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EXAMEN FINAL CONVOCATORIA ORDINARIA 25 de mayo de 2011 ASIGNATURA 26747 - Fundamentos de Ingeniería Química y Biotecnológica Competencias que se evalúan:
- Aplicar balances de materia y energía a operaciones y procesos industriales y bioindustria– les para interpretar y relacionar variables de proceso, concentraciones, flujos y estequiometría.
- Integrar los fundamentos básicos de las ciencias, de las ciencias de la vida y de la Ingeniería Química y Bioquímica en el desarrollo de productos y aplicaciones.
- Comunicar y transmitir, principalmente por escrito, los conocimientos, resultados e ideas, en un entorno profesional y multidisciplinar. Información Tiempo total: 3h. Ponderación: Cada problema se puntúa sobre 2,5 puntos. Cada pregunta de teoría se puntúa 0,5 puntos. Calificación total: 10 puntos.
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TEORIA
T1 Indique qué unidades del SI le corresponden a las siguientes variables:
- Entalpía de una corriente.
- Selectividad (en una reacción).
- Temperatura de burbuja.
- Presión en un autoclave.
T2 Ponga un ejemplo de una operación de separación discontinua.
T3 En el equilibrio líquido-líquido para en extracción indique cuáles de estas frases son correctas:
- El refinado es la fase más densa, la que queda debajo.
- El extracto es la fase que tiene mayor concentración de soluto.
- El extracto es la fase que tiene mayor porcentaje del disolvente añadido.
T4 En un equipo de destilación súbita continuo indique qué frases son correctas.
- El destilado sale de la operación como líquido.
- La temperatura de la alimentación debe ser superior a la de la cámara de destilación.
- La temperatura de la cámara de destilación es siempre es igual a la temperatura de burbuja.
T5 Describe un sistema de dos componentes que tenga elevada difusividad.
T6 ¿Qué propiedad de los distintos componentes es clave para su separación en una operación de absorción?.
T7 Si utilizamos dos reactores continuos de flujo de pistón de igual volumen en serie ¿mejoraremos la conversión que se consigue en un reactor de flujo de pistón de volumen doble?
T8 ¿Qué se conoce por catabolismo?
T9 Indica algún tipo de microorganismo de interés industrial y su aplicación.
T10 Describe un mecanismo cinético microbiano con inhibición por el sustrato.
P2 El etilenglicol es un líquido ampliamente utilizado como anticongelante que tiene un punto de ebullición de 197 ºC. En el laboratorio disponemos de 200 mol de una mezcla de concentración molar 30% de etilenglicol en agua. Deseamos recuperar el etilenglicol y para ello vamos a realizar una destilación diferencial (discontinua) a presión atmosférica. Nuestro objetivo es obtener una disolución 90% molar de etilenglicol. a) ¿El producto de interés será el destilado o el líquido que queda en el herbidor? b) ¿Cuál será la cantidad final de producto que se obtiene? c) ¿A qué temperatura comenzará la destilación? d) ¿Cuánta energía es necesario aportar para calentar la mezcla desde la temperatura inicial de 25ºC hasta que comienza la ebullición?
Datos: Calor específico del agua: 1 kcal/kg K Calor específico del etilenglicol: 149,5 J/mol K Peso molecular del etilenglicol: 62 g/mol
Equilibrio Vapor-líquido para Etilenglicol/Agua^4 P = 760 mmHg
BP^ % agua (en mol) Temp. °C líquido vapor 110 ,00 79,8 99, 116,40 61,3 98, 124,30 55,9 97, 124,50 55,3 97, 126,00 48,2 97, 128,10 42,6 96, 129,50 41,1 96, 130,50 38,8 95, 131,20 36,5 95, 135,20 28,9 92, 136,00 28,3 92, 138,00 24,1 90, 142,50 21,6 88, 149,00 17,8 85, 158,10 12,9 77, 167,40 10,2 70, 178,60 6,5 56, 184,20 3,4 37,
P1 – SOLUCIÓN
Tomando como base de cálculo 100 kg de F2, entonces R1=60 kg. Un balance a B en el extractor permite calcular S: 75=S·0,9 => S=83,33 kg y como se conoce la composición salen los flujos en S: 75 kg B; 7,5 kg A; 0,83 kg C Y del balance al extractor calculamos los flujos en E: 17,5 kg A; 59,17 kg C En el destilador 1 la separación es total, luego: S1=17,5 kg y R1=59,17 kg En el destilador 2, con un balance a A: 7,5=R2·0,25 => R2=30 kg y por diferencia calculamos la cantidad de B recirculada en R2: 22,5 kg B. El resto sale por S2: 52,5 kg B; 0,83 kg C Como R2 son 30 kg, F=70 kg Todas las corrientes y composiciones son ahora conocidas: a) 17,5/70*100=25 kg (se obtiene directamente de un balance global) b) 70/ c) 98,4% d) 0,83/17,
P2 – SOLUCIÓN a) El componente más volátil es el agua, por lo tanto el etilenglicol se concentra en el líquido del herbidor. b) El balance de materia en destilación
discontinua es ∫
0 ln( 0 / )
x
xf y x
dx L L. Se
conoce que: x 0 =0,70; xf=0,10; L 0 =200 ;. La integral se calcula del área bajo la curva de 1/(y-x) vs x entre los límites y sale 1,23. Por tanto, ln( 200 / L ) = 1 , 23 ∴ L = 58 , 3 mol c) La temperatura inicial de ebullición estaría entre los dos primeros datos de la tabla. Interpolando en la tabla es aproximadamente 113ºC. d) La cantidad de energía que debemos aportar para llevar la mezcla a la temperatura de ebullición se obtiene por un balance de energía:
[ ] [ K ] J
mol
g gK
J
mol
Q NAgua cpAgua Teb Ti NEtilenglicol cpEtilenglicol Teb Ti
6
, ,
140 4 , 18 18 ( 113 25 ) 60 149 , 5 88 1 , 72 10
− +^ =
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80 100
