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UPC UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
Carrera de Ingeniería Industrial
INGENIERÍA DE PROCESOS
Seminario N°4.
Fundamentos del balance de materia
Balance de masa en operaciones unitarias
El ácido diluido de un proceso de nitración contiene 33 % de H
2
SO
4
, 36 % de HNO
3
y 31 % de agua
en peso. Este ácido debe concentrarse por adición de ácido sulfúrico concentrado que tiene un
95 % de H
2
SO
4
y ácido nítrico concentrado que tiene un 78 % de HNO 3. La mezcla ácida
concentrada debe contener 40 % de H
2
SO
4
y 43 % de HNO 3
Determinar las cantidades de ácidos diluidos y concentrados que deben mezclarse para obtener
1500 kg de la mezcla ácida deseada.
- Un fabricante de pinturas quiere producir una pintura al agua que contenga 15 % de pigmento.
En el mercado hay disponible una pintura que contiene 25 % de pigmento y se vende a $ 12 /kg y
otra que contiene 10 % de pigmento y se vende a $ 7 /kg. El proceso se realizará por lotes de 100
L de la pintura deseada que tiene una densidad de 1. 33 g/cm
3
y el costo operativo para producir
cada lote es $ 24. El fabricante quiere obtener una ganancia de 15 %.
a) Dibuje un diagrama de bloque de entradas y salidas de los materiales involucrados en
el proceso, indicando los datos y escribiendo las variables que se utilizarán en el
cálculo.
b) Halle los kilos de ambas pinturas que se requiere mezclar por lote
c) Determine el precio de la pintura a la que venderá el fabricante. Exprese en $/kg y
$/galón
3 ) Una industrial textil utiliza para sus acabados media
tonelada diaria de una solución de soda cáustica
(NaOH
y H
2
O) en su proceso de mercerización. Se compra una
solución comercial (densidad = 1.543 g/cm
3
) y se
“rebaja” la concentración agregándole agua.
La solución comercial tiene 50 % de NaOH la solución mercerizante debe tener
20 %. Calcule:
a) Los kilos de solución comercial que deben comprarse al mes.
b) El volumen de agua requerida mensualmente.
c) La densidad de la solución mercerizante ( 20 %).
- Su trabajo es diseñar un mezclador para producir 200 kg/día de ácido para batería. Este ácido
contiene 18.6% en peso de H 2
SO
4
en agua. Las materias primas disponibles incluyen una
solución de ácido sulfúrico concentrada al 77% en peso de H 2
SO
4
en agua, una solución ácida
diluida al 10.8% en peso de H
2
SO
4
en agua y agua pura. La solución concentrada cuesta $
0.20/kg, la solución diluida tiene un costo de $ 0.1/kg y el agua no tiene costo.
a) Calcule el costo más alto y el costo más bajo para producir el ácido de baterías diariamente.
b) ¿A cuánto se tendría que vender cada kilo de ácido de baterías para obtener una utilidad de
15% en el caso de la producción más cara?
5 ) El jugo de fruta es una mezcla compleja de agua, fructuosa (azúcar de fruta), pulpa, ácido
cítrico y otros ácidos, acetatos y otros compuestos químicos. El jugo de fruta fresca de la
granja Frufres contiene 88 % en peso de agua. Una empresa procesadora de jugo de fruta
compra un lote de jugo fresco de 2680 kg de Frufres y fabrica concentrado de fruta mediante
un evaporador en el cual se evapora el 75 % del agua, obteniéndose así jugo concentrado.
Frufres vende su jugo fresco a $ 0. 09 /kg y la empresa procesadora vende el jugo concentrado a
$0. 50 /kg.
a) Presente un diagrama con los datos y las variables.
b) Determine la cantidad de jugo concentrado.
c) Determine la ganancia simple de la empresa procesadora.
Una corriente gaseosa contiene 18. 0 % mol de hexano y el resto de nitrógeno (N 2
). Dicha
corriente fluye hacia un condensador donde su temperatura se reduce y parte del hexano se
condensa. La fracción molar de hexano en la corriente que sale del condensador es 0. 050. El
condensado de hexano se recupera a una velocidad de 1. 50 L/min. Densidad del hexano
líquido = 654 kg/m
3
, peso molecular = 86 g/mol.
a) Represente lo descrito en un diagrama mostrando los datos.
b) ¿Cuál es la velocidad de flujo en mol/min de la corriente de gas que sale del condensador?
c) ¿Qué porcentaje del hexano que entra al condensador se recupera como líquido?
7 ) La cerveza cruda (densidad = 1. 04 g/mL) contiene 0. 5 % de sólidos y es necesario separar los
sólidos antes de embotellar. Se elige la filtración como técnica de separación haciéndose pasar
800 L/h a través de un filtro de canastilla. Es necesario interrumpir el proceso para limpiar la
canastilla después de depositarse en el filtro 1000 kg de sólidos en la canastilla. ¿Cuál es la
velocidad de depósito de los sólidos en la canastilla?
¿Cuánto tiempo puede funcionar el sistema de filtración hasta que sea necesario limpiar la
canastilla?
8 ) Una corriente acuosa de 400 kg/min que contiene 11 .5% de ácido acético (Ac) y 88. 5 % de
agua (Ag) alimenta un tanque separador en donde se pone en contacto con una corriente de
hexanol (H) puro el cual actúa como solvente del ácido acético. Del tanque separador sale una
corriente que contiene 9. 6 % de ácido acético y 90. 4 % de hexanol y sale también otra corriente
con 0. 5 % de ácido acético y 99 .5 % de agua.Todos los porcentajes están en peso
a) Dibuje un esquema mostrando datos y variables.
b) Determine la cantidad (kg/min) de solvente hexanol alimentado.
c) Calcule el porcentaje de ácido acético separado de la corriente acuosa por extracción con
solvente.
- Una mezcla líquida de benceno y tolueno contiene 55.0% de benceno en masa. Parte de la
mezcla se va a evaporar para generar un vapor que contenga 85.0% de benceno y un líquido
residual con 10.6% de benceno en masa.
Para una velocidad de alimentación de 100.0 kg/h de la mezcla al 55%. Determine las
velocidades de flujo másico de las corrientes de producto gaseoso y líquido, respectivamente.
Determine el porcentaje de benceno perdido en el líquido residual.
10 ) Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semillas de algodón,
usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias. La semilla de algodón está
compuesta por: 14 % de material celulósico, 37 % de pasta de proteína y 49 % de aceite
(porcentajes en peso). Si se utiliza 3 kg de hexano por kg de semilla cruda:
a) Haga un diagrama del proceso.
b) Para 100 kg de semilla, determine los kg en cada corriente que entra y sale.
c) Calcule la composición del extracto de aceite (sólo hexano y aceite).
11 ) Una corriente residual de un proceso de saponificación que contiene 9. 6 % de glicerina, 10 .3%
de sal y 80. 1 % de agua, es alimentada a una operación de concentración a razón de 5 00 0 kg/h.
De la unidad de proceso sale una corriente en estado vapor que contiene glicerina y agua. De la
unidad de proceso también sale una corriente líquida que contiene 12. 3 % de glicerina, 26. 3 %
de sal y el resto agua, de densidad 1 .2 kg/L. Todos son porcentajes en peso. Determine:
a) Dibuje un diagrama de bloque de entradas y salidas de los materiales involucrados en
el proceso, indicando los datos y escribiendo las variables que se utilizarán en el
cálculo.
b) Halle el flujo volumétrico de la corriente líquida que sale de la unidad.
- La fabricación de ciertos productos (fármacos, colorantes) requiere la separación de los sólidos
suspendidos de su licor madre por centrifugación, seguida de un secado de la torta húmeda. Un
sistema de ciclo cerrado para la descarga de la centrífuga, el secado, el transporte y la
recuperación del disolvente incorpora equipo diseñado para manejar materiales que requieren
condiciones estériles y libres de contaminación. Dadas las mediciones experimentales de la planta
piloto esquematizada en la figura, determinar el flujo del reciclo ( R )
- Se utiliza un sistema de purificación con recirculación para recurar al solvente DMF de un gas
de desperdicio que contiene 55% (peso) de DMF en aire. La corriente purificada contendrá sólo 10%
de DMF. Se sabe que la unidad de purificación puede eliminar sólo dos terceras partes del DMF
presente en la alimentación combinada a la unidad.
a) Realice un análisis de grados de libertad
b) Si las incógnitas son más que las ecuaciones asuma una base de cálculo
c) Calcule la relación entre reciclo y alimentación fresca
- En la figura adjunta se muestra un proceso de evaporación (E) para concentrar una solución,
seguido de una cristalización ( C ) para separar una sal por precipitación. La solución remanente que
sale del cristalizador se recicla completamente para mezclarse con la alimentación fresca. Con los
datos que se presentan a continuación determine los kilos/h del producto concentrado (P) y del
reciclo ( R ).
%NaCl % KCl % H 2
O kg/h
F (Alimentación fresca) 30.0 3.0 67.0 18 400
P (Producto evaporado) 16.8 21.6 61.
R (Reciclo) 18.9 12.3 68.
Unidad de
purificación
DMF: 55%
Aire:
DMF:
Aire: 90%
DMF
