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martes, 2 de marzo de 2010

Examen 5 Balance de materia y energia

BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA

Examen No.5 28 de Mayo del 2009

Nombre del Alumno (a) :___________________________________Cal.___________

1. Determine el volumen molar del oxígeno a -50 °C y 10.5 atmósferas mediante la ecuación de Soave-Redlich-Kwong. Por favor muestre todos sus cálculos. Si usted emplea una grafica para determinar la raíz de la ecuación, grafique al menos tres puntos.

2. Una corriente de oxigeno a -65°C y 8.3 atm fluye a razon de 250 kg/h. Emplee la ecuación de estado SRK para estimar la velocidad de flujo volumetrico de esta corriente.

3. Se hidrogena propileno en un reactor intermitente:

C₃H₆(g) + H₂(g) à C₃H₈ (g)

Se alimentan cantidades equimolares de propileno e hidrogeno al reactor a 25°C y una presion total absoluta de 32.0 atm. Se eleva la temperatura del reactor a 235°C y se mantiene constante hasta que se haya completado la reaccion. La conversión de propileno al principio del periodo isotermico es 53.2 %. Puede suponer comportamiento de gas ideal para este problema, aunque a las altas presiones a que se trabaja esta suposición constituye, en el mejor de los casos, una aproximación muy burda.

(a) ¿Cuál es la presion final del reactor?

(b) ¿Cuál es la fraccion de conversión del propileno cuando P=35.1 atm?

(c) Construya una grafica de presion contra fraccion de conversión del propileno que comprenda el perido de operación isotermico. Utilice la grafica para confirmar los resultados de los incisos (a) y (b).

4. El analisis de un aceite combustible Num. 4 es 86.47% por peso de carbono, 11.65% de hidrogeno, 1.35% de azufre y el resto productos inertes no combustibles. El aceite se quema en un horno para generar vapor con 15% de aire en exceso. El aire se precalienta a 175°C y entra a el horno a una presion manometrica de 180 mmHg. El azufre y el hidrogeno del combustible se oxida en su totalidad a SO₂ y H₂O, 5% del carbono se oxida a CO y el balance forma CO₂

(a) Calcule la velocidad de alimentación (m³ aire)/(kg aceite)

(b) Calcule las fracciones molares (en base seca) y las ppm (partes por millon en base humeda o moles contenidos en 10⁶ molesde gas de combustión humedo) de las especies de gas de combustión que podrian considerarse riesgos ambientales.

SOLUCION

SOLUCION PROBLEMA 5.38

POLYMATH Results

Example 2 - Gas volume from SRK equation of state 06-02-2009, Rev5.1.225

NLE Solution

Variable Value f(x) Ini Guess

V 1.7058415 7.42E-08 0.07

Pc 49.7

R 0.08206

T 223.15

omega 0.021

Tc 154.4

a 1.380724

b 0.0220872

m 0.5175971

alpha 0.801642

P 10.5

NLE Report (safenewt)

Nonlinear equations

[1] f(V) = R*T/(V-b)-alpha*a/(V*(V+b))-P = 0

Explicit equations

[1] Pc = 49.7

[2] R = 0.08206

[3] T = 223.15

[4] omega = 0.021

[5] Tc = 154.4

[6] a = 0.42747*R^2*Tc^2/Pc

[7] b = 0.08664*R*Tc/Pc

[8] m = 0.48508+1.55171*omega-0.1561*omega^2

[9] alpha = (1+m*(1-sqrt(T/Tc)))^2

[10] P = 10.5

Comments

[1] f(V) = R*T/(V-b)-alpha*a/(V*(V+b))-P

Gas volume from SRK equation of state (V in L/g-mol)

[2] a = 0.42747*R^2*Tc^2/Pc

SRK constant a

[3] b = 0.08664*R*Tc/Pc

SRK constant b

[4] alpha = (1+m*(1-sqrt(T/Tc)))^2

SRK constant alpha

[5] m = 0.48508+1.55171*omega-0.1561*omega^2

SRK constant m

[6] Tc = 154.4

Critical temperature (K)

[7] Pc = 49.7

Critical pressure (atm)

[8] R = 0.08206

Gas constant (L-atm/gmol-K)

[9] omega = 0.021

Acentric factor

[10] T = 223.15

Temperature (K)

[11] P = 10.5

Pressure (atm)

Settings

Max iterations = 150

Tolerance F = 0.0000001

Tolerance X = 0.0000001

Tolerance min = 0.0000001

General

Search range: 1.8 > V > 1.6

number of implicit equations: 1

number of explicit equations: 10

Data file: F:\BALANCE2009\ExaMen5.pol

PROB. 5.6 A

POLYMATH Results

Example 2 - Gas volume from SRK equation of state 05-27-2009, Rev5.1.225

NLE Solution

Variable Value f(x) Ini Guess

V 2.0120566 1.269E-08 0.07

Pc 49.7

R 0.08206

T 208.15

omega 0.021

Tc 154.4

a 1.380724

b 0.0220872

m 0.5175971

alpha 0.8401961

P 8.3

NLE Report (safenewt)

Nonlinear equations

[1] f(V) = R*T/(V-b)-alpha*a/(V*(V+b))-P = 0

Explicit equations

[1] Pc = 49.7

[2] R = 0.08206

[3] T = 208.15

[4] omega = 0.021

[5] Tc = 154.4

[6] a = 0.42747*R^2*Tc^2/Pc

[7] b = 0.08664*R*Tc/Pc

[8] m = 0.48508+1.55171*omega-0.1561*omega^2

[9] alpha = (1+m*(1-sqrt(T/Tc)))^2

[10] P = 8.3

Comments

[1] f(V) = R*T/(V-b)-alpha*a/(V*(V+b))-P

Gas volume from SRK equation of state (V in L/g-mol)

[2] a = 0.42747*R^2*Tc^2/Pc

SRK constant a

[3] b = 0.08664*R*Tc/Pc

SRK constant b

[4] alpha = (1+m*(1-sqrt(T/Tc)))^2

SRK constant alpha

[5] m = 0.48508+1.55171*omega-0.1561*omega^2

SRK constant m

[6] Tc = 154.4

Critical temperature (K)

[7] Pc = 49.7

Critical pressure (atm)

[8] R = 0.08206

Gas constant (L-atm/gmol-K)

[9] omega = 0.021

Acentric factor

[10] T = 208.15

Temperature (K)

[11] P = 8.3

Pressure (atm)

Settings

Max iterations = 150

Tolerance F = 0.0000001

Tolerance X = 0.0000001

Tolerance min = 0.0000001

General

Search range: 2.2 > V > 1.8

number of implicit equations: 1

number of explicit equations: 10

PROBLEMA 5.6 B

POLYMATH Results

Example 2 - Gas volume from SRK equation of state 05-27-2009, Rev5.1.225

NLE Solution

Variable Value f(x) Ini Guess

V 2.0120566 1.269E-08 0.07

Pc 49.7

R 0.08206

T 208.15

omega 0.021

Tc 154.4

a 1.380724

b 0.0220872

m 0.5175971

alpha 0.8401961

P 8.3

NLE Report (safenewt)

Nonlinear equations

[1] f(V) = R*T/(V-b)-alpha*a/(V*(V+b))-P = 0

Explicit equations

[1] Pc = 49.7

[2] R = 0.08206

[3] T = 208.15

[4] omega = 0.021

[5] Tc = 154.4

[6] a = 0.42747*R^2*Tc^2/Pc

[7] b = 0.08664*R*Tc/Pc

[8] m = 0.48508+1.55171*omega-0.1561*omega^2

[9] alpha = (1+m*(1-sqrt(T/Tc)))^2

[10] P = 8.3

Comments

[1] f(V) = R*T/(V-b)-alpha*a/(V*(V+b))-P

Gas volume from SRK equation of state (V in L/g-mol)

[2] a = 0.42747*R^2*Tc^2/Pc

SRK constant a

[3] b = 0.08664*R*Tc/Pc

SRK constant b

[4] alpha = (1+m*(1-sqrt(T/Tc)))^2

SRK constant alpha

[5] m = 0.48508+1.55171*omega-0.1561*omega^2

SRK constant m

[6] Tc = 154.4

Critical temperature (K)

[7] Pc = 49.7

Critical pressure (atm)

[8] R = 0.08206

Gas constant (L-atm/gmol-K)

[9] omega = 0.021

Acentric factor

[10] T = 208.15

Temperature (K)

[11] P = 8.3

Pressure (atm)

Settings

Max iterations = 150

Tolerance F = 0.0000001

Tolerance X = 0.0000001

Tolerance min = 0.0000001

General

Search range: 2.2 > V > 1.8

number of implicit equations: 1

number of explicit equations: 10

Examen 4 Balance de materia y energia

Balances de Materia y Energía Examen 4 Abril 2, 2009

Nombre _________________________________ Calificación________________

1. (50 puntos)

2. (50 puntos)

Examen 3 Balance de materia y energia

Balances de Materia y Energía Examen 3 Marzo 12, 2009

Nombre _________________________________ Calificación________________

a. (40 puntos) La bacteria Acetobacter aceti convierte el etanol en ácido acético en condiciones aeróbicas ( en presencia de oxígeno). Se propone un proceso de fermentación en continuo para la producción de vinagre utilizando células de Acetobacter aceti inmovilizadas sobre la superficie de portadores de gelatina. Para ello, se bombea aire al fermentador a una velocidad de 200 mol/ hr y se alimentan 80 moles/hr de una mezcla de etanol y agua que contiene 22 % (molar) de alcohol.

Cuanto ácido acético se produce si se consume todo el etanol?

Cuál es la composición molar del gas de salida del fermentador?

Para contestar estas preguntas se recomienda.

a. Verificar si la reacción química se encuentra balanceada. De ser necesario corríjala.

C₂H₅OH + (3/2) O₂ ---------------- > CH₃COOH + H₂O

b. En el dibujo que se anexa identifique las variables conocidas y desconocidas.

c. Determinar el flujo de cada una de las especies químicas presentes en las corrientes de salida del fermentador. Preferentemente, utilice una tabla estequiométrica.

d. Calcular la composición molar de las corrientes de salida.

2. (60 puntos) Resolver el inciso (c) del problema 4.70 de su libro de texto y que dice lo siguiente:

Se quema n-pentano con exceso de aire en una cámara de combustión continua en donde el análisis de los gases de salida indican que hay un 0.271 % mol de pentano, 5.258 % de oxigeno, 9.06 % de CO₂, 10.87 % de agua y el balance de nitrógeno. Calcule el porcentaje de aire en exceso que se alimenta al reactor y la conversión fraccionaria del pentano.

Para contestar estas preguntas se recomienda

a. Escribir la reacción balanceada.

b. Dibujar un diagrama de flujo perfectamente etiquetado en donde se identifiquen las variables conocidas y desconocidas en las corrientes de entrada y salida.

c. Tomando como base de calculo 100 moles de la corriente de salida calcule la alimentación de pentano y aire al sistema apoyándose en una tabla estequiométrica.

d. Ahora, calcule la el % de exceso de aire y la conversión fraccionaria de pentano.

Examen 2 Balance de materia y energia

EXAMEN 2

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA 25- Febrero-2009

ALUMNO:___________________________________ CAL:____________

( 40 puntos ) Actualmente, las baterías de los automóviles funcionan con una solución de ácido sulfúrico al 18.6% en peso. Esta solución se prepara mezclando una corriente de ácido diluido al 12.4 % de H₂SO₄ (el resto es agua pura) con ácido sulfúrico concentrado al 77.7%. Si se alimentan 200 kg/hr de solución concentrada al sistema de mezclado, cuantos kilogramos de solución diluida se requieren y que cantidad de ácido para las baterías se produce?

El problema se resuelve fácilmente si contesta las siguiente preguntas en orden

a) Dibuje un diagrama detallado del proceso y etiquételo correctamente.

b) Cuantas variables conocidas tiene? Cuales son?

c) Cuantas variables desconocidas tiene? Cuales son?

d) Cuantos componentes identifica en el proceso.

e) Indique claramente el numero de ecuaciones balance de materia que Usted puede plantear

f) Ahora escriba correctamente las ecuaciones de balance de materia y obtenga la respuesta al problema.

( 60 puntos ) A continuación se presenta un diagrama de un proceso de destilación de benceno-tolueno con una descripción simplificada de lo que ocurre en el mismo.

El vapor que sale por la parte superior de la columna, que contiene 97 % mol de benceno, se condensa por completo y se divide en dos corrientes iguales: una de ellas se recircula a la torre de destilación, la otra es el producto ligero. Esta corriente contiene el 89.2 % del benceno alimentado a la columna.

El liquido que sale por la parte inferior de la columna se alimenta a un calentador parcial en donde se vaporiza el 45 % del mismo . El vapor generado en el calentador se recircula a la torre de destilación tal como lo indica el diagrama. El liquido sale del sistema y esta etiquetado como producto pesado . El liquido y el vapor que salen del calentador están en equilibrio físico. Por lo que las fracciones de esas corrientes se relacionan mediante la ecuación.

Con esta información se le pide contestar las siguientes preguntas:

a) Etiquete completamente el diagrama del proceso y defina los cuatro subsistemas

b) Haga el análisis de grados de libertad para cada uno de los subsistemas e identifique con cual podría iniciar en forma adecuada la solución a los balances de materia que describen el proceso.

c) Escriba en orden las ecuaciones que resolvería para calcular todas las variables desconocidas del diagrama de flujo. De ser posible, encierre en un circulo la variable que despejaría en cada ecuación.

d) Si aún tiene tiempo, calcule el flujo molar de los productos ligero y pesado, la fracción molar de benceno en el liquido y en el vapor que salen del condensador

Examen 1 Balance de materia y energia

Balance de Materia y Energía Examen 1 03 de Febrero de 2009

Nombre : _________________________________________

1. (20 puntos) Un liquido tiene un peso especifico relativo de 0.90 a 25 °C

a) ¿Cuál es su densidad a 25° C en kg/m³?

b) Si el liquido se coloca en una botella de 1.5 litros que tiene una masa de 232 g ¿cuánto pesara la botella llena?

2. (20 puntos) Tiene 25 lb. de un gas con la siguiente composición en fracción molar : CH₄ 0.72, C₂H₄ 0.15 y C₂H₆ 0.10

a) ¿Cuál es el peso molecular promedio de la mezcla?

b) ¿Cual es la fracción en peso (masa) de cada uno de los componentes de la mezcla?

3. (6 puntos) La concentración de un cultivo bacteriano C [mol/L] varía con el tiempo [seg.] según la ecuación C-(a+bt)^2

a) ¿Cuáles son las unidades de las constantes a y b?

4. (54 puntos) Un experimento de la cinética bacteriana descrita por la ecuación anterior arrojo la siguiente tabla de datos:

t (min)	0.00	3.00	6.00	9.00	12.00	15.00	18.00	21.00	24.00	27.00	30.00
C (mol/L)	1.76	4.79	9.32	15.34	22.86	31.87	42.37	54.36	67.85	82.83	99.30

a) Con la información disponible podría usted decir que tipo de gráfica representaría los datos experimentales como una línea recta (muestre todo su trabajo).

b) Ahora haga la grafica.

c) Finalmente, realice un calculo rápido de los valores de las constantes a y b.

Indique claramente su trabajo