábado=
=6300kg
Cantidad de pulpa que se produce a la semana: 51300kg (No se cubre la Demanda) f) Si no se Cubre. ¿Qué haría para cubrirlo) •
•
Mejorar el proceso productivo disminuyendo las pérdidas de la pulpa por cada kilogramo de materia prima. Implementar trabajos en el segundo turno los días sábados .
6) En una industria se obtienen 500 toneladas / día de cloruro de plomo ( pbcl 3 );
para el proceso de obtención se utilizan 577,34 toneladas de nitrato de
plomo ( pb(no3)2) en grado analítico y 131,3 toneladas de ácido clorhídrico (hcl) . Determine: A) El costo del Pb (NO3)2 y del HCl utilizados, si el primero cuesta S//. 228,00 / Kg y el segundo S//. 24,57 / L; la densidad del HCl es 1,18 kg / L . Pb(NO3)2
+
Nitrato de Plomo
•
HCl
PbCl3
Acido Clorhídrico
El costo de Pb(NO3)2 Costo de Pb(NO3)2 = 577,34 T
S//. 228,00 / Kg 1000 Kg 1T
S//. 228,00 Kg
= S//. 131 633 520, 00
•
El costo de HCl
S//. 24,57 / L ; Densidad = 1,18 Kg / L
Costo de HCl = 131,3 T
1000 Kg 1T
1L 1,18 Kg
S// 24,57 1L
= S//. 2 736 015,25 B) Si el turno de trabajo es de 8 horas/ día y la empresa trabaja seis días de la semana, cuatro semanas al mes y 10 meses al año, ¿Qué cantidad de requiere para una producción anual? 577,34 T Día
6dias 1 semana
=
4 semanas 1 mes
10 meses 1 año
138 561, 60 T / año
C). ¿Cuál sería la inversión total anual de producción? Para el HCl 131,3
T Día
6dias 1 semana
4 semanas
10 meses
1 mes
1 año
= 31 512, 00 T / año Entonces: Para el Pb(NO3)2 …1 T
S//. 228 000,00
Para el HCl ….. 1 T
S//. 20 837,89
Pb(NO 3)2 se
En un año
S//. 228 000,00(138 561,60) + S//. 20 837,89 (31 512,00) = 322,56*10 8
7) Se secan por aspersión 1500 ft3 de solución de café soluble la cual contiene 25% en peso de solidos la solución tiene una densidad de 0.95g/ml.El aire entra al secador a una temperatura de 45°f.Con base a estos casos responda lo siguiente:
A) ¿Cuál es la masa de alimentación en unidades del sistema mks?
= 42 480 883,6 cm 3
Masa = 42 480 883,6 cm
= 40 356,8 kg de café soluble
B) ¿Qué cantidad de solidos tiene el café soluble antes del secado expresado en libras?
Sólidos en el café = 25% de 1500 ft3 = 375 ft3 = 10 620 220,9 mL M = 10 620 220,9 mL × 0,95 g/mL = 10 089 209,86 g 10 089 209,86 g × (1 lb)/(454 g) = 22 222,9 lb La cantidad de sólidos en el café es 22 222,9 lb C) ¿Qué cantidad de agua contiene el café soluble antes del secado expresado en unidades del sistema cgs?
Agua en el café = 75% de 1500 ft 3 = 31 860 662,7 cm 3 D) Transforme la temperatura al sistema mks 45 oF a oC x oC = 7,2 oC = 45 oF 8) Pérdidas = $ 2 848
L= 105ft
r=
32.01m
0.0508m
área del tubo
2π(0.0508m)(32.01m)= 10.222
a) L= 12.780 pulg x Área=2π x 0.0508m x 0.325m= 0.1037 2 Costo: 0.8752 ------˃ $ 18.95 0.1037 2 ------˃ X X = $ 2.246
b) Área = 2π(0.0508m)(32.01m)= 10.22 2 0.8752 ------˃ $ 18.95 10.222 ------˃ X X = $ 221.34 Ahorro anual: $2848 – $221.4 = $2626.66
c) Grosor 2 pulg x Volumen: π(2)ℎ = (0.0508)2(32.01m) = 0.25953
9) Una empresa productora de aceite lubricante para motores tiene un almacén para producto terminado que mide 18 m de largo, 26.5 ft de ancho y 138 pulgadas de alto. En el almacén hay cajas, las cuales ocupan el 75% de la capacidad del almacén; cada caja contiene 24 botes de aceite SAE-40 listo para usarse, cada bote mide 0.09 m de diámetro y 7 pulgadas de altura y contiene aceite al 90% de capacidad. El gerente desea saber: ¿Cuántas cajas hay en el almacén?
¿Cuántos litros y cuantos galones de aceite hay en el almacén? ¿Cuantos camiones de carga de 12 m³ de capacidad se requieren para enviar toda la producción a Querétaro?
Elabore un informe para el gerente, en el cual se incluya la respuesta correcta a cada pregunta, con los resultados finales. SOLUCION: Datos: Almacén: Largo:8m Ancho:26.5ft*(1m/3.2808399ft)<>8.08m Alto:138in*(1m/39.3700787in)<>3.505m Cajas=75% capacidad del almacén. Cada caja contiene: 24 botes de aceite. Bote: Diámetro:0.09m Altura:7in*(1m/39.3700787in)<>0.1778m Contenido:90% CONVERSIONES 1m=3.2808899ft 1m=39.3700787in
Hallando la capacidad del almacén (Cap.A) Cap.A=largo*ancho*alto Cap.A=18m*8.08m*3.505m Cap.A=509.7672 m³ Hallando la capacidad de los botes de aceite (Cap.B) Cap.B= Área de la base*altura
Cap.B= 3.1416 ∗ (0.045)2 ∗ 0.1778 Cap.B=0.00113m³
Hallando el contenido de cada bote (Cont.B) Cont.B=90%Cap.B Cont.b=90%0.00113m³=0.01017m³
a)
Numero de cajas=(Cont.A/Cont.B) /24 …. (I)
Las cajas ocupan el 75% del almacén Cont.A =75%Cap.A Cont.A=75%509.7672m³ Cont.A=382.325m³
En 1 remplazando Numero de cajas=((382.325m³/0.01 cajas=((382.325m³/0.01017m³)/24)=(37559 017m³)/24)=(3755934/24)=15663.9 34/24)=15663.922 cajas <>15664 <>15664 Respuesta: Numero de cajas en almacén 15664.
b)Para hallar cuantos cuantos litros y galones galones hay en el almacén almacén Cont.A=75%Cap.A Cont.A=75*509.7672m³ Cont.A=382.325m³ Conversiones: 1m³=1000dm³ 1m³=2643.17205gal
Convertir a litros:
Convertir a galones:
c)
Cap.ca=12m³ Camiones requeridos= Cont.A/Cap.Ca
Camiones requeridos=(382.328m³/12m³)=31.86 requeridos=(382.328m³/12m³)=31.86042 042 Respuesta: Se requieren 32 camiones. d) INFORME GERENCIAL Con este informe les comunico la circunstancia general En primer término, el número de cajas en almacén, cuantos litros y galones hay en el almacén y por ultimo cuantos camiones son requeridos para enviar toda la producción de queretano. Sin más preámbulo se les muestra los resultados obtenidos atreves de cálculos matemáticos.
Numero de cajas cajas en almacén 15664.
Contenido del aceite en litros 382325, contenido del aceite en galones 100999.58 .
Camiones requeridos 32.
Espero que la información que se entrega a la alta dirección – dirección – gerencia gerencia sea de ayuda para poder mejor el rendimiento rendimiento de nuestra planta productora de de aceite.
10) El patio de almacenamiento de un ingenio azucarero tiene las siguientes dimensiones: 131.23ft de largo y 1181.10 pulgadas de ancho; mientras que su capacidad de almacenamiento es de 25 toneladas de caña/día, 7 días a la semana.
Al procesar la caña se obtiene la melaza como un subproducto. Se reporta como dato técnico que por cada tonelada de caña se obtienen 23.78 kg de melaza (densidad= 1.44 kg/l). la melaza se envía en tanques de almacenamiento con una capacidad de 254550 galones, determine: a) Área del patio de almacenamiento. b) Volumen de melaza obtenida si se procesara toda la materia prima en un mes. c) ¿Cuántos tanques se requieren para almacenar el subproducto al procesar toda la materia prima en un año? En el ingenio se utilizan tres evaporadores, el último de ellos debe funcionar en un rango de temperatura que va de 134.60Ḟ a 138.20 Ḟ. Si se reporta que la temperatura de funcionamiento es de 318c 318 cͦ , indique si el equipo está operando correctamente; en caso contrario, ¿Qué haría para solucionar el problema?
a) Área de almacenamiento almacenamiento Datos: 131,23 ft 1181,10 pulg
Área= 131,23ft. 1181,10pulg. b) Volumen de melaza obtenida si se procesara toda la materia prima en un mes.
Capac. MP=
= 700tn
Se obtiene 1tn 700tn
v=
23,78kg (melaza) x
11560L
x=16646kg
c) ¿Cuántos tanques tanques se requieren para almacenar almacenar el subproducto al procesar procesar toda la materia prima en un año?
Capac. MP=
= 8400tn
Se obtiene 1tn 8400tn
23,78kg (melaza) x
v=
x=199752kg
138716,67L
# tanques= 138716,67L.
= 0,14 tanques
d) En el ingenio se utilizan tres evaporadores, el último de ellos debe funcionar en un rango de temperatura que va de 134,60F a 138,20F. si se reporta que la temperatura de funcionamiento es de 318 cͦ indique si el equipo está operando correctamente; en caso contrario, ¿Qué haría para solucionar el problema? 1⁰
2⁰
3⁰
134,60F < T <138,20F
Convirtiendo a cͦ
Entonces T2= 57℃
57℃ < < 59℃
RPTA1: no está operando correctamente RPTA2: se disminuiría la temperatura como minimo en 259 ℃ y como máximo en 261 ℃
11) Con base en el plan de producción siguiente, conteste lo que se le pide: Producto
Consumo de materia prima
Funcionamiento Funcionamiento
Envaces utilizados
Pulpa de piña Densidad=1,7g/ml
3 toneladas/hora
95 dias/año 2 turnos de 8 horas/dia
Recipientes de vidrio de 1/2kg llenos al 92% peso
Pulpa de durazno Densidad=1,8g/ 3
900lb/hora
47dias/año 1 tuno de 8horas/dia
Recipientes llenos al 92% peso Diámetro= 2,76 pulgadas y altura =1,39 ft
Para calcular la cantidad de producto terminado se considera que se obtiene un 65% de aprovechamiento aprovechamiento respecto a la cantidad inicial de materia prima utilizada. La temperatura del proceso es de 110 ℃. Considere que la densidad del agua =1g/ml a) Producto elaborado en gal/hora de piña y durazno b) Producto elaborado en kg/año de piña y durazno c) Cantidad de envases utilizados anualmente en ambos procesos. En el caso de la pulpa de durazno durazno efectué su cálculo considerando considerando el contenido contenido en c 3. d) Producto elaborado con base en el proceso en unidades del sistema fps. e) Si en el proceso de fabricación de pulpa de durazno se consumen25000L/hora de agua; ¿cuantos metros cúbicos de agua se consumen anualmente y cuál es su costo si el metro cubico de agua cuesta $3,00?
a) Piña Producto elaborado = 3
=
Vpe =
= 298,71
Durazno Prod. Elaboración =
Vpe =
= 38,42
b) Piña Producto elaborado = 3
Durazno Prod. Elaboración =
x 16
c) Producto a (piña) De la solución “b” se tiene : 92% peso
Producto A ( piña )
8% vidrio recipiente
Producción clase clase = 2964000 Kg (anualmente )
0,5 Kg
m (recipiente) = 92% x 0,5 Kg = 0,46 Kg
# Envases = # Envases = 6443478 Producto b (durazno)
Se tiene producto elaborado = 99861,84 D = 2, 76 pulg
D = 2,76pul x 2,54
V=Axh V=
x 0,39 ft x
V recipiente = 457,45 cm3 Volumen contenido en el recipiente: = 92% x 457,45 cm3 = 420,85 cm3
= 7 cm
h = 0,39 ft
V producción =
= 55478,8 3
# Envases = d) sistema fps longitud pie
= 131825 envases
Masa Libra
Producto A De la solución b se tiene
Producto elab.= 2964000
= 6528634,36lb (anualmente)
Producto B De la solución b se tiene
Producto elab. =99861,84 .
=219960lb (anualmente)
e) consumo de ℎ20 =2500l/hora entonces
(anualmente ) 13
$3,00
9400 3
x
x= $28200
12)
Turno 8 horas
Al año:
Turno 6 horas / día
Al año = 4428 gal + 59040 gal =63468 gal/ año
Botella contenido: 485 ml
100%
460,75 ml
95%
Turno 8 horas / dia
13) a) 800g sol al 20% peso de azúcar
ℎ2 + =
% peso = 800 x100% = 160
Costo 2 640g/2
1.5 L ------˃ $ 8.00
ℎ2 + 160 = ℎ2 = 640
0.9986g/3=
0.6409 L ------˃ 2 2 = 0.6409
2= $ 3.42
Costo azúcar:
1000g ------˃ $4.85
costo total= $0.78 +
$3.42
160g ------˃
costo total= $4.20
= $0.78
b) 550g al 35% peso de azúcar
ℎ2 + =
% peso = 1571.4 x100% = 1571.4
Costo 2 1021.4g/ 2
1.5 L ------˃ $ 8.00 1.0228 L ------˃ 2
ℎ2 + 550 = ℎ2 = 1021.4
0.9986g/3=
2= $ 5.45
2 = 1.0228
Costo azúcar:
1000g ------˃ $4.85
costo total= $5.45 +
$2.67
550g ------˃
costo total= $8.12
= $2.67
c) Se dispone de 950g 2 para una sol al 15% peso de azúcar
% peso = x100% = 167.65
Costo 2
0.9986g/3=
950g/2
1.5 L ------˃ $ 8.00
2 = 0.9513
0.9513 L ------˃ 2 2= $ 5.07
Costo azúcar: 1000g ------˃ $4.85 $0.81
costo total= $5.07 +
167.65g ------˃
costo total= $5.88
= $0.81
15.
Una industria desea fabricar 8500 jabones de 150 g cada uno; la composición y su costo es el siguiente: Aceite de coco Emolientes Perfume Colorante
80% peso 15% peso 3% peso 2% peso
$ 20,55/kg $ 10,00/100 g $ 14,50/100 g $ 3,30/100 g
a) Qué cantidades de cada ingrediente para la fabricación de un jabón?
La masa de 1 jabón es 150 g, entonces la suma de las cantidades de cada ingrediente será igual a este total. Compuesto Aceite de coco Emoliente Perfume Colorante
Cantidad (g) 120 22,5 4,5 3
b) ¿Cuánto se requiere de cada ingrediente para satisfacer la producción total de jabones? (exprese sus resultados en kg).
Se producirán 8500 jabones, entonces se necesita 1 275 kg de materia prima. Compuesto Cantidad (kg) Aceite de coco 1020 Emoliente 191,25 Perfume 38,25 Colorante 25,5
c) Según el costo de las materias primas, ¿En cuánto sale la producción de cada jabón? Compuesto Cantidad Precio ($) Aceite de coco 1020 kg 20 961 Emoliente 191 250 g 19 125 Perfume Colorante
38 250 g 25 500 g
5 546,25 841,5
El costo total de la producción es $ 46 473,75; por lo tanto e l costo de cada jabón en base a esto será $ 5,5. d) Si el fabricante tiene que pagar $ 0,05 por cada envoltura, de mano de obra 8% del costo del jabón y por servicios otro 7%, ¿Cuál será el costo global de esta producción?
Costo total por envolturas: $ 425
Costo por mano de obra (8% de 46 473,75): 3 717,9
Costo por servicios (7% de 46 473,75): 3 253,16
Costo de la producción: 46 473,75
Costo global de la producción: $ 53 869,81 e) Si el precio de venta de cada jabón es de $ 8,40, indique si es competitivo o no. Si éste se vende al mismo costo, ¿Cuánto se gana en términos de porcentaje? Si el precio de venta es $ 8,4 por cada jabón, entonces por 8 500 jabones el precio es $ 71 400. Este precio si es competitivo porque se gana 17 530,19 que equivale al 32,5417706% del costo total de la producción. f) ¿Qué haría usted como administrador industrial para lograr que su producto sea más competitivo que los demás? Para hacer que mi producto tenga ventaja competitiva se haría lo siguiente Ser el más barato: Implica disminuir lo más posible los costos de producción y distribución y crear un sistema de provisión de valor eficiente y adecuado, que permita ofrecer productos de buena calidad, fiables y de fácil acceso a precios inferiores a los de la competencia para así ganar una mayor cuota de mercado.
Ofrecer el mejor producto: Ofreciendo un valor superior al de la competencia con los productos más innovadores que posicionen a la empresa como líder de su industria. Si se desea usar este enfoque hay que invertir una considerable cantidad de recursos a la generación de ideas y a la búsqueda de nuevas soluciones, y tener la capacidad de una comercialización rápida y eficiente de los nuevos productos. Adecuar la oferta a tu cliente: Enfocando todos los esfuerzos a satisfacer mejor que nadie a segmentos específicos, en lugar de atender a todo el mercado. Implica segmentar con precisión un mercado y ajustar los productos o servicios para que satisfagan a las necesidades de los clientes del segmento.
16.- La leche fresca tiene la siguiente composición porcentual: Agua 87,3% peso
Grasa 3,7% peso
Proteínas 3,5% peso
Carbohidratos y minerales 5,5% peso
La densidad de la leche fresca es de 1,2 kg/L. En el proceso de industrialización de la leche, ésta se somete a un descremado total, el producto que se obtiene de dicho proceso se concentra para obtener leche con 27% en peso de sólidos. Posteriormente, se elimina el agua hasta que el producto contenga 3% peso de humedad.El producto se envasa en recipientes de 450 g. Para una alimentación de 4500 L/h de leche. Determine: a) ¿Cuántos envases se requieren para un turno de trabajo de 8 horas diarias? 1h
4500 L
8h
X=360000L
Densidad de la leche fresca=1.2kg/L ρ=m/v v=4320kg=432000g
nro de envases
450g
n
432000g Numero de
envases =9600 b) ¿Qué cantidad de una mezcla de helado se fabricaría en un mes (considere que un mes tiene 28 días laborables), si el helado comercial contiene los siguientes porcentajes? grasa de leche 12,0% peso azúcar 15,0% peso estabilizador 0,2% peso emulsionante 0,3% peso otros aditivos 11,0% peso
1 día
agua el porcentaje restante 3600 L X=1008000L
28días Densidad de la leche fresca=1.2kg/L ρ=m/v m=120960kg
c) ¿Cuánto se agregaría de cada uno de los componentes para obtener la mezcla deseada? grasa de leche = 12%peso
=14515.2kg
Azúcar=15%peso
=18144kg
Estabilizador=0.2%peso
=241.92kg
Emulsionante=0.3%peso Otros aditivos=11%peso
=362.88kg =13305.6kg
Agua=61.5%peso
=743.90kg
17. las plantas procesadas de ganado tienen una capacidad instalada de sacrificio de 383 467 cabezas de ganado, de las cuales el 4.7 % corresponde a ganado porcino. Cada cabeza de ganado porcino beneficiada pesa aproximadamente 74 kg y de esta se destina en promedio 45% a la producción de jamón. Determine: a) ¿Cuánto jamón se producirá de la industrialización y que cada cantidad de materia primas se requieren de curantes y otros materiales, considerando que por cada kilogramo de jamón se requieren las siguientes cantidades? Sal común
0.013 kg
Azúcar
0.001 kg
Proteína de soya Cura premier Glutamato monosodico
0.020 kg 0.080 kg 0.002 kg
Solución: Se necesita 0.116 kg de materia prima para preparar un kilogramo de jamón En cada kilogramo de jamón se tiene 0.884 kg de porcino Ganado porcino= %4.7x 385 467=18 116.949 cabeza de ganado porcino Masa del porcino=74 x 18 116.949=1 340 654.226 kg Masa utilizada para la producción de jamón= %45x 1 340 654.226 kg=603 294.40 kg
Numero de jamón 0.884 kg de porcino x número de jamón = 603 294.40 kg de jamón utilizada Numero de jamón = 682 460 jamones de kilogramo Cantidad de materia prima 0.116 kg de materia prima x número de jamón=79 165.36 kg b) ¿cuál es el por ciento en peso del total de condimentos y el de la carne para 1 kg de jamón?
18) Una empresa produce pan de caja en dos presentaciones; paquetes chicos con 17 rebanadas (el peso de cada rebanada es de 25g). En su formulación se usa las siguientes materias primas: Salvado ………………………………7,70% peso
Azúcar ………………………………6,50% peso
Sal ………………………………………1,75% peso
Harina Integral ……………………10,00% peso
Manteca vegetal …………………1,50% peso
Conservadores ……………………25,75% peso
Harina refinada ……………………45,30% peso
Aceite vegetal ………………………1,50% peso En el almacén de la planta productora se tienen solo 750kg de harina refinada, 500 kg de harina integral y 210kg de azúcar. Si se tiene una demanda de 5000 de paquetes chicos y 4800 paquetes grandes, determine: ¿Cuál es la cantidad de materia prima faltante que se tendría que comprar para elaborar el total del producto demandado? ¿Cuál es la masa de la mezcla obtenida? ¿Qué porcentaje de la producción corresponde a paquetes chicos y el resto a paquetes grandes? Si la empresa decide destinar el 60% de su producción a paquetes chicos y el resto a paquetes grandes, ¿Cuántos paquetes de cada presentación se producirían? Datos Paquetes pequeños: p=17 rebanadas Paquetes grandes: P= 27 rebanadas Para una rebanada analizamos su composición: Salvado: 1,925g Azúcar: 1,625g Sal: 0,4375g Harina integral: 2,5g Manteca vegetal: 0,375g
Conservadores: 6,4375g Harina refinada: 11,325g Aceite vegetal: 0,375g Para atender la demanda de 5000 paquetes chicos y 4800 paquetes grandes Calculamos la cantidad de materia que necesitaríamos Salvado: 1,925g ------------1 reb X------------------- 214 600 reb X= 413 105g de salvado Realizando el mismo cálculo para los demás componentes tenemos: Azúcar= 348 725 g Sal = 93 887,5 g Harina integral = 536 500g Manteca= 80 475g Conservantes= 1 381 487,5g Harina refinada= 2 430 345g Aceite= 80 475g a)
Haría falta la siguiente cantidad de materia prima 413,105 kg de salvado 93,8875 kg de sal 80,475 kg de manteca 1 381,4875 kg de conservantes 80,475 kg de aceite Y para el resto que ya poseemos un poco necesitaríamos Harina integral: 536,5 kg – 500kg= 36,5kg Harina refinada: 2 430,345kg-750kg= 1 680,345kg Azúcar: 348,725kg – 210kg= 138,725kg
b) La masa de la mezcla obtenida sería: 214600rebs x 25g/1reb= 5365000 g = 5 365 kg c) El porcentaje que le corresponde a los paquetes pequeños 85000/214600 x 100%= 39,61% de paquetes pequeños El porcentaje de paquetes grandes
129600/214600 x 100%= 60,39% De paquetes grandes d) Si la empresa decide asignar el 60% a paquetes chicos: 85000p---------39,61% X ------------60% X= 12 875,36 p Estaría conformado por 12 875,36 paquetes pequeños El 40% a los paquetes grandes: 129600P---------60,39% X2-----------------40% X2= 85 842, 03 P Estaría conformado por 85 842,03 paquetes grandes
19) Un pequeño negocio naturista ha logrado comercializar con éxito su ensalada “Fruti-Light”, la cual se prepara de acuerdo a la siguiente composición (considere que la ensalada preparada para una persona pesa en promedio 1,55 lb y que diariamente se preparan alrededor de 55 ensaladas individuales) % de peso
Precio promedio de compra
Pera
22
$1,20/100g
Costo materia prima / ensalada $1,86
Melón
10
$5,00/kg
$0,35
Papaya
15
$3,00/kg
$0,32
Manzana
32
$6,80/lb
$3,37
Nuez
3
$0,05/g
$1,05
Yogurt
9
$15,00/kg
$0,95
Miel
7
$0,35/10g
$1,72
Granola
2
$18,20/lb
$0,56
Fruta
a) Determine la cantidad en kg que se consume de materia prima durante cinco días de trabajo
1,55 = 0,703 = 703,068
b) El dueño del negocio considera que 55 ensaladas al día es una buena venta, pero esta venta no tiene utilidades. Tiene dos teorías i)
El precio de venta de $20,00 por cada pieza es muy bajo
ii)
El encargado está robándole dinero
¿Cuál será la verdadera razón? Fundamente su respuesta con cálculos
= $10,18
El encargado está robándole el dinero, ya que el negocio da una utilidad de $9,82 por unidad de ensalada y al vender 55 ensaladas recibe $540,10 diarios en promedio.
20. En la elaboración de jarabe de fresa, la producción contempla promero el lavado y el desinfectado de la fruta, eliminando la corola y la basura que pudiera tener, obteniéndose 55% en peso de fresa utilizable; posteriormente, se le agrega el azúcar, la pectina, el ácido cítrico y una pizca de sal, se mezcla y se calienta hasta ebullición con la finalidad de obtener una mezcla espesa y pesada que vacía en moldes y se refrigera. Si la composición en por ciento en peso de la jalea de fresa y el costo de las materias primas es el siguiente: Ingrediente Fresa Azúcar Ácido cítrico Pectina Sal
% Peso 50.00 40.00 9.80 0.15 0.05
Costo $5.00/kg $6.50/kg $20.00/100 g $10.00/25 g $0.05/500 g
a) Elabore un diagrama de bloques indicando las operaciones unitarias involucradas en el proceso.
recepcion de la materia prima seleccion lavado pelado y desemillado estandarizado(azucar, ac.citrico,pectina,sal) coccion envasado sellado enfriado
b) Si se desean fabricar 50 recipientes de jalea de fresa de 450 g cada uno, ¿Qué cantidad de cada materia prima se necesita? La cantidad de materia prima en 50 recipientes es: 450x50=22500 •
Fresa 50%
El peso que necesitamos de fresa:
22.550% = 11.25 Peso utilizable de la fresa es del 55% osea, que si necesitamos 11.25kg:
= 55%
Peso total de fresa que debemos adquirir es 20.45 kg •
Azúcar 40%
El peso que necesitamos de azúcar:
22.540% = 9
•
Ac. Cítrico 9.80%
22.59.80% = 2.2 •
Pectina 0.15%
22.50.15% = 33.75 •
Sal 0.05%
22.50.05% = 11.25 c) ¿Cuál es el costo de cada materia prima y de cada recipiente de jalea fresca? Costo de la fresa:
20.45 $5.00 = $102.25 Costo de la azúcar:
9 $6.50 = $5805 Costo del ac. Cítrico:
2. Costo de la pectina:
Costo de la sal:
d) ¿Cuál es el costo de producción si consideramos que 40% del costo de la fresa equivale a los costos de producción?
= 40% = $102.2540% = $40.9
e) Indique que otros costos, a parte de la materia prima, se deben considerar en la producción. Costos que se deben considerar en la producción: •
•
•
•
Materia prima Mano de obra Costos indirectos Costos de producción
21) Una fábrica que produce refrescos de cola emplea un jarabe concetrado que tiene la siguiente formulación: Solución de azúcar al 65,78% peso de azúcar 1000 Kg Extracto de cola 8 kg
Solución de ácido fosfórico Ácido fosfórico 1Kg Agua 3Kg Cafeína 2Kg Color caramelo 4.5 Kg El jarabe tiene una densidad de 1,5 g/c 3.Para producir el refresco, este jarabe debe disolverse en agua carbonatada; para eso se colocan en cada botella 153,85 c 3 de jarabe. Determine: a) ¿Cuál es la composición porcentual del jarabe concentrado? Solución de azúcar = (1000 kg)/(masa total) x100=65.78 Masa total=1520.218 kg Masa de agua= 1520.218-1000=520.218 Composición porcentual del jarabe: Solución de azúcar: 1520.218 kg Extracto de cola: 8 kg 0.52% Ácido fosfórico: 4 kg 0.26% Cafeína: 2 kg 0.13%
98.79%
Color caramelo: 4.5kg
0.3%
b) ¿Cuál es el Costos de preparar la solución de azúcar si el azúcar cuesta $5/ kg y el agua $6/m3 : Agua =520.218 kg 998 kg/m³ =(520.218 Kg)/V V=0.52 m³ Costo=0.52 m³ x $6/ m³=$ 3.13 Azucar=1000 kg Costo =1000kg x $5/kg= $5000 Costo total = Costo del azúcar + costo del agua Costo total = $5000 + $3.13 = $5003,13 Respt: El costo de la solución de azúcar seria $5003,13 a) ¿Cuál es la composición porcentual de la solución del acido fosfórico?
Respt: Ácido fosfórico esta 0.26% de concentración.
b) Si 80% del jarabe se destina al envasado y el resto se almacena en un silo, ¿Cuántos envases se consumiría? Masa total del jarabe = 1520.218 Kg Masa utilizada = 80% 1520.218 Kg = 1216.1744 Kg
Densidad del jarabe = 1.5 × 10−3 Kg/c3 Volumen del jarabe = 810782.9333 c 3 Volumen / envase = 153.85 c 3
N° de envases = Respt: El número de envases que se consumiría serian 5269.
22) En la industria del petróleo, por cada barril de petróleo crudo super ligero que se somete a destilación fraccionada, solo 86 % de este se condensa de acuerdo con sus diferentes puntos de ebullición; así, se separa en las siguientes fracciones: •
•
Gas natural 32.4% peso Gasolina 21.5% peso
Nafta 12.0 peso
•
•
•
•
Querosene 10.0% peso Combustóleo 15.65 peso Otros compuestos el resto
La densidad del petróleo crudo es 0.83 kg/L; un barril equivale a 159 L y el tipo de cambio de dólar al cual vende es de $ 10.30/dólar, la jornada de extracción es de seis días a la semana. Con base en los datos anteriores determine:
a) Si se cuenta con 50* barriles/dia, ¿Qué cantidad de cada fracción se obtendrá? Exprese resultados en toneladas. = 7950 ∗ 6 = 47700 ∗ 103
103 ∗
Por lo tanto se produce:39 591 000 en toneladas métricas es 39 591 m.ton
•
•
Gas natural 32.4% peso= 39591. ∗ 0.324 = 12827.484. Gasolina 21.5% peso= 39591. ∗ 0.215 = 8512.065.
Nafta 12.0 peso= 39591. ∗ 0.12 = 4750.92m.ton
•
•
•
•
Querosene 10.0% peso = 39591. ∗ 0.10 = 3959.1. Combustóleo 15.60 peso = 39591. ∗ 0.156 = 6176.196m.ton Otros compuestos = 39591. ∗ 0.085 = 3365.235.
b) Si México vende cada barril de este petróleo en un dólar y paga 30% de arancel, ¿Cuánto ganara por la venta de 10000 barriles /diarios y cuanto por semana?
•
•
•
•
•
Costo por barril= $1.00 Venta por barril=$ 10.30 Ganancia por barril=$9.30 En 10 000 barriles por día Ganancia bruta=$9.30*10000=$ 93 000.00
•
•
•
Ganancia neta=93000-(30%*10000)=$90 000.00 Por semana Ganancia por semana=$90 000*7=$ 630 000.00
c) De la cantidad de gas natural obtenido solo el 20% se destina a uso doméstico y el resto a la obtención de otros productos industriales ¿Cuál es la más que se distribuye ?exprese sus resultados en kg. Del problema (a) se obtiene que: Gas natural =
•
•
Uso domestico= 12 827 484 ∗ 0.20 = 2 565 496.8
Otros productos= 12 827 484 ∗ 0.80 = 10 261 987.2 23) Para la
fabricación de refrescos de cola se prepara un jarabe concentrado con la siguiente formulación: •
•
•
•
•
Extracto de cola Solución azucarado (71.34% peso de azúcar) Solución de ácido fosfórico (29% peso de ácido) cafeína Color caramelo
1 200 kg 1 500 kg 6 kg 3kg 6.75 kg
Al jarabe se le inyecta CO2 para obtener el refresco. Cada botella se llena con 485.3 cm3 de jarabe .La jornada laboral es de dos turno de 8 horas cada uno, 6 días a las semana y 11 meses al año. Solución: a) La composición porcentual del jarabe concentrado.
Masa total=2715.75 kg Masa del jarabe en cada botella
b) La cantidad de agua que llevan las soluciones de la formula. •
Solución azucarado
Masa del agua 1: 1 500 × 28.66% = 429.9 •
Solución de ácido fosfórico
Masa del agua 2:
6 × 71% = 4.26
Masa total del agua=434.16 kg c) ¿Cuántos envases se van a llenar por año si solo 85% del jarabe es envasado y el resto almacenado? Masa del jarabe=2715.75 kg Masa utilizada=2715.75 kg x 85%=2 308.3 875 kg Masa almacenada=2715.75 kg x15%=407.3 625 kg •
Masa utilizada del jarabe= Masa utilizada por envase x número de envase 2 308.87 kg
=0.727 95 kg x número de envase
Numero de envase
=3171 envases (por turno)
Envase al año: Día trabajadas al año=264 días de dos turno 264(3 171 envasex2turnos)=264(6 342)=1 674 288 envases al año.
24.- Para la fabricación de pólvora se requiere carbón (C), azufre (S) y nitrato de potasio (KNO3) en proporciones de 10, 15 y 75% en peso, respectivamente; estas sustancias se muelen finamente y se mezclan con cuidado para obtener el producto final. Determine: a) ¿Qué cantidad de cada materia prima se necesitaría para producir 4 toneladas/día? Carbono = 10%(4000) 400kg Azufre =15%(4000) 600kg Nitrato de potasio=75%(4000) 3000kg
b) ¿Qué equipo propondría para la molienda de cada una de las materias primas y qué equipo para el mezclado? El molino de bolas es muy utilizado para la molienda de estas materias primas, y también el mortero sería de gran ayuda para la mescla.
c) El costo de cada materia prima por día y el total por 6 meses de producción si los costos son los siguientes: carbón $0,80/lb; azufre $1,85/lb; nitrato de potasio $3,20 lb. Considere que la jornada de trabajo es de 365 días al año.
P.A. C:12 S:32 N:14 K:39 O:16 costo de producción en un día del carbono 1lb
0.80$ 705.472$
costo de producción en un día del azufre 1lb
1.85$ 2447.106$
costo de producción en un día del nitrato de potasio 1lb
3.20$ 21164.16$
costo de producción en 6 meses del carbono 1lb
0.80$ 128748.64$
costo de producción en 6 meses del azufre 1lb
1.85$ 446596.85$
costo de producción en 6 meses del nitrato de potasio 1lb
3.20$ 3862459.2$
25) Una empresa que produce gajos de mandarina en almíbar alimenta al proceso 180 kg/h de fruta entera, para lo cual esta se selecciona, registrándose una pérdida de 3% de fruta que está en mal estado. La fruta de calidad se envía al pelado, proceso en el cual se elimina 18% en peso de cascara con respecto al peso de la fruta seleccionada. Por último, esta se desgaja y se mezcla con el jarabe. La mezcla se envasa en frascos de 500 g. La composición del contenido de cada envase es de 50% peso de gajos y 50% peso de jarabe. El jarabe que se utiliza en el envasado de la fruta tiene la siguiente composición porcentual: INGREDIENTES Azucar refinada Agua Glucosa Citrato de sodio Ácido cítrico Benzoato de sodio
PESO 50,00 24,97 20,00 3,00 2,00 0,03
COSTO $7,00/kg $0,80/L $7,61/kg $0,60/kg $0,50/kg $0,65/kg
Los frascos se colocan en cajas y cada una contiene 18 frascos. Determine: a) La cantidad de materia prima que se requiere para preparar el jarabe, para la producción de 1 hora. b) El costo del jarabe para la producción de 1 hora(densidad del agua 0,998 g/ml). c) Cantidad de frascos utilizados para la producción en 1 minuto. d) Cajas utilizadas para la producción en 1 minuto. e) Cantidad en kg de la fruta en mal estado y de cascara separada en 1 hora. f) Costo de la mandarina en una hora de trabajo si el precio es de $2,85/kg. g) Realice el balance total del proceso. h) En una etapa del proceso, la fruta se escalda con una solución de hidróxido de sodio al 1% peso. Para toda la producción se requieren 150 L de solución de NaOH(densidad=1,02 kg/L). si en el almacén se dispone de 250 L de solución de NaOH al 15% peso y de toda el agua necesaria, ¿alcanzaran los materiales para escaldar toda la fruta? a)
Materia prima en una hora Cantidad de mandarina pelada= 174,6 kg – 31,428 kg= 143,172 kg Como cada frasco contiene 50% peso de gajos y 50% peso de jarabe Entonces el peso del jarabe es 143,172 kg •
•
•
•
•
•
Azúcar refinada= 50%= 0,5x143.172 kg= 71,586 kg Agua= 24,97%= 0,2497x143,172 kg= 35,75 kg Glucosa= 20%= 0,20x143,172 kg= 28,634 kg Citrato de sodio= 3%= 0,03x143,172 kg= 4,295 kg Ácido cítrico= 2%= 0,02x143,172 kg=2,863 kg Benzoato de sodio= 0,03%= 0,0003x143,172 kg= 0,043 kg
b) Costo del jarabe= $ 751.7
•
•
•
•
•
•
Azúcar refinada= Agua=
x71.586 kg= $ 501.102
x35.75 kgx
Glucosa=
x28.634 kg= $ 217.9
Citrato de sodio= Ácido cítrico= Benzoato de sodio=
x4.295 kg= $ 2.58 x2.863 kg= $ 1.43 x0.043 kg= $ 0.028
c) Si la cantidad de mezcla es 286.344 kg= 286344 g
La mezcla se envasa en frascos de 500 g •
Necesitamos = 572.688 frascos por hora 573 FRASCOS
d) 573 frascos por hora, entonces 9.55 <>10 frascos por minuto Los frascos se colocan en cajas y cada una contiene 18 frascos •
Cajas utilizadas por minuto: solo 1
e) En una hora: •
•
Cantidad de fruta en mal estado= 5.4 kg Cantidad de cascara separada= 31.428 kg
f) Se alimenta 180kg en una hora de fruta entera
•
Costo de mandarina=
x180 kg= $ 513
g) Alimentación: 180 kg/h Al seleccionar hay una pérdida de 3% de fruta que está en mal estado= 0.03x180 kg= 5.4 kg La fruta de calidad se envía al pelado= 180 kg – 5.4 kg= 174.6 kg En el pelado se elimina el 18% en peso de cascara= 0.18x174.6 kg= 31.428 kg Luego esta se desgaja y se mezcla con el jarabe.
La mezcla se envasa en frascos de 500 g Cada frasco contiene 50% peso de gajos y 50% peso de jarabe h) Para toda la producción se requiere 150 L de solución NaOH con 1% en peso de NaOH. m de NaOH=1x(150 x 1,02)/100 = 1.53 kg se tiene 250 L de solución NaOH al 15% en peso m de NaOH =15 x (250x1,02)/100=37,5 kg Si al 15% es 37,5 kg, al 1% de NaOH tenemos= (37,5/15)= 2,5 kg Entonces los materiales si alcanzan para escaldar toda la fruta.
27)
* EN ADSORCIÓN I Mezcla 90%
= (M + 5.14
)kg/h
** EN ADSORCIÓN II nueva mezcla 76% = (17.27
Mezcla final = nueva mezcla + 620kg/h(aire)
Según los datos Composición del aire (21%
)
620kg/h = (489.8 + 130.2 Mezcla Final = 171.62 2 + 582.322 + 17.272 + 5.142 a)
%2 = 22.11%
%2= 75.01% %2= 2.22% %2= 0.66%
b)
776.35 MEZCLA = 171.52 2 + 582.32 2 + 17.272 + 5.142
c)
BALANCE PARCIAL = BALANCE EN 1 Y BALANCE EN 2 BALANCE GENERAL =BALANCE DESDE 1 A 2
d) DIAGRAMA DE BLOQUES
28) Una empresa productora de salchichas tiene una producción de 200 toneladas anualmente. La producción se distribuye en diferentes presentaciones de acuerdo con los siguientes datos: Tipos de producto Salchicha tipo viena
% peso 48
Peso unitario 50g
Salchichón
12
125g
Salchicha tipo Frankfort
10
80g
Salchicha coctel
30
15g
Se propone manejar paquetes de 20 piezas para los tipos viena y Frankfort, 50 piezas para el tipo coctel y 10 piezas para el salchichón.
a) ¿cuantos paquetes de cada tipo se producirán por año, considerando la cantidad de producción que se destina a cada presentación? Tipos de producto % peso Peso Piezas Peso por Paquetes por año unitario por paquete en (unidades) paquete Kg. Salchicha tipo viena 48 50g 20 1 96 000 Salchichón 12 125g 10 1.250 19 200 Salchicha tipo Frankfort 10 80g 20 1.6 12 500 Salchicha coctel 30 15g 50 0.750 80 000
Salchicha tipo viena:
Salchichón:
Salchicha tipo Frankfort:
Salchicha tipo coctel:
b) Si se incrementa la demanda anual en un 30% para la salchicha tipo viena, ¿cuánto más se tendrá que producir para cubrir dicha demanda?
= 124 800 ⁄ñ − 96 000 ⁄ñ = 28 800 ⁄ñ
Rpta: Se debe producir 28 800 ⁄ñ mas para cubrir la demanda. c) ¿Cuántos paquetes más de salchicha tipo viena se obtendrían?
Se obtendrán = 28 800 d) ¿Cuál será el nuevo porcentaje de distribución de la producción para los diferentes tipos de salchicha?
Tipos de producto Salchicha tipo viena Salchichón Salchicha tipo Frankfort Salchicha coctel Totxal de producción=
Salchicha tipo viena:
Salchichón:
Salchicha tipo Frankfort:
Salchicha coctel:
Nuevo % peso
Peso unitario
54.5 10.5 8.7 26.3
50g 125g 80g 15g
Piezas Peso por Peso total de por paquete en producción paquete Kg. por año (kg) 20 1 124 800 10 1.250 24 000 20 1.6 20 000 50 0.750 60 000
Cap. 4 Mezcla de gas sin reacción con balance de masa
Realice la siguiente lectura y con base en ésta conteste lo que se le pide:
Una muestra de gas natural fluye a 500 lb / in2 y 250 °F, y se analiza para conocer su composición. A partir del análisis se calcula la cantidad de cada compuesto: 4 = 100 lb, 26 = 240 lb, 38 = 15 lb, 2 = 50 lb. El gas natural se hace pasar a través de un absorbedor, donde se elimina 88% en volumen de propano (38).
Solución: DATOS:
Conversiones
PRESION: TEMPERATURA:
℃ = 121.11 ≈ 394.1
2837,5
154,7
Se elimina el 88% queda solo el 12% de 38
. Luego el número de moles inicial y final = 2837,5 + 3632 + 154,7 + 11350 = 17974,2 = 2837,5 + 3632 + 18,84 + 11350 = 17838,34
Hallaremos el volumen usando la formula = (R=0,082. ⁄. )
= 169549,2244
1. La composición de la mezcla gaseosa a la salida del absorbedor, en por ciento en volumen. El porcentaje:
2: El peso molecular promedio a la entrada del absorbedor.
3: La cantidad en gramos, separada de propano en el absorbedor. Sin el 100% de 38
= 4 + 26 + 2 = 45,4 kg + 108,96 kg + 22,7 kg
Sin el 88% de 38 = 4 + 26 + 2 + 38 = 45,4 kg + 108,96 kg + 22,7 kg + 0,82kg
4: Las presiones y los volúmenes parciales a la salida del absorbedor (considere CNPT). Presiones parciales: = ×
Volumen parcial: = ×
5: La densidad de la mezcla gaseosa a la entrada y la salida del absorbedor.
7: La cantidad de 2 y que se eliminan en el absorbedor en kg/h.
Se elimina el 50% de 2
= 0,5 (667,04) = 333,52 ⁄ℎ Se elimina el 25% de = 0,25( 848,96) = 212,24 ⁄ℎ
8: El peso molecular promedio de la mezcla gaseosa a la entrada de cada línea.
Peso molecular promedio de la ENTRADA 1 ̅ ̅ ̅ = 2 + + + 2 ̅ ̅ ̅ = 6,6 + 8,4 + 5,6 + 11,2 = 31,8
Peso molecular promedio de la ENTRADA 2
̅ ̅ ̅ = + 2 ̅ ̅ ̅ = 22,12 + 6,72 = 28,84
9: El peso molecular promedio de la mezcla gaseosa a la entrada den cada línea. El peso molecular promedio de la mescla es 31.98 g/mol.
10: El volumen a la salida del absolvedor si la mezcla tiene una temperatura de 25 °C y una presión de 1.05 atm. = 25℃ + 273 = 298 = 1.05
11: La densidad del gas a la salida del absolvedor.
12: Las presiones y los volúmenes parciales a la salida del absolvedor. Presiones parciales a la salida. = ×
2 = 0.07 × 1.05 = 0.074
= 0.22 × 1.05 = 0.074
2 = 0.33 × 1.05 = 0.074
2 = 0.38 × 1.05 = 0.074
Volúmenes parciales a la salida. = ×
2 = 0.07 × 243.66 = 17.06
= 0.22 × 243.66 = 53.60
2 = 0.33 × 243.66 = 80.40 L
2 = 0.38 × 243.66 = 92.60
Realice la lectura siguiente y con base en ésta conteste lo que se le pide: En una planta conservadora de alimentos, accidentalmente se mezclaron 3 lb de con aire; si la presión del es de 18 lb/ y al mezclarse con el aire la presión es de 1,8 atm y se encuentran contenidos en un recipiente de 0,5 . Determine:
Solución: 13: La cantidad de aire que entró al sistema. Hallamos la temperatura de la mezcla con el En
la
mezcla:
Hallamos el número de moles de aire en la mezcla.
Hallamos el número de moles del
.
Entonces la cantidad de aire que entra es:
14: La temperatura de la mezcla. 6.811
15: Las presiones parciales de cada componente.
2
Aire
= ×
2 = 0.322 × 1.8 = 0.58
16: El peso molecular promedio de la mezcla.
Se sabe que el peso molecular del aire es 28,9 g/g-mol
AIRE : ̅ ̅ ̅ = × = 0,677 × 28,9 = 19,565 : ̅ ̅ ̅ = × = 0,322 × 44 = 14,168 ̅ ̅ ̅ = 2 + = ,
17: La densidad de la mezcla.
Para hallar la masa del aire usaremos la formula = × = 28,9 × 14,704 = 424,95
La masa de 2 3 lb lo convertimos a gramos
La masa total es 1785, 73 y el volumen es 14,16. Hallaremos la densidad
Realice la lectura siguiente y con base en ésta conteste lo que se le pide: En una planta de acondicionamiento de gas, un flujo de gas contiene 18% mol de 2 y 82% mol de 4 el flujo se alimenta a un absorbedor a una velocidad de24.8 kg/min donde se separa la mayor parte de 2. El gas que sale del absorbedor contiene 91% mol de metano
Solución: 18: La composición en por ciento en peso de la alimentación.
2
4
19: La cantidad de 2 absorbida. = − = 9406.76 − 4205.96 = 5200.8
20: Las presiones parciales a la salida de absorbedor, si la presión de la mezcla es de 4 atm. = 4
2 = × = 0.09 × 4 = 0.36
4 = × = 0.91 × 4 = 3.64
21: Se desea preparar una mezcla gaseosa con 20% mol de N2 y 80% mol de CO2. Un tanque de 50 L de capacidad vacío se llena a una temperatura de 298 K con el N2 hasta que la presión llega a 2 atm, se pesa y se le agrega CO2 hasta obtener la composición deseada. Establezca: a) El peso del CO2 que permite tener la composición deseada de la mezcla. b) La presión total de la mezcla final. V1= 50L; T= 298°K; P= 2atm =
(2)(50) = (0.082)(298) = 4.092
4.092 = 20% 2 20.46 = 2 20.46 − 4.092 = 2 = 16.368
2 = 720.192 … ()
22 = 2 2(250) = (20.46)(0.082)(298) 2 = 2 … ()
22: Los gases de una mezcla salen a un flujo de 10m3/h, a 7kg/cm2 y a 285°C. La composición en por ciento en volumen de los gases es: CO2 75%, CO 5%, SO2 8%, aire 12%; dicha mezcla pasa por un absorbedor de CO2, donde se absorbe 97% mol de CO2. Determine: a) La cantidad de CO2 que se absorbe en gramos.
b) La composición de la mezcla a la salida del absorbedor en por ciento en peso. c) El peso molecular promedio a la salida del absorbedor.
PM aire = 29g/mol %V
V=(2.778L)%V
CO2
75
2.084L
CO
5
0.189L
SO2
8
0.222L
aire
12
0.333L
=
(6.775)(2.778) = (0.082)(558) = 0.411
X
N
CO2
75
2.084mol
CO
5
0.189mol
SO2
8
0.222mol
aire
12
0.333mol
2 2 = => 2 = 13.563
Moles de CO2 absorbidos = 0.308(97%) = 0.299mol 2 = 0.299(44) = 13.156 … ()
Masa de CO2 que queda = 0.407g y 2 = 4.516
23.
Una mezcla de gases de 15% peso de CH4, 30% peso de CO2, 35%
peso de H2O, 5% peso de O2 y 15% peso de N2 se encuentras a 8 kg/cm2 y a 70°C, con un volumen de 500L.
Determine: a) Las presione parciales en la mezcla en lb/in 2. b) La composición en por ciento mol de la mezcla. c) Las cantidades de masa de cada componente en lb.
masa
PM(g/mol)
PM(lb/mol)
CH4
15x lb
CH4
16
0.03528
CO2
30x lb
CO2
44
0.09702
H2O
35x lb
H2 O
18
0.03969
O2
5x lb
O2
32
0.07056
N2
15x lb
N2
28
0.06174
=
(113.79)(30512.5) = (73.54)(343)
= 137.646 = 4 + 2 + 2 + 2 + 2
137.646 = 1930.035 0.0713 = Moles(reemplazando x)
X(n/nt)
CH4
30.315
0.22
CO2
22.047
0.16
H2O
62.875
0.457
O2
5.052
0.037
N2
17.325
0.126
Rpta(a), Rpta(b) y Rpta(c) Presión
Parcial %mol (X*100%)
(X*Pt)
Masa(lb) reemplazando x
CH4
25.043 lb/in2
22%
1.07 lb
CO2
18.206 lb/in2
16%
2.139 lb
H2O
52.002 lb/in2
45.7%
2.496 lb
O2
4.21 lb/in2
3.7%
0.357 lb
N2
14.338 lb/in2
12.6%
1.071 lb
24.
En la producción de carbón activado empleado para la absorción se
queman cascaras de coco y se tratan con vapor recalentado, los gases resultantes en el proceso salen mezclados con el vapor de agua. En una planta que emplea este proceso, el gas producido es de 100000 ft 3/h a 850°F y 15 lb/in2 de presión absoluta y con el siguiente análisis volumétrico: N2 10%, CO2 5%, H2O 15%, H2 20%, NH3 20%, CO 25% y C2H4 5%. Posteriormente los gases se enfrían a 150°F en un cambiador de calor. El resultado de este proceso es la separación de 90% de agua por condensación; luego, la mezcla gaseosa pasa por un absorbedor, donde se separa 97% NH3. Determine: a) El peso molecular promedio de la mezcla original. b) El peso de agua condensada en el cambiador de calor. c) La composición de los gases a la salida del absorbedor.
N2
CO2
H2 O
H2
NH3
CO
C2H4
%V
10
X(%V/100%) 0.1
5
15
20
20
25
5
0.05
0.15
0.2
0.2
0.25
0.05
̅ ̅ ̅ = 0.1(28) + 0.05(44) + 0.15(18) + 0.2(2) + 0.2(17) + 0.25(28) + 0.05(26)
Se condensa 90% => 36.335(0.9) = 32.702g de H 2O…Rpta (b) Quedan 3.633g de H 2O
0. Se absorbe 97% de NH 3 quedando 1.373g de NH 3 Utilizando
obtenemos las masas de los gases restantes Masa
%W…Rpta(c)
N2
37.68g
19.9%
CO2
29.606g
15.63%
H2O
3.633g
1.92%
H2
5.383g
2.84%
NH3
1.373g
0.73%
CO
94.201g
49.74%
C2H4
17.494g
9.24%
25: Un horno de coque produce 1000000 ft3/h de un gas que tiene la siguiente composición en por ciento en volumen: C6H6 8%, C3H8 5%, CH4 40%, CO 7%, H2 35% y el resto es de CO2. El gas sale del horno a 20 lb/in2 y 740°F. Después del enfriamiento a 100°F, el benceno y el tolueno se eliminan en un 85% peso por absorción.Determine: a) El peso molecular promedio de la mezcla a la salida del horno y del absorbedor. b) La masa del gas a la salida del horno. c) La composición a la salida de la torre de absorción en por ciento en peso. d) La masa de benceno y tolueno separado en lb. e) No contiene tolueno
%V
X
PM
C6H6
8%
0.08
78
C3H8
5%
0.05
44
CH4
40%
0.4
16
CO
7%
0.07
26
H2
35%
0.35
2
CO2
5%
0.05
44
=
(1.361)(7865.833) = (0.082)(666.667) = 195.83
Utilizando
obtenemos las masas de los gases C6H6
masa
C3H8
CH4
1221.979g 430.826g
CO
1253.312g 356.411g
H2
CO2
137.081g
430.826g
Volumen de C6H6 = X*Vt = 629.267L, volumen absorbido 629.267(0.85) = 534.877L Vtf =7865.833 – 534.877= 7330.956L Se absorbe 85% peso de C 6H6 =>1221.979(0.85) = 1038.682g…Rpta (d) Quedan 183.297g de C 6H6 Nueva mt= 2791.753g…Rpta (b)
%W
̅ ̅ ̅ = 7.138/
C6H6
C3H8
6.57%
15.43%
CH4
CO
H2
CO2
44.89%
12.77%
4.91%
15.43%
26: Se tiene una mezcla de la siguiente composición en por ciento en mol: N2 30%, CO 50%, H2 15% y O2 5%. Si la mezcla se encuentra en un reactor de 2m3, a una temperatura de 400°C y una presión de 50 atm. Determine: a) La presión parcial de cada componente. b) El peso molecular promedio de la mezcla. c) El por ciento en peso de los componentes.
N2
CO
H2
O2
%mol
30
50
15
5
X
0.3
0.5
0.15
0.05
N2
CO
H2
O2
15atm
25atm
7.5atm
2.5atm
Rpta (a)
X*Pt Rpta (b)
̅ ̅ ̅ = 22 + + 22 + 22
Utilizando
obtenemos las masas de los gases: ̅ ̅ ̅
27: Una muestra de gas natural fluye a 700 psia y 320°F, y se analiza para conocer su composición. El análisis permite calcular las siguientes cantidades: CH4 600g, C3H8 380g, C2H6 1300g y H2 100g. El gas natural se hace pasar por un absorbedor donde se elimina 60% del volumen de C3H8 y 5% de H2. Determine: a) La composición de la mezcla gaseosa que sale del absorbedor en por ciento en volumen. b) El peso molecular promedio a la entrada y a la salida del absorbedor. c) La composición en por ciento en mol de los gases separados. d) Las cantidades de cada componente separado del absorbedor en libras. e) La densidad de la mezcla de gases a la entrada del absorbedor en forma directa e indirecta. f) Si la presión a la salida del absorbedor es la mitad de la entrada y la temperatura asciende a 43°F, ¿qué densidad tiene la mezcla que sale N2
CO
H2
O2
15221.252g
25368.753g
534.616g
2899.286g
34.6%
57.6%
1.2%
6.6%
del absorbedor? masa %W…Rpta(c)
(47.632) = (139.469)(0.082)(433.333) => = 104.043 masa PM moles CH4
600g
16
37.5
C3H8
380g
44
8.636
C2H6
1300g
30
43.333
H2
100g
2
50
total
2380g
17.065
139.469
Utilizando obtenemos los volúmenes de los gases
Volumen
V=X*Vt
CH4
C3H8
C 2 H6
H2
27.975L
6.442L
32.326L
37.3L
Se absorbe 60% volumen de C 3H8 = 6.442(0.6) = 3.865L, quedando 2.577L de C 3H8 Se absorbe 5% volumen de H 2 = 37.3(0.05) = 1.865L, quedando 35.435L de H 2 Vtf = 104.043 – 3.865 – 1.865 = 98.313L CH4
C3H8
C2H6
H2
%V…Rpta(a)
28.46%
2.62%
32.88%
36.04%
X
0.285
0.026
0.329
0.36
PM
16g/mol
44g/mol
30g/mol
2g/mol
̅ ̅ ̅ = (0.285)(16) + (0.026)(44) + (0.329)(30) + (0.36)(2) = 16.294 … ()
De los gases separados V T=5.73L
%V = %mol volumen
%V…Rpta (c)
X
C3H8
3.865L
67.45%
0.675
H2
1.865L
32.55%
0.326
Después del absorbedor =
(47.632)(5.73) = (0.082)(433.333) = 7.681
Utilizando m=PM*X*nt obtenemos las masas de los gases C 3 H8
H2
Masa(g)
228.126g
5.008g
Masa(lb)…Rpta (d)
0.503lb
0.011lb
Densidad a la entrada
28: Una mezcla que contiene 20% mol de CO, 30% mol de CO2, 40% mol N2 y 10% mol de O2, se encuentra a 600°R y 30 lb/in2 en un recipiente de 1 ft3; ésta se pasa a través de un tanque donde se elimina 85% de CO2, saliendo la mezcla a 1 atm y 25°C. Determine: a) ¿Cuál es el peso molecular promedio de la mezcla al inicio y final del proceso? b) ¿Cuál es la presión parcial de cada componente a la salida? c) La densidad de la mezcla a la entrada y a la salida del absorbedor.
% mol
X
PM
CO
20
0.2
28
CO2
30
0.3
44
N2
40
0.4
28
O2
10
0.1
16
̅ ̅ ̅ = (0.2)(28) + (0.3)(44) + (0.4)(28) + (0.1)(16) = 31.6 /
=> = 66.817
Utilizando
obtenemos las masas de los gases ̅ ̅ ̅
masa
CO
CO2
N2
O2
11.841g
27.911g
23.682g
3.383g
Utilizando V=X*Vt obtenemos los volúmenes de los gases
Volumen
CO
CO2
N2
O2
5.663L
8.495L
11.327L
2.832L
Se elimina 85% de CO 2 27.911(0.85) = 23.724g, quedando 4.187g 8.495(0.85) = 7.221L, quedando 1.274L Tenemos que m t = 43.093g y v t = 21.096L
Rpta (a): 31.6 g/mol y 49.916 g/mol Rpta (c):
Utilizando
…Rpta (b)
presión
CO
CO2
N2
O2
0.27atm
0.06atm
0.54atm
0.13atm
29 De un alto horno se obtiene una mezcla gaseosa a 300°F y 3680 mmHg, la composición de la mezcla es la siguiente: 20% peso de SO2, 50% peso de CO2 y el resto es vapor de agua; esta mezcla se hace pasar por un enfriador, donde se separa todo el agua y 5% mol de SO2. Determine: a) La cantidad de vapor de agua y SO2 separada del enfriador. b) La composición en por ciento en volumen de la mezcla que sale del enfriador. c) El peso molecular promedio a la entrada y salida del enfriador. d) Si a la salida del enfriador se sabe que la temperatura es de 25°C y 585 mmHg. Determine las presiones y los volúmenes parciales a la salida .
%W
masa
PM
moles
SO2
20
20x
64g/mol
0.313x mol
CO2
50
50x
44g/mol
1.136x mol
H2O
30
30x
18g/mol
1.667x mol
total
100
100x
32.09g/mol
3.116x mol
=
(4.843) = (3.116)(0.082)(422.222) => = 22.276 X(n/nt)
% mol = % V
SO2
0.1
10.04%
CO2
0.365
36.46%
H2O
0.535
53.5%
Utilizando V=X*Vt obtenemos los volúmenes de los gases
Volumen
SO2
CO2
H2 O
2.228x L
8.131x L
11.918x L
Se separa 5% mol de SO 2 que es igual a 5% V= 2.228x L (0.05) = 0.111x L, quedando 2.117x L; además se elimina todo el vapor de agua que eran 11.918x L… Rpta (a) Entonces tenemos que V t = 10.248x L SO2
CO2
%V…Rpta (b)
20.66%
79.34%
X
0.207
0.793
̅ ̅ ̅ = (0.207)(64) + (0.793)(44) = 48.14 /
Rpta (c): 32.09g/mol y 48.14g/mol
Rpta (d) SO2 Presión (X*Pt)
0.383atm
CO2 1.466atm
Volumen (X*Vt)
3.922x L
15.025x L
30:A un mezclador se alimentan 400 lb de N2, 9 kg de Cl2, 980g de H2 y 360 lb de CO2 por una línea, y por la otra se alimenta aire (21% mol O 2 y 79% mol N2). Se desea saber qué cantidad de aire se debe introducir al mezclador para que la mezcla finalmente tenga una concentración de 3% peso de CO2. masa
Masa(g)
%w
N2
400 lb
181436.8 g
51.2%
Cl2
9 kg
9000 g
2.5%
H2
980 g
980 g
0.3%
CO2
360 lb
163293.12 g
46%
354709.92 g
100%
total
163293.12g = 46%(354709.92) = 3%(m t2) => mt2 = 5443104g m t2 - mt = cantidad de aire = 5088394.08 g… Rpta
Cap. 5 PROCESOS TERMODINAMICOS Y BALANCE DE ENERGÌA
1. Una libra de vapor de agua se somete a los siguientes procesos continuos:
a) El vapor inicialmente a 400 psia y 800 ℉ se expande isotérmicamente hasta una presión de 80 psia. b) Después, el vapor se enfría isométricamente hasta 50 psia. c) Por último, se comprime a presión constante hasta un volumen de 8,64 3. Determine: 1. Todas las variables del estado. 2. Elabore el diagrama . correspondiente. SOLUCIÓN: Diagrama de variables •
• •
= (℉ − ) ÷ , = , ℃ + = , ° = , •
•
= = , ° = , •
•
•
•
= , ° = = , = = , = , ° •
•
n=
11 = 22
27,21 × 53,171 = 5,44 × 2 2 = 265,95
4 = 402,38°
2. Una cantidad de 30 moles de un gas ideal que se encuentra a condiciones normales de presión y temperatura se somete a una serie de procesos representados en el siguiente diagrama:
Escriba el nombre de cada uno de los procesos: a) 2 =? 2 = 0,6 b) 3 =? 3 = 364 c) 4 =? SOLUCIÓN:
11 = 22 → é
1 × 671,58 = 0,6 × 2 2 = 1119,3 = 3
44 = 22 → é
0,8 × 4 = 0,6 × 1119,3
4 = 839,47
3. Suponga que 40003 de metano (4)medidos en condiciones de estado se someten como parte de una serie de procesos consecutivos, siendo las condiciones de 30 atm y 70℃. a) Calentamiento isobárico hasta 200℃. b) Enfriamiento isométrico hasta una presión de 3 atm. c) Compresión isotérmica hasta obtener el volumen original. Determine: 1. La masa de metano en el proceso. 2. El volumen inicial. 3. El volumen final del proceso isobárico. 4. La temperatura final del proceso isométrico. 5. La presión final del proceso isotérmico. 6. Elabore el diagrama P vs. V real. SOLUCIÓN: ̅ ̅ = 16/ ̅
1 = 40003 = 4000 × 103
1 = 30
1 = 70℃ + 273 = 343
= 4266514,968
2 = 5516034,985
33 = 44
3 × 5516034,985 = 4 × 4000 × 103 4 = 4,13
4. 1.5 mol de gas ideal con 585 mmHg de presión y 25 °C de temperatura iniciales se someten a una serie de procesos continuos. a) Calentamiento isométrico hasta una presión de 2,539 atm. b) Expansión a temperatura constante hasta llegar a la presión original.
c) Se comprime isobáricamente hasta llegar al volumen original, completándose así un ciclo. Determine: 1. El diagrama del proceso P vs. V. 2. El volumen inicial. 3. La temperatura final del proceso isométrico. 4. El volumen final del proceso isotérmico. 5. Temperatura final del proceso isobárico. SOLUCIÓN:
= 1,5
1 = 25℃ + 273 = 298
22 = 33
2,539 × 476,64 = 0,769 × 3 3 = 1573,71
5. Se tienen 153de benceno (6 6) a 0 °C y 1 atm de presión, sometiéndose a los siguientes procesos continuos. a) A partir del estado inicial se calienta con una relación V/T = cte, hasta alcanzar una temperatura de 120 °F. b) Posteriormente, se comprime con una relación PV = cte, hasta la presión de 3 atm. c) Finalmente, se enfría con una relación P/T = cte hasta alcanzar una temperatura de 273 K. Determine: 1. Todas las variables de estado. 2. La descripción y nombre de cada proceso. 3. Elabore el diagrama P vs. V real.
Diagrama de variables = , = • •
= ℃ + = •
• •
•
•
•
•
•
•
• •
= = = ℉ = , = , = = = , = , = , = = = , ̅ ̅ ̅ = /
= → ó é 22 = 33
1 × 17686,19 = 3 × 3 3 = 5895,39
6. Se desea comprimir 10 Ib. de dióxido de carbono (CO2) a un volumen de 35 ft3 Considere comportamiento ideal, determine la presión en atmósferas a que es necesario someterlos si la temperatura es de 35° C. CO2: M (CO2): 10 lb V (CO2):35 ft3
T˚ (CO2): 35 ˚C Conversiones : M=10lb
.
V= 35 ft
=991.22 L
T˚= 35+273=308 ˚K Calculando la presión necesaria:
= 0.32 3
7. Se tienen 10 m de N2 a condiciones normales de presión y temperatura; a partir de este estado inicial se somete a los siguientes procesos consecutivos:
a) El gas se calienta isobáricamente hasta alcanzar una temperatura de 300 K. b) Después se comprime isotérmicamente hasta alcanzar una presión de 45 Ib/in2. c) Finalmente se enfría el gas isométricamente hasta alcanzar la temperatura inicial. Determine: 1. Todas las variables de estado que faltan en cada proceso. 2. La masa de N2. En C.N. de presión y temperatura (p:1atm ; t: 273 ˚K) Conversiones:
.
V:
a. Para un proceso isobárico (P constante) V1 V2 = T1 T2 2 10000 = 273 ° 300 = 10989.01 b. Proceso isotérmico: = 1 10989.01 = 3.06 = 3591.17 c. Proceso isométrico:
Calculando la masa de N
0. = 273.9
8. En un contenedor se encuentra a un gas a 30°C, a 3 atm y un volumen de 20 L. Se enfría isométricamente hasta llegar a 200 K y finalmente se expande isobáricamente con un volumen de 27 L. Determine la presión en el proceso isométrico, en el proceso isobárico, y demás variables que hagan falta. Conversiones: T=30 ˚C+ 273= 303K
P= 3atm V=20L Isométricamente:
Isobáricamente:
Calculando el N˚ de moles:
1. = 2.41
9. Cada hora entran a un comprensor 87 m3 de O2 a 298 K y 1 atm, se comprime a 360 K y 10 atm. Determine: 1. El flujo de alimentación medido a C. N.P.T. 2. El flujo volumétrico de O2 comprimido. 3. Suponiendo que la compresión es isotérmica, ¿cuál es el flujo de O 2 comprimido? 1. Calculando el flujo másico:
=
Quiere decir 113.9
113.9
.
2. Calculando el flujo volumétrico:
Quiere decir 10510 3. Proceso isotérmico:
1 87000 = 10
=
8700
Calculando la masa de O 2 comprimido:
= 94.308 ℎ.
10.Un recipiente contiene 20 m3 de amoniaco (NH3) a 5 °C y 912 mmHg de presión, sometiéndose a los siguientes procesos consecutivos: a) A partir del estado inicial se calienta con la relación PV n= cte, hasta alcanzar un temperatura de 140 °F. b) Posteriormente se comprime con una relación Pv= cte, hasta la presión de 44 psia. c) Finalmente se enfría con una relación P T, hasta llegar a la temperatura inicial.
Determine: 1. La masa de NH3 en cada proceso en Ib. 2. Todas las variables de estado. 3. Nombre de cada proceso y la ley a la que corresponde. 4. Diagrama de procesos. 5. Diagrama P vs. V real. Conversiones : V= T=5˚C +273= 278 ˚K P= 1.2 atm T= 140 ℉ + 255.372 = 333.15 ° P= = 2.99402 atm. 1. Calculando el volumen en el proceso adiabático:
Calculando la presión:
En el proceso isotérmico:
2.23 17663.13 = 3 3 3 = 13129.6 Calculando
la masa de 3:
11.En un proceso de destilación se obtiene una corriente de alcohol metílico (3 ) con un flujo de 60 kg/h y se almacena la producción en tanques de 2000 L a 85 °C cada hora de proceso; el tanque se calienta hasta 60 °C por efectos de un mal almacenaje. Se propone, para evitar accidentes, que se enfríe a -32 °C y esto provoca un congelamiento y la descomposición del alcohol, provocando pérdidas a la empresa. a) El gerente de producción desea saber si los tanques podrán soportar la presión de calentamiento si la norma indica que la presión máxima que soportan los tanques es de 450 psia. b) ¿Cuánto tiempo podrán soportar los tanques de almacenamiento antes de explotar si cada minuto se eleva la temperatura 3 °C? c) ¿Qué presión debe tener el sistema para evitar el congelamiento si se sabe que el alcohol debe ser envasado a 25 °C para evitar perder sus propiedades? SOLUCIÓN: En una hora:
= 60 = 60000 ̅ ̅ ̅ = 32/
1 = 2000
1 = 85℃ + 273 = 358
= 1875 2 = 145℃ + 273 = 418
1.
No soporta la presión
2.
125,19℃ − 85℃ = 40,19℃
13min 38segundos
3.
3 = 18,52
= 25,97
12. En la Ciudad de México se tienen 45 moles de CO2 en un recipiente a condiciones estándar de presión y temperatura y se somete a una serie de procesos representados en el diagrama de la figura 5.23. Determine: 1. Masa de CO2 expresada en lb. 2. Todas las variables de estado. 3. Nombre de cada proceso (diagrama de proceso) y de qué ley provienen hasta completar el ciclo.
SOLUCIÓN:
Diagrama de variables = = = → á − = = → é − − = , = = = = , → é − − = , = , = = , → é − • •
•
•
•
•
= , •
̅ ̅ ̅ = /
2 = 574,67
22 = 33
1 × 2120,55 = 0,3 × 3 3 = 7068,5
4 = 0,1425
13.Un cilindro con émbolo tiene un volumen de 2 3 y contiene vapor a 60 /2 y 300 °F. Se transfiere calor al vapor hasta que la temperatura aumente a 500 °F, siendo la relación = cte. Determine los valores de Q, W, ∆E, ∆H, se sabe que el va por trabaja con γ = 1,35.
1 = 60 /2 = 4,08
1 = 300℉ = 421,8888
Es Adiabático: Q=0
= 1,35
∆ = 5685,42
= −∆ = −4208,4
14.Un mol de vapor se somete a los siguientes procesos reversibles: a) El vapor a una presión de 400 /2y 800 °F se expande isotérmicamente hasta una presión de 80 /2. b) Posteriormente se enfría a un volumen constante hasta que la presión es de 50 /2. c) A continuación se enfría a presión constante a un volumen de 8,646 3, se comprime adiabáticamente hasta 400 /2y por último se calienta a presión constante hasta llegar a su temperatura inicial. Determine: 1. Q 2. W 3. ∆E 4. ∆H para cada etapa y totales SOLUCIÓN:
= 1
1 = 800℉ = 699,6
11 = 22
∆ = 0 ∆ = 0 = −2237,10
15.Cuatro gramos de helio ocupan un volumen de 5 L a 12,4 /2 . Por medio de un proceso isométrico, baja su presión a 9,3 /2 y se enfría a una temperatura 2. Posteriormente, mediante un proceso a presión constante, se expande hasta ocupar un volumen dos veces el valor del volumen inicial y su temperatura es de 824 °C. Luego, a través de un proceso adiabático, se enfría hasta alcanzar la temperatura 2, ocupando un volumen de 28,5 L. Finalmente, mediante un proceso a temperatura constante, alcanza nuevamente su volumen inicial a 9,3 /2. a) Elabore un diagrama P vs. V que ilustre el proceso completo. b) Determine los valores de Q y W para cada proceso y para todo el ciclo (dar resultados en joules). SOLUCIÓN:
4
1 = 5
= 2
= 0
2 = 3
Adiabático
3 = 10 3 = 1097
4 = 2 = 274,38
= 32108,58
= 34367,48
4 = 28,5
16.Un mol de un cierto gas se expande irreversiblemente y adiabáticamente hasta duplicar su volumen. En la expansión su temperatura cambia de 298˚K a 248˚k. Suponiendo comportamiento de gas ideal, determine los valores de capacidades caloríficas molares a presión y volumen constantes. Aplicando conocimientos previos de condiciones adiabáticas:
= −∆
∆ = 4.1
4.1 = 1 50 °
17.Un mol de gas monoatómico se somete al ciclo reversible. A parir de los datos determine los valores de calor, trabajo, energía y entalpía.
18.Cierta cantidad de un gas se somete a una serie de procesos reversibles que conforman un ciclo. El gas que se encuentra inicialmente a 0,95 atm, 20 °C y 5 L experimenta un cambio adiabático durante el cual se calcula que ∆E = 267,5 cal. Posteriormente, se calienta hasta un volumen de 1,934 L mediante un proceso que cumple la relación V/T = cte. A continuación experimenta un cambio en el que Q = 0 y ∆E = -305,65 cal y finalmente regresa a su estado inicial mediante un proceso en el que teóricamente se establece que W = 0. Determine todas las variables de estado (P, V, T) así como los valores de ∆E, ∆H, Q y W parciales y totales. Conversiones: T=20℃ + 273 = 293 ° Calculando en N˚ de moles:
A V/T = cte se obtiene:
Calculando la ∆:
Calculando ∆:
19. Se comprimen 10 m3/min de aire desde 1 atm y 24 °C hasta 2 atm. Determine los valores de Q, W, ∆E y ∆H para cada uno de los siguientes cambios: 1. Proceso adiabático reversible. 2. Proceso adiabático irreversible. Conversiones:
T=24℃ + 273 = 297 ° En un proceso adiabático: (reversible)
Calculando:
2 = 360.61 °
360.61 ° 10000 1.4−1
2 = 6208 Calculando ∆:
Calculando ∆:
∆ = 113543.85
Por propiedad adiabática: = 0 = −∆
= −81102.75
En un proceso adiabático: (irreversible) = ∆(2 − 1)
= 1 (−3792) = −3792
∆ = 113543.85
20. 10 L de aire (γ = 1,4), inicialmente a 327 °C y 8 atm se someten a una expansión isotérmica, con lo que su volumen aumenta cinco veces. Posteriormente, mediante un proceso adiabático, el gas se expande otra vez hasta alcanzar una temperatura de 300 K. De aquí, por medio de otro proceso isotérmico, el gas se comprime y finalmente por medio de otra compresión adiabática, alcanza las condiciones iniciales. 1. Represente el ciclo termodinámico reversible usando las variables de P y V. 2. Determine los valores de P, V, T, Q, W, ∆ E y ∆H en cada proceso. 3. Determine el valor de W total para el ciclo, en calorías y en joules.
Datos: V=10 L 1 = 327 ℃ + 273 = 600 ° 1 = 8 2 = 2 = 50 2 = 600 °
Calculando 2:
2 = 1.6
Proceso adiabático:
3 = 38.3
3 = 1.14
En el proceso isotérmico: 11 = 22
1.14 38.3 = 1.6 4
4 = 27.3
Proceso adiabático:
21. Se tienen 1,62 mol de un gas a 600 K y 8 atm, los cuales se someten a una expansión hasta un volumen de 50 L, realizando para esto un trabajo de 3 108,41 cal. Mediante un proceso diferente y siguiendo una relación PV γ = cte, se realiza una expansión hasta alcanzar a una temperatura de 300 K y el trabajo que se realiza tiene un valor de 2 430 cal; acto seguido se comprime de manera isoentálpica, realizando un trabajo de -1 560 cal, para luego volverse a comprimir hasta que el trabajo sea igual a ∆E y que ∆H = 2 430 cal considere que γ = 1,4. Determine: 1. El valor de todas las variables de estado faltantes. 2. El calor, la entalpía, la energía y los trabajos totales y parciales. Explique si se trata de un ciclo o no. 22. Un mol de un gas ideal cuya Cv = 5,0 cal/mol K y que está inicialmente a CNPT, efectúa el siguiente ciclo reversible: Proceso A: Del estado 1 al estado 2 se calienta a volumen constante hasta el doble de su temperatura inicial. Proceso B: Del estado 2 al estado 3 se expande adiabáticamente hasta regresar a su temperatura inicial. Proceso C: Del estado 3 se comprime isotérmicamente hasta regresar al estado 1. Determine los valores de calor, trabajo, energía y entalpía para cada proceso y para cada ciclo completo. CNPT: P= 1atm T= 273 ˚K PROCESO A: Isométrico:
2 = 2
Energías: = 0
Calculando ΔE:
Calculando ΔH:
PROCESO B:
Proceso adiabático:
Calculando ΔE:
Calculando ΔH:
Proceso C:
Isotérmico:
∆ = 0
23. Se tienen 2 400 g de aire precalentado, los cuales se someten a un ciclo ideal reversible bajo las siguientes condiciones: a) El inicio del ciclo es con un proceso de compresión que obedece al comportamiento P Vγ = cte, donde V1 /V2 = 17. b) La temperatura es de 40 °C y la presión de 1 atm. Aprovechando la combustión, se calienta el gas y la relación de volumen provocado por el gas es V3/V2 = 2, siguiendo una relación V/T = cte. A continuación se lleva a cabo una expansión en ausencia de calor hasta la temperatura de 826 K. De esas condiciones, sigue un enfriamiento hasta una presión de 1 atm y una temperatura de 40 °C. Considere γ = 1,4. Determine: 1. Todas las variables de estado. 2. El calor, la entalpía, el trabajo y la energía interna para cada proceso y para todo el ciclo. 3. Elabore el diagrama P vs. V real. Hallando el número de moles:
1 = 2136 Proceso
adiabático:
313 ) =383969.6 cal
972.13 ) =404503.3 cal
2−3 = 566304.6 − 404503.3 = 161801.3
651431.2 cal
465308.2 cal
3−4 = 566304.6 − 404503.3 = 161801.3
Cap. 7 OPERACIONES UNITARIAS
1. El proceso de industrialización de los orejones de durazno es el siguiente: Primero, la fruta se escalda con una solución de sosa a 6% peso, después se corta en rodajas de 1cm de ancho, se introduce a un deshidratador para eliminar 30% de agua contenida y se pierde además 75 % de vitaminas; después se introduce en otro desecador donde se elimina agua. Con la descripción anterior determine: a. La cantidad en kg de orejones que se obtiene al procesar 700 toneladas de orejones. b. Elabore el diagrama correspondiente indicando las entradas y salidas. c. % peso del producto final. d. Realice el balance total.
Vita: 27TN Vitaminas 36TN
H2O: 169.2TN
Proceso de escaldado
Deshidratador
Fruta: 600TN Vita: 36TN
Fruta: 403.8 Vita: 9TN
H2O: 394TN
Desecador
H2O:276.36TN; Vita: 9TN
Fruta 700TN
H2O: 118.44TN
se corta en rodajas
H2O:564TN Fruta: 285.36TN
Cálculos: En A: Hay 6% de peso
Vitaminas 36 TN (6%) H2O 564 TN (94%) En la salida del deshidratador, como hay 75% se pierde de vitaminas y 30% de agua se elimina en peso entonces. Vitaminas 27 TN (75%) H2O 169.2 TN(30)% En el desecador el producto que se obtiene es el siguiente en composición de la fruta: Vitaminas 9 TN H2O 276.36 TN a) Al procesar las 600 TN en el deshidratador de la fruta se obtiene 403.8 TN y en el desecador se obtiene 285.360TN de orejones b) Porcentaje en peso del producto final: Porcentaje =9/276.36=3.154%
2. Los granos de café contienen componentes solubles en agua y otros que no lo son. el café soluble instantáneo se produce al diluir la porción soluble en agua hirviendo en grandes silos, esta se pasa a los tamices y luego se alimenta a un evaporador de triple efecto en el cual
se evapora gran parte del agua, se bombea a un secador por aspersión donde se termina de eliminar el agua y el café queda como un polvo seco. la parte insoluble de los granos atraviesa tres operaciones de secado; el material seco se emplea como combustible o relleno de terrenos. las soluciones extraídas de este material se alimentan al secador de aspersión junto con los efluentes del evaporador de triple efecto. a partir de la descripción de este proceso, realice un diagrama de flujo con símbolos rotulando todas las alimentaciones, productos y corrientes que conecten entre sí a las unidades. H2o
Hervidor
Tamices
Evaporador de triple efecto
H2o
Secador
3. El proceso que se describe es la hidrogenación del carbono para obtener gasolina sintética. Dibuje un diagrama de flujo con símbolos del equipo. “Se alimenta carbón y catalizador a un triturador, la descarga se empasta con aceite de un depósito; una bomba toma la pasta, la comprime y la introduce en un horno donde se da la reacción H2 a 450 °C y 200 atm. El producto caliente pasa por una centrífuga para separar lo evaporable que se envía a una columna de destilación. El aceite pesado que descarga la centrífuga y la columna por su fondo, va a un depósito para recircularlo después y empastar más carbón. El destilado de la columna se lleva al horno de gasolina donde reacciona
el H2 en presencia del catalizador granulado a 45 °C y 200 atm. El producto gaseoso pasa a otra columna de destilación que descarga gases licuables (propano) y gasolina (fondo) que se purifica con lejía alcalina.”
4. Al efectuarse una reacción química se obtuvieron los siguientes gases, con su respectiva composición en % peso, con un flujo de 257 kg/h. COMPUESTO N2 CO2 O2 H2O
% EN PESO 36 28 16 20
Esta mezcla se envía a una columna de adsorción donde 90% de la humedad se separa. Después la mezcla gaseosa resultante se introduce a una columna de absorción donde se separa 76% del CO2. Finalmente se mezcla la corriente gaseosa de la absorción con una corriente de 620 kg/h de aire, cuya composición es de 21% peso de O2 y 79% peso de N2. Con la descripción anterior determine: a) La composición de la mezcla gaseosa después del mezclado en %peso. a. n2=75.03636% ; co2=2.2254% ; o2=22.0758 ; h2o=0.6623 b) Las cantidades separadas en cada equipo. a. n2=582.32 kg; co2=17.2704 kg; o2=171.32kg ; h2o=5.14k
c) Realice los balances parciales y el balance total. PARA EL SECADO DATO AIRE O2= 130.2 Kg 620Kg N2= 489.8 Kg BALANCE GLOBAL COMPUESTO % EN Kg P SO 1)ABSOR.Kg 2)ABSOR. SECADO % EN PESO Kg Kg PESO N2 36 92.52 92.52 92.52 582.32 75.0363636
CO2
28
71.96
71.96
17.2704
17.2704
2.22542247
O2
16
41.12
41.12
41.12
171.32
22.0758858
H2O
20
51.4
5.14
5.14
5.14
0.66232812
0
0
46.26
54.6896
0
0
100
257
257
SEPARAR TOTAL
210.74 776.0504
F+S=G+R+J BALANCE PARCIAL F=G+H H=R+I I+S=J
A) Elabore el diagrama de bloques y símbolos para todo el proceso. 5. Un pequeño negocio naturista ha comercializado con éxito su ensalada “Fruti-Light” la cual se prepara de acuerdo a la siguiente composición (considere que la ensalada ya preparada para una persona en promedio pesa 1,55 lb y diariamente se preparan unas 55 ensaladas individuales): FRUTA
% PESO
PERA MELÓN PAPAYA MANZANA NUEZ YOGUR MIEL GRANOLA
22 10 15 32 3 9 7 2
PRECIO PROMEDIO DE COMPRA $ 1.20/100G $ 5.00/ KG $ 3.00/ KG $6.80/LB $0.05/G $15.00/KG $0.35/10G $18.20/LB
a) Determine la cantidad en kg que se consume de materia prima durante 5 días de trabajo.
100
b) El dueño del negocio piensa que 55 ensaladas en saladas al día es una buena venta pero no observa las utilidades; tiene dos teorías: - su precio de venta de $20.00 pieza es muy bajo - el encargo está robándole dinero. - ¿cuál será la verdadera razón? fundamente su respuesta con cálculos. FRUTA
PARA UN PLATO (KG)
PARA 1 DÍA (55 PLATOS) KG
PARA 5 DÍAS (KG)
PRECIO DE COSTO /KG
PERA MELÓN PAPAYA MANZANA NUEZ YOGUR MIEL GRANOLA TOTAL
0.154 0.07 0.105 0.224 0.021 0.063 0.049 0.014
8.47 3.85 5.775 12.32 1.155 3.465 2.695 0.77
42.35 19.25 28.875 61.6 5.775 17.325 13.475 3.85 192.5
$ 12.00 $ 5.00 $ 3.00 $14.98 $50.00 $15.00 $35.00 $40.11
PRECIO DE COSTO PARA UN PLATO/KG 1.848 0.35 0.315 3.355 1.05 0.945 1.715 0.561 10.139
a.) La cantidad de materia prima que consume por 5 días es 192.5 kg b.) Utilidades = Precio de venta – venta – Precio Precio de costo Precio de costo por plato = 10.13 Precio de venta = 20.00 Utilidad = 20.00 - 10.13 = 9.87 Además se deduce que el dueño está siendo robado por el encargado de venta Ingrediente Fresa Azúcar Ácido cítrico Pectina Sal
%peso 50.00 40.00 9.80 0.15 0.05
Costo $ 5.00/kg $ 6.50/kg $ 20.00/100g $ 10.00/25g $ 0.05/500g
6. En la elaboración de la jalea de fresa primero se lava y desinfecta la fruta eliminando la corola y las basuras que pudiera tener, con lo cual se obtiene 55% peso de fresa utilizable. Después se le agrega el azúcar, la pectina, el ácido cítrico y una pizca de sal, se mezcla y calienta hasta ebullición con la finalidad de conseguir una mezcla espesa y pesada que se vacía en moldes y se refrigera. Si la composición en % peso de la jalea de fresa y el costo co sto de las materias primas es el siguiente:
a) Elabore un diagrama de bloques indicando las operaciones unitarias involucradas en el proceso.
b) Elabore un diagrama de símbolos donde indique cada operación unitaria del inciso anterior .
c) Si se desea fabricar 50 recipientes de jalea de fresa de 450 g cada uno, ¿qué cantidad de cada materia prima se necesita? Tenemos que: El producto terminado que está depositado es el siguiente: = 50450 = 22500 = 22.5
Se hace un balance parcial en la operación unitaria de “mezcladora -calentamiento”
= (%. ) + (, ,,)
Como sabemos en la tabla nos brinda la información de % en peso de los ingredientes utilizados para la elaboración de la jalea j alea de fresa (producto terminado) INGREDIENTES %PESO
PESO
FRESA
50
11.25 Kg
AZUCAR
40
09.00 Kg
ACIDO NITRICO PECTICINA SAL
9.8
2205.00 gr
0.15 0.05
33.75 gr 11.25 gr
Como sabemos sabemos que la fresa utilizada para la elaboración de la jalea representa representa el 55% de la fuente de alimentación, entonces hacemos el siguiente cálculo para hallar la cantidad de materia prima que se necesita.
= .
d) ¿Cuál es el costo de cada ca da materia prima y cada recipiente de jalea de fresa?
INGREDIENTES FRESA AZUCAR ACIDO NITRICO PECTICINA SAL
%PESO 50 40 9.8 0.15 0.05
PESO 11.25 Kg 09.00 Kg 2205.00 gr 33.75 gr 11.25 gr
costo $ 05.000/Kg $ 06.500/Kg $ 0.2000/gr $ 0.4000/gr $ 0.0001/gr TOTAL
costo total de MP $ 056.250 $ 058.500 $ 441.000 $ 013.500 $ 000.001 $ 569.251
COSTO DE $ 11.385 CADA RECIPIENTE
e) ¿Cuál es el costo de toda la producción si 40% del costo de la fresa equivale a los costos de producción? = + .
= 569.251 + 0.4(569.251)
= $ .
f) Indique qué otros costos aparte de la materia prima se deben tener en cuenta en una producción. Los otros considerables seria el costo de la mano de obra directa ya sea pago por horas-hombres, horas-hombres, jornales, por producto elaborado, etc. Además es necesario incluir los costos indirectos de fabricación.
7. Para la fabricación de refrescos de cola se prepara un jarabe concentrado con la siguiente formulación: EXTRACTO DE COLA 12.00 KG SOLUCIÓN AZUCARADA (71.34% PESO DE AZUCAR) 1500.00 G SOLUCIÓN DE ÁCIDO FOSFÓRICO (29% PESO DE ÁCIDO) 6.00 KG CAFEINA 3.00 KG COLOR CARAMELO 6.75 KG
Al jarabe se le inyecta co 2 para obtener el refresco. Para ello se coloca en cada botella 485.30 cm3 de jarabe (densidad del jarabe = 1.5g/ml). La jornada laboral es de dos turnos de ocho horas cada uno, seis a la semana y 11 meses al año. Determine: a) La composición porcentual del jarabe concentrado. b) La cantidad de agua que llevan las soluciones de la formula. c) ¿Cuántos envases se van a llenar al año si solo 85% del jarabe es envasado y el resto se almacena? Extracto de cola
12kg
Solución azucarada (71.34% peso de azúcar)
1500g
Solución de ácido fosfórico (29% peso de ácido)
6kg
Cafeína
3kg
Color caramelo
6.75kg
Al jarabe se le inyecta CO2 para obtener refresco. Para ello se coloca en cada botella 485.30 3 de jarabe (densidad del jarabe = 1.5 /) La jornada laboral es de dos turnos de ocho horas cada uno, seis días a la semana y 11 meses al año. Determine: a)
La composición porcentual del jarabe concentrado
b)
La cantidad de agua que llevan las soluciones de la formula
c)
¿Cuántos envases se van a llenar al año si solo 85% del jarabe es envasado y el resto se almacena?
Solución: •
•
Solución azucarada: 71.34% en peso
Solución de ácido fosfórico: 29% en peso
•
•
•
Extracto de cola = 12kg
En cada botella se coloca 485.30 cm 3 Masa que se coloca en cada botella:
a) Composición porcentual
b) Cantidad de botellas: c) Cantidad de envases En un turno:
85%x15444kg = 13127.4kg se envasa Respuesta:
8. En una industria se extrae la corteza de mangle con un peso de 1,5 toneladas, con la siguiente composición porcentual en peso: 38% de agua, 37% de taninos y 25% de sólidos solubles. La madera finamente molida se somete a un proceso de extracción donde se agregan 0,5 toneladas de agua caliente para obtener una pasta que contiene 62% de agua de la alimentación, 2,8% de taninos y 35,2% de sólidos solubles que no son taninos (todos estos porcentajes se relacionan con la alimentación total) de acuerdo con el siguiente diagrama:
Corteza + Agua = Pasta + Residuo
9. Una empresa que produce gajos de mandarina en almíbar alimenta al proceso 180 kg/h de fruta entera. Ésta se selecciona y hay una pérdida de 3% de fruta que se encuentra en mal estado. La fruta de calidad se envía al pelado y se elimina 18% en peso de cáscara respecto al peso de fruta seleccionada. Finalmente se desgaja y se mezcla con el jarabe. La mezcla se envasa en frascos de 500 g; la composición del contenido de cada envase es 50% peso de gajos y 50% peso de jarabe. El jarabe utilizado tiene la siguiente composición porcentual: Ingredientes Azúcar refinada Agua Glucosa Citrato de sodio Ácido cítrico Benzoato de sodio
%peso 50 24.97 20 3 2 0.03
Costo $ 7.00/Kg $ 0.80/L $ 7.61/Kg $ 0.60/Kg $ 0.50/Kg $ 0.65/Kg
A. La cantidad de materia prima que se requiere preparar el jarabe, para la producción en una hora.
Hallamos el desperdicio(D) y la mandarina seleccionada(G) mediante un balance parcial en la operación unitaria seleccionar: Sabemos que: = + Como:
Ahora hallamos la eliminación de cascara (E) y la mandarina pelada o gajos (M) en la operación unitaria pelar: Sabemos que: = + Como:
Se tiene de dato que en cada envase el 50% ocupa el jarabe y el otro 50% de gajos, por lo tanto la relación de jarabe y gajos es 1 a 1.
Entonces la cantidad de materia prima que se utiliza para preparar el jarabe es: JARABE Ingredientes Azúcar refinada Agua Glucosa Citrato de sodio Ácido cítrico Benzoato de sodio
%peso 50 24.97 20 3 2 0.03
peso 71.59 kg 35.75 kg 28.63 kg 4.30 kg 2.86 kg 0.04 kg
B. El costo del jarabe para la producción en una hora (densidad del agua
0.998 g/mL=998 Kg/L) Primero hallamos el volumen del agua:
Entonces el costo del jarabe es: Ingredientes Azúcar refinada Agua Glucosa Citrato de sodio Ácido cítrico Benzoato de sodio
cantidad 71.586 kg 0.036 L 28.634 kg 4.295 kg 2.863 kg 0.043 kg
Costo $ 7.00/Kg $ 0.80/L $ 7.61/Kg $ 0.60/Kg $ 0.50/Kg $ 0.65/Kg TOTAL
costo total de MP $ 501.10 $ 0.03 $ 217.91 $ 2.58 $ 1.43 $ 0.03 $ 723.08
C. La cantidad de frascos a utilizar para la producción en una hora
Primero hallamos la cantidad de kg por hora del producto terminado = + = 143.172 + 143.172
Entonces como sabemos que cada frasco pesa 500g, hallamos la cantidad de frascos por hora:
D. El número de cajas utilizadas para la producción en un minuto Primero
hallamos el número de cajas en 1hora Tenemos el
siguiente
1 caja <> 18 frascos Entonces
dato:
Hallamos por minuto:
E. La cantidad en kg de la fruta en mal estado y de cascara pelada:
Los cálculos se han realizado previamente en la pregunta “a”: Fruta en mal estado
Cascara separada F. El costo de la mandarina en una hora de trabajo si el precio es de
$2.85/kg Tenemos de datos que la mandarina tiene como fuente de alimentación de 180kg/hr Entonces el costo es:
= $⁄
10.Para producir agua dulce a partir de agua de mar se utiliza un evaporador de doble efecto. El agua de mar contiene aproximadamente 4% de sales disueltas. Se alimentan: 100 000 kg/h de agua de mar al primer evaporador, en la corriente de salmuera de salida las sales representan el 6,6% y en la descarga del segundo evaporador la sal contiene 18% de humedad. a. Indique ¿Cuánta agua dulce se obtiene? Para hallar la cantidad de agua dulce hacemos balanceo parcial en el primer evaporador: Sabemos que:
F. sal = B. sal + A. sal 0. Entonces B:
Según la ecuación número 1, “A” es: A=F−B
Sabemos que:
B. sal = C. sal + D. sal kf Entonces D:
Según la ecuación número 1, “C” es: C=B−D
Nos piden la cantidad total de agua dulce obtenida:
11.En un proceso de desalinización de agua de mar para producir agua dulce, se utiliza un sistema de tres evaporadores. El proceso se inicia alimentando 400 ton/día de agua de mar, con una composición en peso de 2,5% de cloruro de sodio, 1% de cloruro de potasio y 1% de otras sales minerales. Se sabe que a la salida de cada evaporador se obtienen las siguientes cantidades de agua de mar concentrada: 1er evaporador 353 Ton, 2do evaporador 279,63 Ton, 3er evaporador 200,35 Ton. Con estos datos determinar: a. La cantidad de vapor generado libre de sales minerales en los tres efectos (agua dulce). b. Composición porcentual en peso a la salida del último evaporador. c. De acuerdo al proceso descrito, si se solicitaron 300 ton de agua sin sales ¿Cuánta agua de mar se deberá tratar?
HALLAMOS “A” DE AGUA DULCE Se sabe que en la alimentación “E” está compuesta de COMPOSICION
PESO
NaCl
10
KCl
4
Otros
4
H2O
382
Por tanto la salida “F”: La composición es de la siguiente forma COMPOSICION
PESO
NaCl
10
KCl
4
Otros
4
H2O
335
Entonces el agua dulce en “A” es:
Aagua dulce = 382 − 335
Aagua dulce = 47 TN/dia
HALLAMOS “B” DE AGUA DULCE Se sabe que en la alimentación “F” está compuesta de COMPOSICION
PESO
NaCl
10
KCl
4
Otros
4
H2O
335
Por tanto la salida “G”: La composición es de la siguiente forma COMPOSICION
PESO
NaCl
10
KCl
4
Otros
4
H2O
261.63
Entonces el agua dulce en “B” es:
Bagua dulce = 335 − 261.63
Bagua dulce = 73.37 TN/dia
HALLAMOS “C” DE AGUA DULCE Se sabe que en la alimentación “G” está compuesta de COMPOSICION
PESO
NaCl
10
KCl
4
Otros
4
H2O
261.63
Por tanto la salida “H”: La composición es de la siguiente forma COMPOSICION
PESO
PORCENTAJE
NaCl
10
4.99%
KCl
4
1.99%
Otros
4
1.99%
H2O
182.35
91.01%
Entonces el agua dulce en “A” es: Cagua dulce = 261.63 − 182.35
Cagua dulce = 79.28 TN/dia a) Cantidad de agua dulce de los evaporadores: AGUA DULCETOTAL = 47 + 73.37 + 79.28 AGUA DULCETOTAL = 199.65 b) Composición porcentual de la última salida COMPOSICION PESO PORCENTAJE NaCl
10
4.99%
KCl
4
1.99%
Otros
4
1.99%
H2O
182.35
91.01%
c) Cuanto se necesita para 300tn de agua dulce Como el agua dulce de los tres evaporadores guardan la siguiente relación: Agua dulce TOTAL porcentaje A 23.54%
B C
36.75% 39.71%
Como nos piden un total de 300 TN/día. Entonces en “A” se obtiene A= 23.54%x300TN/día A=70.62 TN/día. Hallamos la relación entre el agua dulce contenida en el agua de mar inicial con el agua dulce “A”
12. Una mezcla de hidrocarburos está constituida por 40% de tolueno, 40% de benceno y 20% de xileno; para separar sus componentes se somete a dos destilaciones, en la primera unidad por la corriente del destilado se separa 10% del tolueno y 80% del benceno que se alimentó. La corriente de los fondos se lleva a una segunda columna de destilación, cuya corriente de salida de los fondos está constituida por 10% de tolueno y 90% de xileno. La corriente del destilado está formada por tolueno y benceno. Para una alimentación de 2 400 kg de mezcla, Calcule:
a. Masa total y composición porcentual en la corriente del destilado de la primera unidad R= TOLUENO= BENCENO=
864 Kg 10% 80%
de 960 Kg de 960 Kg
b. Masa total y composición porcentual en la corriente de los fondos del destilado de la primera unidad K= TOLUENO= BENCENO= XILENO=
1536 Kg 56% 13% 31%
864 Kg 192 Kg 480 Kg
c. Masa total de la corriente del destilado y composición porcentual del destilado de la segunda unidad. L= TOLUENO=
1002.67 Kg 80.85%
BENCENO= 19.15%
810.67 Kg 192 Kg
d. Masa total de la corriente de los fondos del destilado de la segunda mitad. J= 533.333 Kg TOLUENO= 10% 53.3333 Kg XILENO= 90% 480 Kg
e. Establecer el balance global F=R+L+J 2400= 864+1002.67+533
Cap. 8 BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN SISTEMAS CON REACCIO QUIMICA
1) Una mezcla de 60% mol de N2 y 40% mol de O 2 se introducen a un reactor,
donde se lleva a cabo la reacción:
N2 + 2O2 28g 64g
N2O4 92g 57 500g
N2=60%×100=60 kg O2=40%×100=40 kg N
= 2142.9
(RE)
O
= 625
(RL)
Determine:
a)
La composición final en % mol si se introducen 100 kg de mezcla, considerando que la reacción tiene un rendimiento de 70% N2O4=70%x57 500g= 40 250g Exceso=60 000 – 17 500= 42500g N2=0.51x100=51 N2O4=0.49x100=49 Total=100
b)
El peso molecular promedio de la mezcla final. N2=0.51x28=14.28 N2O4=0.49x92=45.08 Total=59.36
2) Una mezcla gaseosa tiene la siguiente composición en % mol: H2, 30%; CH4,
20%; C3H8, 15%; N2 35%. La mezcla, que pesó 3000 kg a 280 0F y 820 mmHg, se pone en un reactor donde se lleva a cabo la siguiente reacción. N2
+
3H2
28g 6g 1 050 000g 900 000g H2= 30%= 900kg N2= 35%= 1050kg C3H8= 15%=450kg CH4= 20%=600kg Total = 3000kg N
2 NH3 34g
H Si la eficiencia de la reacción es de 68%, determine:
b) El reactivo limitante y el reactivo en exceso. RL= N2 RE= H2
c) El peso molecular promedio a la entrada y a la salida del reactor. A la entrada H2= 0.3×2=0.6 N2= 0.35×28=9.8 C3H8= 0.15×34=5.1 CH4= 0.2×16=3.2 Total =18.7
A la salida NH 3=17×0.12=2.04 C 3H8=34×0.03=1.02 CH 4=16×0.09=1.44 H 2=2×0.76=1.52 Total=6.02
3) Una mezcla gaseosa pesa 250 kg a una temperatura de 200 0F y a 1.5 atm de
presión, su composición en %mol es: H2(25%), CH4(18%), C3H8(35%), O2(22%). Posteriormente la mezcla se introduce en un reactor donde se lleva a cabo la transformación CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
16g 64g 44g 36g 45 000g 55 000g 37 812g 30 937.5g 28 359g 23 203.1g 75% H2=25%x250kg=62.5 kg CH4=18%x250kg=45 kg (RE) C3H8=35%x250kg=87.5 kg O2=22%x250kg=55 kg (RL) Una vez efectuada la reacción, la cual tiene una eficiencia de 75%, la mezcla gaseosa resultante continúa en proceso. Determine:
a) El peso molecular promedio de la mezcla gaseosa al finalizar la reacción. CH4=0.05x16=0.8 C3H8=0.05x44=2.2 CO2=0.02x44=0.88 H2O=0.03x18=0.54 H2=0.84x2=1.68 Total=6.1
b) Las presiones parciales en atm, a la salida del reactor, si la presión total es de 15 lb/in2. 15 lb/in2x0.068046=1.02atm
c) El volumen de la mezcla gaseosa después de la reacción, si ésta se encuentra a 100 oC y a la presión del inciso b). PV = RTn 1.02× = 0.082 × 373 × 859 = 25758
4) Una mezcla de 30% mol de N2 y 70% mol de O 2 se introducen a un reactor
donde se lleva a cabo la siguiente reacción química en fase gaseosa: N2 + 2O2 N2O4 28g 64g 92g 210 000g 490 000g 690000g N2=30%×700=210 kg O2=70%×700=490 kg N
210 000 = 7 500
O 490 000 = 7 650
(RL)
(RE)
Determine:
a) La composición final en % volumen si se introducen 700 kg de mezcla, considerando que la reacción tiene una eficiencia de 90% 90%×690 000g=621000 690000 – 621000=69 N2 + 2O2 N2O4 28x 64x 28x + 64x = 69 X = 0.75 Queda:
N2= 28x0.75=21 kg O2= 64x0.75=48 kg N2O4=621 kg
3% 6.8% 90.2%
b) El peso molecular promedio de la mezcla final. O =480 000g Exceso O2=490 000g – 480 000g=100 000g O2=0.32x32=10.24 N2O4=0.68x92=62.56 Total=72.8 6) Una mezcla gaseosa tiene la siguiente composición en % mol: N 2(22%),
Cl2(28%), H2(35%), CH4(15%). Se tiene 12 kg de esta mezcla a 6 atm y 25 oC de temperatura; dicha mezcla se envía a un reactor donde se efectúa la trasformación: H2 + Cl2 2100 mol 47 mol
2HCl 47 mol
N2=22%x12=2.64 kg Cl2=28%x12=3.36 kg (RL) H2=35%x12=4.2 kg (RE) CH4=15%x12=1.8 kg Esta reacción tiene una eficiencia de 80% y los gases salen del reactor a 7 atm y a 35 oC. Determine:
a) El peso molecular promedio de la mezcla gaseosa a la entrada y a la salida del reactor. 47 mol x 80%= 37.6 mol Entrada: Cl2=3360g/71g=47 mol – 37.6 mol= 9.4 mol = 667.4g H2=4200g/2g=2 100 mol – 37.6 mol= 2062.4 mol=4124.8g Salida: HCl= 37.6 mol=1372.4g
b) El volumen de la mezcla gaseosa que sale del reactor. PV = RTn 7 × = 0.0082 × 308 × 37.6 = 135.6
c) La composición de la mezcla gaseosa en % peso al final de la reacción.
N2=2.64 kg=28.6% Cl2=1.8 kg=19.5% H2=0.6674 kg=7.2% CH4=4.1248 kg=54.7% Total=9.2322 kg
11) A un reactor se introducen 100 mol de amoniaco (NH3) Y 100 mol de O2 cada hora. Y se lleva a cabo la siguiente reacción. 2NH3
+
2.5O2
2NO
+
3H2O
a) ¿Cuál es el flujo volumétrico de la corriente? 1 mol 100 mol/h x = 2240 l/h
22,4 l
1 mol 100 mol/h y = 2240 l/h
22,4 l
b) ¿Cuál es la composición molar? c) ¿Cuáles son las presiones parciales? Masa de NH 3
Masa de O 2
Reactivo limitante: NH3 1 mol 17 g NH3 1 mol 100 mol/h m NH3 100 mol/h m NH3 = 1700 g/h O2 = 3200 g/h 2NH3 1700 g/h
+
2.5O2 3200 g/h
2NO 2550 g/h Composición molar
NH3
100 mol
O2
100 mol
+
32 g NH3 m O2 m
3H2O 1700 g/h
Presión parcial 100 3 398,32 100 3 398,32
= 0,251 = 0,251
NO H2 O
56,66 398,32 141,66 20 398,32
= 141,66 398,32
Total
= 0,142 = 0,355
1
13) El acetileno gaseoso se produce de acuerdo con la siguiente reacción química: CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca (OH)2 Carburo de calcio + agua
acetileno + hidróxido de calcio
a) Si solo se cuenta con 20 g de CaC2, ¿Cuánto acetileno podría producirse si la reacción se lleva a cabo a 80% de eficiencia? CaC2 + 2H2O 20g 64g
C2H2 + Ca (OH)2 xg 26g
X= 8,125g A un 80% de eficiencia seria 6,5g
b) Hay una demanda de 15 lb de acetileno por semana; para su producción se requiere saber cuántos gramos de carburo de calcio deben comprarse si la eficiencia del reactor es de 75% y la pureza del reactivo es de 60%? 15 lb = 6810g Se necesitan 12 572,25 g de acetileno a una eficiencia de 75% 60% de pureza
Total: 20 953,75 g
14) Un gas tiene la siguiente composición en % peso: N 2 (24%), Cl2 (26%), H2 (30%) y el resto es CH4. Si se tienen 30 moles de esta mezcla a una presión de 6 atm, una temperatura de 78°F y se envían a un reactor que trabaja a 80% de eficiencia, donde se efectúa la reacción:
H2 + Cl2
2HCl
Determine:
a) ) La cantidad de ácido clorhídrico formado H2
+
Cl2
1mol 9 mol
7,8 mol
2HCl 1mol
2mol
x mol X = 15,6 mol
A un 80% de eficiencia x=12,48 mol, es decir se produce 455,52 g de HCl
b) El peso molecular promedio a la entrada del reactor N2 = 7,2 mol Cl2 = 7,8 mol H2 = 9 mol CH4 = 6 mol Peso molecular promedio: 7,2(28) + 7,8 (71) + 9(2) + 6 (16) = 869,4 g/mol
c) Si a la salida del reactor hay 280°F y 8 atm, ¿Cuál será la densidad? Densidad = Densidad = Densidad = 57,68 g/L
15) Determine la entalpia estándar de formación del pentoxido de nitrógeno (N2O5) a 25°C con base en los siguientes datos:
4NO + 2O2
4NO2
4NO2 + O2
H= -114,1 kJ/mol (x2)
2N2O5
2N2 + 2O2
4NO
H= -110,2 kJ/mol H= 108,5 kJ/mol(x2)
2N2O5 H= -121,4 kJ/mol
2N2 + 5O2
16) El calor de formación de la glucosa (C6H12O6) y el ácido láctico (CH3CHOHCOOH) es -304,60 y -165,88 kcal/mol, respectivamente. ¿Cuál es el calor de reacción a 25°C para la formación del ácido láctico a partir de la glucosa? C6H12O6
2(CH3CHOHCOOH)
∆° = ∑ ∆° () − ∑ ∆° () ∆° = ⌊(−165,882) − (−304,60)⌋ ∆° = −27,16 kcal/mol
17) La entalpia de combustión del naftaleno (C10H8) es de -5 157 kcal/mol K a 25°C. Determine la entalpia de formación del naftaleno a esta temperatura: C10H8 + 12O2
10CO2 + 4H2O
∆° = ∑ ∆° () − ∑ ∆° () −5 157 = [10(−393,5) + 4(−241,8)] − [] −5 157 = −4902.2 −
X = 254.8
18) Escriba la reacción que representa la síntesis del H 2SO4 a partir de azufre, oxigeno e hidrogeno (reacción de formación) y calcule el valor del calor de formación a volumen constante en condiciones estándar, a partir de la siguiente formación:
S + O2
SO2 H= -70,94
SO2 + ½O2
SO3
SO3 + H2O
H= -94,39
H2SO4 H= -199,69 H2
+ ½ O2
H2O H= -57,80
S + 2O2 + H2
H2SO4 H= -422,82 kcal/mol
19) La obtención de carbono puede hacerse a partir de la siguiente reacción: CO (g) + ½O2 (g) CO2 (g)
Calcule el calor que se requiere generar o eliminar del reactor por cada kilogramo de CO 2 (g que se produce considerando la información que se presenta a continuación: Sustancia CO (g)
∆H (kcal/mol) -26.416
O2 (g)
0
CO2 (g)
-94.052
ΔH°reaccion = ∑ ΔH° (productos) − ∑ ΔH° (reactivos)
ΔH°reaccion = [(−94.052) − (0 + −24.416 )] kcal/mol
ΔH°reaccion = −69.636 kcal/mol
Entonces por cada mol de CO 2 que se produce se liberan 69.636 kcal.
Entonces por cada kilogramo de CO 2 se liberaran 1582.6363 kcal.
20) La obtención del metanol es posible a partir de la reacción: CO (g) + 2H2 (g)
CH3OH (g)
El sistema opera a una temperatura de 25 ºC y a una presión de 1 atm. Calcula la cantidad de calor que debe extraerse del reactor si se obtienen 96 ton/día de metanol, con base en los siguientes datos termoquímicos: Sustancia
∆H (kJ/mol)
CO (g)
-110.52
H (g)
0.00
CH3OH(g)
-238.64
ΔH°reaccion = ∑ ΔH° (productos) − ∑ ΔH° (reactivos)
ΔH°reaccion = [(−238.64) − (−110.52 + 0)] kJ/mol
ΔH°reaccion = −128.12 kJ/mol
Por cada mol de CH 3OH se extrae del reactor 128.102 kJ
Por cada día se deben extraer 384 360 MJ
a) Determine el calor de formación del benceno, a volumen constante, a partir de la siguiente información:
2C
+
2O2
(g)
2H2 (g) + O2 (g)
2CO2 (g)
∆Hºf = -188.04 kcal
2H2O (l)
∆Hºf = -136.634 kcal
6CO2 (g) + 3H2O (l) ∆Hºf = -780.98 kcal
C
Solución:
6CO2 (g) + 3H2O
C
6C + 6O2 (g
∆Hºf = 780.98 kcal 6CO2 (g)
3H2 (g) + 3/2 O 2 (g) Sumamos (1) + (2) + (3)
∆Hºf = -564.12 kcal
3H2O (l)
6C + 3H2 (g)
(1) (2)
∆Hºf = -204.951 kcal
C6H6 (l)
(3)
∆Hºf =
11.909 kcal Para producir 1 mol (PM: 72g) de C 6H6 (l) se necesitan 11.909 kcal
b) ¿cuál es la cantidad de calor que debe suministrarse a la reacción para formar 250 lb de C6H6 a condiciones tipo? Para producir 1 mol (PM: 72g) de C 6H6 (l) se necesitan 11.909 kcal 72g
11.909 kcal X X = 18 756.675 kcal
22) Los valores de las siguientes reacciones, a 25ºC son: Na (s) + ½ Cl2 (g) H2 (g) + S (s) + 2O2 (g) 2Na (s) + S (s) + 2O2 (g) ½ H2 (g) + ½ Cl2 (g)
NaCl H2SO4 Na2SO4 (s) HCl (g)
∆Hf = -98.321 kcal ∆Hf = -193.69 kcal ∆Hf = -330.50 kcal ∆Hf = -22.063 kcal
A partir de estos datos, determine el calor de reacción a volumen constante y a 25ºC para el proceso: 2NaCl (s) + H2SO4 (l)
Na2So4 + 2 HCl (g)
Solución: 2NaCl H2SO4
2Na (s) + Cl2 (g) 2Na (s) + S (s) + 2O2 (g)
2Na (s) + S (s) + 2O2 (g) H2 (g) + Cl2 (g)
Na2SO4 (s) 2HCl (g)
∆Hf = 98.321 kcal ∆Hf = -193.69 kcal
(1)
∆Hf = -330.50 kcal
(3)
∆Hf = -44.126 kcal
(2)
(4)
Sumamos (1) + (2) + (3) + (4) 2NaCl (s) + H2SO4 (l)
Na2So4 + 2 HCl (g)
∆Hf = 15.706 kcal
24) A partir de las reacciones que se presentan a continuación, las cuales se llevan a cabo en condiciones estándar, determine el calor estándar del Fe2O3 y del FeO. + 3CO2 (g) FeO (s) + C (s) C (s) + ½ O2 (g) CO (g) + ½ O2 (g)
2Fe2O3 + 3C(s) 4Fe (s) ∆Hf = 117.31 kcal/mol Fe (s) + CO (g) ∆Hf = 37.7 kcal/mol CO (g) ∆Hf = -26.416 kcal/mol CO2 (g) ∆Hf = -94.052 kcal/mol Solución:
4Fe (s) + 3CO2 (g) 2Fe (s) + 2CO (g)
2Fe2O3 + 3C(s) 2FeO (s) + 2C (s)
∆Hf = -117.31 kcal/mol (1) ∆Hf = 2(-37.7) kcal/mol (2)
5CO (g)
∆Hf = 5(-26.416) kcal/mol (3)
CO2 (g)
∆Hf = 3(-94.052) kcal/mol (4)
Sumamos (1) + (2) + (3) + (4) 3 Fe + 2 O2
Fe2O3 + FeO
∆Hf = 303.473 kcal/mol
25) Para la reacción:
Determine el calor de reacción para 5g de amoniaco y la cantidad de calor que se desprende, a partir de los siguientes datos Sustancia
ΔH°f (kcal/mol)
NH3
-19,27
O2
0,0
NO
21,6
H2O
-57,798
Solución:
ΔH°reaccion = ∑ ΔH° (productos) − ∑ ΔH° (reactivos)
ΔH°reaccion = [2(21,6) + 3(−57,798)] − [2(−19,27)] kcal/mol
ΔH°reaccion = −90,794 kcal/mol
Para 5g de amoniaco(P.A=17g/mol): 34g -90,794 kcal 5g X
26) Calcule el calor de formación del eteno a presión y volumen constantes y en condiciones estándar, si se dispone de la siguiente información Reacción C2H4(g) + 3O2(g)
ΔH°f (kcal/mol)
-337,3
→ 2CO2(g) + 2H2O(l) H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l) C(s) + O2(g) → CO2(g)
-68,32 -94,052
Solución:
2CO2(g) + 2H2O(l) → C2H4(g) + 3O2(g)
ΔH°f = 337,3
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
ΔH°f = 2(-68,32)
+
2C(s) + 2O2(g) → 2CO2(g)
ΔH°f = 2 (-94,052)
2H2(g) + 2C(s) → C2H4(g) ΔH°f = 337,3 + 2(−68,32) + 2(−94,052) = 12,56 kcal
27) Determine el calor estándar para la siguiente reacción de descomposición en kilojoules: 2CH4 ↔ CH3CH + H2 Sustancia CH4 CH3CH3 H2
ΔHf (kJ/mol)
-890,35 -1 559,88 0,0
Solución: ΔH°reaccion = ∑ ΔH° (productos) − ∑ ΔH° (reactivos)
ΔH°reaccion = 220,82 kJ/mol
28) Determine ΔH y ΔE en condiciones estándar, para la siguiente reacción:
Reacción
ΔH°f (kcal/mol)
-178,4 -17,88 94,052 68,32
C(s) + 2H2(g) → CH4(g) CO2(g) → C(s) + O2(g)
Solución: 1
3
5
CO2(g) + 2 H2 O(l) + 2 Cl2(g) → CHCl3(l) + 4 O2(g)
ΔH°f =
178,4 2
CH4(g) → C(s) + 2H2(g)
ΔH°f =
C(s) + O2(g) → CO2(g)
ΔH°f = -
1 2
1
1
ΔH°f =
H2(g) + 4 O2(g) → 2 H2 O(l)
ΔH° = ΔE° + ΔngRT → −21,7455 kcal = ΔE° + (−0,592126 kcal) = −21,153 kcal
17,88
29) La cal se obtiene a partir de la calcinación de la piedra caliza, según la siguiente reacción
Sustancia CaCO3(s) CaO(s) CO2(g)
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) ΔH°f (kcal/mol) -1 206,87 -535,09 -393,41
Con los datos anteriores, determine la cantidad de calor requerido para obtener 100 ton/día de CaO en condiciones estándar.
30) Determine el calor estándar de formación del acetileno a volumen constante, a partir de la siguiente información ΔH°f = -310,7 kcal
C(s) + O2(g) → CO2(g)
ΔH°f = -94,062 kcal
H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l)
ΔH°f = -68,32 kcal Solución:
5
2CO2(g) + H2 0(l) → C2 H2(g) + 2 O2(g) 2C(s) + 2O2(g) → 2CO2(g) H2(g) + 1/2O2(g) → H2 O(l)
ΔH°f = 310,7 kcal ΔH°f =2( -94,062) ΔH°f = -68,32
2C(s) + H2(g) → C2H2(g)
kcal kcal
ΔH°reaccion = 310,7 − 2(94,052) − 68,32 ΔH°reaccion = 54,276 kcal
Cap. 9
BALANCE DE MATERIA EN LOS PROCESOS UNITARIOS
1. Si se desea obtener 2500 kg de anilina, con una eficiencia de 92%. ¿Qué cantidad de materias primas deben participar en la reacción? 1C6H5Cl + 2NH3 1mol
2 mol
1*112gr 112gr
2*17*0.26gr 8.84gr
X kg
Y kg
8.84
93
Y
2500*(100/92)
1C6H5 NH2 + 1NH4Cl 1 mol
1 mol
1*93gr
1*53gr
93gr
53gr
2500kg*(100/92)
Y = 258.298kg de Amoniaco 112
93
X
2500*(100/92)
X = 3272.557kg de Cloro benceno
% Eficiencia = P obtenido = 2500*100/92 X = 2717.39kg
2. ¿Qué cantidad de amoniaco liquido fue necesario alimentar (densidad = 0,904g/cm3)? Dar el resultado en litros. 0.904kg
1L
258.298kg
X L
X = 285.728 litros de NH 3
3. La cantida de alcohol etilico, en kilogramos, que se produce considerando el rendimiento de las dos reacciones, si se procesan 95 toneladas de caña. Primera Reacción 1C12H22O11 + 1H2O 342gr
18gr
11457kg
2C6H12O6 360 gr
1 Tonelada
200 L
9T
XL
12060 kg
X = 19000 L 1.34kg X kg
1
L
19000
L
X = 25460kg 25460 kg * 0.45 = 11457 kg
342gr
360
11457kg
X
gr
kg
X = 12060 kg Glucosa
Segunda Rx 2C6H12O6
4C2H5OH + 4CO2
360gr
184gr + 176gr
12060kg
X kg
360gr
184gr
12060kg
X kg
+ Y kg
X = 6164kg de Alcohol
6. ¿Cuánto de dióxido de carbono se genera, en kilogramos? 360 gr 12060 kg
176 gr
Y kg
Y = 5896kg de Dióxido de Carbono
8. Si la tonelada de caña de azúcar le cuesta $52, ¿Cuánto ganara la empresa al obtener el alcohol etílico, si cada litro lo vende a $15? Densidad de alcohol=0.789g/cm3 0.789 kg
1L
6164 kg
XL
X = 7812.42 L Costo = 52*95 = 4940 dólares Ingreso = 15*7812.42 L = 117186.3 dólares Ganancia = 117186.3 – 4940 = 112246.3 dólares
9.
Efectúe los balances parciales y el balance total. De la siguiente redacción conteste lo que se le pide: El suero oral utilizado para casos de deshidratación se vende en sobres de 27,9 g. Su composición porcentual es la siguiente: COMPONENTES
% PESO
GLUCOSA
71,68
CLORURO DE SODIO
12,,55
CITRATO TRISODICO
10,39
CLORURO DE POTASIO
5,38
Para fabricar la glucosa se lleva a cabo la siguiente reacción: 1C12H2O11 + 1H2O 2C6H2O6 Maltosa
agua
322g
18g
500kg
-
glucosa 340g -
322g
340 g
500 kg
X kg
X= 527.950 Kg
10.Si se dispone de 500 kg de maltosa, ¿ Qué cantidad de sobres se puede producer si el rendimieno de la reacción es de 92%? 527.950kg x 0.92(rendimiento) = 485.714kg Cada sobre = 27.9g x 71.68%=20 g Se
puede hacer
11.¿Que cantidad de cada componente sera necesario agregar para generar la mezcla total? Cloruro de sodio= 27.9 x 0.1255 = 3.506g Citrato trisodico = 27.9 x 0.104 = 2.899g Cloruro de potasio = 27.9 x 0.0538 = 1.501g
12.Realice el balance de la reacción correspondiente. De la siguiente redacción conteste lo que se le pide: Una fábrica que produce artículos decorativos de latón tiene una demanda de 8 000 recipientes por semana. Cada recipiente pesa 15 kg; el latón es una aleación que contiene 60% de cobre y el resto es zinc. El cobre utilizado para la aleación se obtiene mediante dos reacciones químicas.
i) 2CuFeS2(s)
+
calcopirita
4O2(g) →
oxígeno
ii) Cu2S(s)
+
sulfato de cobre
+
sulfuro de cobre
Cu2S(s)
O2(g)
→
oxígeno
2FeO(s)
óxido de fierro
2Cu(s) cobre
+
+
3SO2(g)
dióxido de azufre
SO2(g)
dióxido de azufre
13. ¿ Que cantidad de mineral de calcopirita se require para la produccion de los 8000 recipientes, considerando que tiene pureza de 75% en peso? Cu2S + O2 159g Ag
2Cu
127g
72 000 kg
A = 90141.732kg 8000recipientes x 120 000 kg x 0.6 (cobre) = 72 000 kg 1º Reacción 2CuFeS2 + 4O2 Cu2S + 2FeO + 3SO 2 Calcopirita 275.25g
159g
+
SO2
X kg
a= 90141.732 kg
x = 156047 kg de calcopirita
15. ¿Qué cantidad de aire se requiere para ambas reacciones, considerando que el aire tiene una composición de 23% en peso de O2 y 77% en peso de N2? Considere que el oxigeno necesario para las reacciones se toma del aire que se inyecta al reactor. 1º Reacción 4O2
Cu2S
128g
159g
X kg
90141
kg
X = 72566.93 kg de O 2 Entonces 72566.93kg O 2
X kg
100%
O2
23%
2º Reaccion O2
2Cu
32g
127g
Y kg
72
000kg
Ykg = 18141.732 kg de O 2 Entonces 18141.732 Y kg
23%
100%
Y= 78 877.096 kg de aire Para neutralizar el hidróxido de sodio (NaOH) presente en cierta solución se utilizaron 25 Kg de una solución de ácido clorhídrico (HCl) al 15.75% en peso. De acuerdo con la siguiente reacción (eficiencia de la reacción al 93%) determine: NaOH
+
HCl
NaCl
+
H 2O
15.75% en peso de HCl en la solución de masa 25 Kg = 3937.5g
NaOH
+
HCl
40g X
NaCl
36.5g
58.5g
3937.5g
Y
+
H 2O 18g Z
X = 4315.07 g Y = 6310.79 g Z = 1941.78 g
Como la reacción se genera con una eficiencia del 93% tendremos lo siguiente:
16.) ¿Qué cantidad de masa de NaOH se neutralizo? Se neutralizo 93% de 4315.07 g = 4013.015g
17.) ¿Qué cantidad de NaCl y H2O se formó? Se formó 5869.0347g de NaCl y 1805.855g de H 2O.
18.) ¿Realice el balance de masa? NaOH 40g 4315.07g
+
HCl
NaCl
+
H2O
36.5g
58.5g
18g
3937.5g
6310.79g
1941.78g
26. El principio activo de la aspirina se fabrica con base a la siguiente reacción: 2C7H6O3 + C4H6O3
2C9H8O4 +H20
a.) Si se emplea 1 Kg de ácido salicílico C 7H6O3 y se obtiene 1,10 Kg de aspirina C9H8O4 determine el rendimiento de la reacción. b.) Si un laboratorio farmacéutico fabrica 1000 tabletas/hora con 0,5g de aspirina, determine la cantidad de materia prima que son necesarias en una semana de 5 días, con un turno de 8h, considerando la eficiencia de la reacción calculada en el inciso a. c.) Realice el balance de masa correspondiente.
a.)
2C7H6O3 + C4H6O3
2C9H8O4 +H20
276g
360g
1000g
x
Valor teórico X= 1304.35g Valor real = 1100g Rendimiento = b.)
100% = 84.33%
En una semana se fabrican 40 000 tabletas por lo cual se necesitan 20 000g de aspirina C9H8O4 pero como la reacción no se realiza al 100% entonces el valor teórico es igual a 23 716.35g
2C7H6O3 + C4H6O3 276g
102g
y
z
2C9H8O4 + H20 360g
18g
23 716.35g
y= 18 182.535g z= 6 719.6325g para producir las 40 000 tabletas se necesitan 18 182.535g de C 7H6O3 y 6719.6325g de C 4H6O3. c.)
Balance de masa.
2C7H6O3
+
276g 18 182.535g
C4H6O3 102g 6 719.6325g
2C9H8O4 + 360g 23 716.35g
H20
18g 1185.8175g
27. El abono KAR.H-60 se fabrica mediante la siguiente formulación:
Fosfato potásico 62Kg Urea 30Kg Sulfato férrico 1Kg Sulfato de cobre 0.25Kg 104.05Kg
Cloruro férrico 0.8Kg
de abono
Sal sódica 1Kg Ácido cítrico 1Kg Agente mojante 1Kg Hemametilen tetramina 7Kg
Si se tiene una demanda de 100 toneladas de abono determine: En la fabricación de 104.05Kg de abono se utiliza 62 Kg de fosfato potásico, entonces en la fabricación de 100 tonelada se utilizarán 59 586 737g El fosfato se obtiene mediante la siguiente reacción química: 2H3PO4 3CO2
+ +
3K 2CO3
2K 3PO4
+
3H2O
196g 54g
414g
x
424g y
64 768 192.39g
132g z
w
X= 29 940 013.46g Y= 63 240 640.68g Z= 20 163 682.54g W= 8 248 779.129g
a.) La cantidad de materia prima necesaria para obtener el fosfato potásico requerido para las 100 toneladas de abono son:
Como el ácido fosfórico posee una pureza del 50% entonces se necesitará de
•
59 880 026.92g (H 3PO4) Se necesitará 63 240 640.68g de carbonato de potasio K 2CO3
•
b.) Si todo el dióxido de carbono formado se desprende a la atmosfera ¿qué cantidad se libera? Como el rendimiento del sistema es del 92% entonces se libera 18 550 587.94g c.) Al eliminarse todo el dióxido de carbono de los productos de reacción ¿cuál será la composición de la mezcla final? En la mezcla final existe un 88.7% de K 3PO4 Existe un 11.3% de H 2O d.) Finalmente, al fosfato potásico se le quita toda el agua agregando carboximetilcelulosa, ¿Cuánto se requiere de absorbente si por cada kilogramo de la mezcla se usa 0?0128Kg del compuesto? Para eliminar toda el agua del compuesto se necesita de 727.7Kg de carboximetilcelulosa.
29. Determine cuál es el proceso más económico para la obtención de 1500 libras de anilina C6H5 NH2 si se cuenta con los siguientes procesos alternativos. 1500 lb
681 kg REACCIONES
4C6H5 NO2
+
9Fe
+
4H 2O
4C6H5 NH2
+
3Fe3O4
90%
C6H5Cl
+
2NH3
C6H5 NH2
85% MATERIA PRIMA
COSTO
+
NH4Cl
C6H5 NH2 con pureza de 74% en peso Fe con pureza de 98% en peso C6H5Cl con pureza de 78% en peso NH3 con pureza de 85% en peso
$ 2500/Kg $ 1500/Kg $ 4000/Kg $ 250/ Kg
EL LA PRIMERA REACCION 4C6H5 NO2 3Fe3O4
+
0.492Kg 0.696Kg
9Fe
+
0.504Kg
x
4H2O
4C6H5 NH2
0.072Kg
y
+
0.372Kg z
756.7Kg
w X= 1000.797 Kg Y= 1025.206 Kg Z=
146.458 Kg
W= 1415.76 Kg
•
•
•
La primera reacción se genera entre C 6H5 NH2 con pureza de 74% en peso y Fe con pureza de 98% en peso. Reaccionan 1352.43Kg de C 6H5 NO2 1046.13Kg de Fe COSTOS EN LA PRIMERA REACCION 1Kg de C 6H5 NO2 1352.43Kg de C 6H5 NO2
$ 2500 C1
C1 = $ 3 381 075 1Kg de Fe 1025.206Kg C2 = $ 1 537 809
$ 1500 C2
29. Determine cuál es el proceso más económico para la obtención de 1500 libras de anilina Para elaborar 681 Kg de anilina con el primer proceso me genera un costo total de $ 4 918 884
EN LA SEGUNDA REACCION C6H5Cl
+
2NH3
NH4Cl 0.1125Kg 0.0535Kg
C6H5 NH2
0.034Kg
x
+
0.093Kg
y
801.18Kg
z X= 969.17Kg Y= 292.90Kg Z= 460.89Kg •
La segunda reacción se genera entre C6H5Cl con pureza de 78% en peso y NH3 con pureza de 85% en peso. REACCIONAN
•
•
1242.526 Kg de C6H5Cl 344.588 Kg de NH3
COSTOS EN LA SEGUNDA REACCION 1Kg de C6H5Cl
$ 4000
1242.526 Kg de C6H5Cl
C1
C1 = $ 4 970 104
1Kg de NH3
$ 250
344.588 Kg de NH3
C2
C2 = $ 86 147 Para elaborar 681 Kg de anilina con el segundo proceso me genera un costo total de 5 056 251
CONCLUCION
$
De ambos procesos se concluye que para obtener 681 Kg de anilina a un costo menor se debe de recurrir a la primera reacción con un costo total de $ 4 918 884.
Cap. 10
SOLUCIONES
8. Se desean obtener 500 L de ácido acético (3) con una concentración 3 M, para lo cual se dispone de dos soluciones: una de concentración al 30% peso y densidad de 1,24 g/mL y la otra al 10% peso y densidad de 0,98 kg/L. Determine:
3 30% peso
= 1,24 1
1º Solución
3 10% peso
3M
= 0,98
2
3 = 1
= 500
2º Solución
a) Los kilogramos de cada una de las dos soluciones de referencia, para obtener la solución con la concentración deseada. 1 + 2 = 500 1 = 500 − 2 11 + 22 = 33
1º Solución:
2º Solución:
b) La Normalidad 3 → = # = 1 = ∗ → = 3 ∗ 1 = 3 − ⁄
1. Se requiere preparar 900 L de una solución de HCl de concentración 0,8 N, para ello se dispone de HCl de una pureza al 36% peso, con una densidad de 1,19 g/mL y toda el agua necesaria. Determine:
36% peso
= 1,19 1
2 W=??
= 1 0,8 N= 0,8 M V total =900 L
Las cantidades necesarias de ácido y agua para preparar la solución deseada.
a) Si en un día de uso la solución pierde por evaporación 18% peso del disolvente, ¿Qué normalidad tendrá la solución? Pierde 18%-queda 82% 2 = (0,82) (838,656) =687,69792
10. A 4,450 g de 24 de 100% de pureza se agregan a 8,82 g de 2 y se encuentra que la densidad de la mezcla es de 1,029 g/mL. Determine: 2
24 W=4,450 g 100% peso
= 1,029 g/mL W=8,82 g
a) El % peso de la solución
b) La fracción mol
c) Molalidad
24
d) Molaridad
e) Normalidad 24 → = #+ = 2 = ∗ → = 0,536 ∗ 2 = 1,072 − ⁄
11.En un tanque se tienen 200 3 de ácido fosfórico (34) al 38% peso y densidad 1,05 g/mL. A esta solución se le agregan 30 3 de agua y se desea saber: 3 38% peso
= 1,05 1 = 200
2
34
= 30 3
̅ ̅ ̅ = 98 / 3
a) La concentración normal y molar inicial
34 → = #+ = 3
= ∗ → = 4,07 ∗ 3 = 12,21 − ⁄
b) La concentración normal y molar final
c) La cantidad de ácido al 80% peso que se requiere para preparar la solución inicial. 1 ∗ 1 = 3 ∗ 3
0,80() ∗ 200000 = 4,07 ∗ 200000 → = 5,0875
12. En cierto proceso industrial se utilizan 6,3 3 de solución de HCl al 20% peso, cuya densidad es de 1,40 g/mL. Para la preparación únicamente se dispone de 1500 L de solución 20 N. Determine la cantidad de agua que se requiere agregar y, en caso necesario, del ácido que se necesita para cubrir la necesidad de la industria. 20 N V=1500 L
La cantidad de ácido que se necesita:
2
20% peso
= 1,40
= 6,3 3
La cantidad de agua que se requiere agregar: () + (2) =
1500 + 916,44 + (2) = 6300 (2) = 3883,56
13. Si se preparan 0,3 3 de 24, 2,16 m (molal) y se sabe que la densidad es de 1,303 g/mL para esta solución. Determine: a)
24 V=0,3 3 2,16 m
= 1,303
Molaridad
Normalidad = ∗ → = 13,30 ∗ 2 = 26,60 − ⁄
%Peso
b)
24 5
24 13,30 M 1 = 300
24 3 = 500
M
2 = 200
15. Se desean preparar 8000 L de solución de2 N de ácido nítrico (HNO3) a partir de ácido concentrado al 74% peso y densidad de 1,43 g/ml a 20oC. Determine: a) la cantidad de ácido concentrado y agua necesaria; b) La densidad de la solución diluida. c) Molaridad y molalidad de la solución final.
Solución:
S1
S3
16. se cuenta con dos tanques de soluciones en el almacén de una industria química y se requiere reformar una solución 3 M de HCl, en una cantidad de 2 500 dm3. El primer tanque contiene 3 ft3 de una solución de HCl 10,5 N y el segundo tanque contiene 5000 L de solución 1,2 M. determine: a) La
cantidad de cada solución que debe agregarse a un tercer tanque para formar la solución deseada. b) La cantidad máxima de solución de 3M que se puede preparar con el contenido de los dos tanques disponibles. Solución:
HCl
HCl
3 M, 2 500 L
17. Determine la M, N, m, % peso y % mol de una solución formada por 450 kg de ácido acético (CH 3COOH) Y 4 000 L de agua. Solución:
Se mezclaron accidentalmente dos tanques con soluciones de HNO3, el primero contenía 67 L de solución al 1,8 m (molal) y el segundo 90 dm3 de solución al 6,7 M. determine la concentración final de la solución.
18.
HNO3
HNO3
67 L, 1,8 m
90 L, 6,7 M
HNO3
156 L
Primer tanque: V= 67 L, 1,8 molal
Se desea preparar 800 L de solución de 0,5 de ácido sulfúrico (H2SO4). A partir del ácido concentrado al 100% peso y toda el agua necesaria, determine la cantidad de agua y acido que es necesario mezclar para formar la solución deseada. 19.
Solución: H2SO4
H2SO4
800 L, 0,05N = × → = 2 → = 0,025
21. Determine la cantidad de agua que se debe agregar a una solución de vinagre (CH3COOH) si se desea que cambie su concentración de 15% y densidad de 1,03 g/ml a una solución al 0,02 M.
CH3COOH
= 1,03/, 15% peso
CH3COOH
0,2 M
22. como resultado de la obtención de la aspirina se generan agua madres que contienen ácido sulfúrico (H2SO4) en solución al 2,5 N. determine la cantidad de solución de NaOH 1, 5 M que se debe emplear para neutralizar 750 ml de agua madre.
NaOH
1,5 M
H2SO4
2,5 N, 750 ml
= × → = 2 → = 1,25 1 = 3→ 1 (1,5 ) = (1,25)(0,75 ) → 1 = 0,625
23. Se requiere preparar 600 L de solución NaOH 1,5 M para neutralizar aguas madres que contienen ácido sulfúrico H2SO4 se cuenta con 2,4 kg de NaOH al 97% de pureza y toda el agua necesaria. Determine: a) La cantidad de NaOH y agua necesaria para formar la solución deseada
b) Son necesario los kg de NaCl que se tiene en el almacén No, ya que se necesita 24,74 kg de NaCl al 97% de pureza
25. En una planta industrial se requieren 450 L de salmuera (solución NaCl al 5% en peso y densidad 1,5 kg/L), y no se cuenta con sal. Determine la cantidad de NaCl que debe comprarse para cumplir con lo requerido.
26. Para la electrolisis del cobre se requiere de una solución 3 M de sulfato de cobre CuSO4 tiene una pureza de 56% en peso ¿qué cantidad de él se requiere agregar a 400 L de agua para formar la solución deseada?
27. En un tanque se tienen 50 dm3 de ácido fosfórico H3PO4 al 38% peso y densidad 1,05 g/mL a esta solución se le agrega 3 m3 de agua de agua y se desea saber: a) Concentración molar y normal inicial
5 3 = 5(1 000 ) = 5 000
b) Concentración molar y normal final = 5 000 + 3 000 = 8 000
28. Se dispone de 3 tanques con H2SO4 el primero contiene 3 500 L de solución de H2SO4 al 25% peso y densidad 1,2 g/mL, el segundo contiene 630 L de solución 4,2 M de H2SO4 y por último el tercero contiene 80 L de solución 14 N de H2SO4 a) Si se mezclan los contenidos de los tres tanques, ¿qué molaridad y que normalidad tendría la solución resultante?
14 = (2) → 7
b) Si se desea preparar una solución 4,8 M agregando todo el contenido del segundo tanque y las cantidades necesarias del primero y el tercero determine el máximo volumen
Se requiere preparar 490 L de una solución de HCl de concentración 1,3 N, para ello se dispone de HCl al 36% peso con una densidad de 1,19 g/ml y toda el agua necesaria.
29.
Determine: a) Las cantidades necesarias de ácido y agua para preparar la solución
Se necesita 213,516 kg de HCl y 325,584 kg de H 2O
30. 580 g de NaOH al 98% de pureza se agregan 450 g de H2O y se encuentra que la densidad de la mezcla es 1,007 g/mL. Determine: a) Porcentaje en peso de la solución + 2 =
b) Fracción molar
