Hoja de problemas Tema 3, Ejercicios de Ingeniería Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos (URJC)
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Hoja de problemas Tema 3, Ejercicios de Ingeniería Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos (URJC)

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Asignatura: Introdución a la IA, Profesor: Juan Ángel Botas Echevarría, Carrera: Ingeniería Ambiental, Universidad: URJC
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PROBLEMAS (HOJA 2) Asignatura: IA009 Titulación: GRADO EN INGENIERÍA AMBIENTAL Curso: 2016-2017

Tema 3: Balances de Materia

1. Una corriente líquida que contiene un 20 % de benceno (C6H6), 15 % de tolueno (C7H8), 5 % de fenol (C6H6O) y 60 % de ciclohexano (C6H12) circula con un caudal de 0,26 kg/s por el interior de una conducción cilíndrica de 2,54 cm de diámetro interno. Conociendo que la densidad de la corriente es de 0,85 g/cm3, calcule los caudales másicos y molares de cada uno de los componentes, los caudales molares y volumétricos totales y la velocidad media de la corriente.

2. En una planta de valorización de residuos sólidos urbanos (RSU) la descomposición anaerobia de la fracción orgánica de dichos RSU produce una corriente de biogás. Esta corriente de biogás seco tiene un caudal de 600 m3/h medido en condiciones normales (0 ºC y 1 atm) y una composición de 65 % de CH4, 32 % de CO2, 1,5 % de H2, 1,1 % de N2, 0,3 % de H2S, y 0,1 % de CO. Se pretende aprovechar esta corriente de biogás para generar energía eléctrica y para ello se lleva a cabo una operación de combustión en motores de combustión interna, pero antes de esta etapa es necesario separar el H2S de la corriente de biogás, ya que este compuesto gaseoso es muy corrosivo y los óxidos de azufre producto de la combustión son contaminantes atmosféricos de referencia. Como solución para separar el H2S de la corriente de biogás seco se decide usar un sistema de adsorción de carbón activo impregnado con KOH, con un 28 % p/p de capacidad de adsorción de H2S. Conociendo que en la instalación de depuración se utilizan 10 t de carbón activo, calcule su vida útil. 3. Una corriente de agua fluye con un caudal de 10 m3/s y una concentración de Cl- de 20 mg/l. En un punto determinado recibe un afluente con un caudal de 5 m3/s y una concentración de Cl- de 40 mg/l. Determinar la composición de la corriente suma, suponiendo que la unión de las dos corrientes da lugar a una mezcla uniforme. 4. Un río con un caudal de 25 m3/s posee una concentración de sales de 400 ppm. En un punto determinado se descarga en el río una corriente de agua procedente de una zona agrícola con un caudal de 5 m3/s y un alto contenido en sales (2000 mg/l). La mezcla entre ambas corrientes se produce rápidamente. Aguas abajo, se pretende retirar del río un determinado caudal de forma que, mezclado con agua libre de sales procedente de una fuente, suministre agua a una urbanización. Determine el valor de la relación de caudales agua de la fuente / agua procedente del río para que la concentración de sales en la corriente que llega a la urbanización sea como máximo de 500 ppm.

5. En un secadero continuo consistente en dos hornos instalados en serie se deseca una corriente que contiene 10 % en peso de sólidos y un 90 % de agua. En el primer horno se consigue reducir el porcentaje de agua en el sólido hasta un 20 %, mientras que en el segundo horno se reduce la humedad hasta un 2 %. La capacidad del secadero es de 1000 kg/día de sólido húmedo. a) Calcule los caudales másicos de entrada y salida a cada horno. b) Calcule el porcentaje de agua inicial que se elimina en cada horno. c) Calcule el peso de producto que diariamente sale de cada uno de los hornos. 6. El caudal de lodos (sólidos en suspensión) extraído de un tanque de sedimentación corresponde a 103,7 kg/día con una concentración de lodos de·3 %. Para que el sedimento pueda quemarse en un incinerador es necesario desecarlo. Esto se hace por medio de un espesador capaz de alcanzar una concentración de sólidos de descarga de 8 %. Después el lodo se concentra aún más en un

filtro a vacío que extrae el 75 % del agua de la corriente de alimentación. Conociendo que la densidad del lodo es aproximadamente igual a la del agua, calcule: (a) El caudal de lodo espesado (L/s) de entrada y salida del espesador. Suposición: Todos los lodos sedimentan en el fondo del espesador. (b) La composición de la torta producida por el filtro a vacío. Datos: Base de cálculo: 1 kg de lodo espesado/s. Suposición: La cantidad de lodos en el filtrado es insignificante.

7. Una corriente de aire húmedo que contiene 1 % molar de H2O (siendo el resto aire seco) se va a humidificar para que adquiera un contenido 10 % molar de H2O. Con este fin, se alimenta agua líquida a través de una bomba y se evapora hacia la corriente de aire. La lectura del regulador de potencia de la bomba, R, es 95. Los únicos datos de calibración disponibles para el regulador de potencia de la bomba son dos puntos que indican que las lecturas R=15 y R=50 corresponden a los caudales de 40 ft3/h y 96,9 ft3/h, respectivamente. Dibuje el diagrama del proceso, y calcule el caudal molar en lb·mol/h de aire humidificado de salida.

8. Un lago contiene un volumen de agua de 107 m3 y recibe una corriente con un caudal de 5 m3/s y una concentración de 10 mg/l de un determinado contaminante. Asimismo, recibe una descarga de aguas residuales con un caudal de 0,5 m3/s y una concentración de ese contaminante de 100 mg/l. El contaminante sufre en el interior del lago un proceso de degradación natural de acuerdo con una cinética de primer orden con k = 0,2 dia-1, y también sale del mismo como parte de la corriente de salida del lago. Suponiendo que se trata de un sistema en régimen estacionario, y que el agua del lago se encuentra perfectamente mezclada, determinar la concentración de contaminante en el interior del lago.

9. Una corriente equimolar de H2 y N2 con una caudal total de 200 kmol/s se alimenta a un reactor en el que se produce la reacción entre ambos compuestos para dar lugar a NH3. Conociendo que el sistema opera en estado estacionario y en el reactor se alcanza una conversión de H2 del 60 %, determine el caudal y composición de la corriente producto.

10. Calcule la conversión del reactivo A (MA = 50 g/mol, MB = 100 g/mol, MC = 25 g/mol), y la velocidad de cada reacción del siguiente sistema:

2A B

A  2C kg/s 200 F 1 

1,0 w

1 A

0,3 w

0,2 w

0,5 w

kg/s 200 F

2 C

2 B

2 A

2

12

PROBLEMAS (HOJA 2) Asignatura: IA009 Titulación: GRADO EN INGENIERÍA AMBIENTAL Curso: 2016-2017

11. Resuelva el balance de materia para determinar el caudal de aire (79 % N2 – 21 % O2), la composición y caudal de los gases de combustión de una caldera en la que se queman 100 kmol/h de CH4 con un 30% de exceso de aire respecto del estequiométrico. De esta forma la conversión del metano es del 100%.

12. Un estanque se utiliza para tratar un agua residual antes de ser vertida a un río. La entrada a la laguna tiene una caudal de 4.000 m3/día y una concentración de DBO de 25 mg/l. El volumen de tanque es de 20.000 m3. La razón de utilizar esta laguna antes de verter el agua al río es favorecer la biodegradación de la materia orgánica presente en el agua residual y reducir la concentración de DBO. Así, la DBO se elimina siguiendo una cinética de primer orden con k= 0,25 d-1. a) Calcule la DBO a la salida de la laguna. b) Suponiendo que la DBO a la salida tuviera que ser 8 mg/l, ¿cuál debería ser el volumen del estanque?

13. Se va a utilizar un reactor para degradar un contaminante A presente en una corriente de agua. Por su toxicidad en el agua, es necesaria una conversión del 99 % del contaminante A. La constante de velocidad de degradación del proceso (primer orden) es k = 1,0 h-1. Puesto que el reactor es largo, se suponen condiciones de flujo pistón. Si el caudal de alimentación es de 1.000 ft3/h, calcule el volumen de reactor necesario. ¿Qué volumen de reactor se requiere en caso de utilizar un reactor de mezcla completa? suponga régimen estacionario en los dos casos.

14. Volviendo al problema del lago (p. 8) que se encontraba inicialmente en régimen estacionario, en un momento determinado se suprime el efluente de aguas residuales por lo que el sistema evoluciona con el tiempo hasta alcanzar un nuevo estado estacionario. a) Determinar la nueva concentración de contaminante en el interior del lago en este nuevo estado estacionario. b) Determinar la concentración de contaminante en el interior del lago 7 días después de suprimir la descarga de aguas residuales. c) Calcular el tiempo necesario para que la concentración a la salida y dentro del lago sea 1,9 mg/l.

15. El área urbana de Madrid ocupa una superficie de 70 km2, aproximadamente. Durante el invierno y debido a las condiciones atmosféricas presentes algunos días (altas presiones), se produce el fenómeno de inversión térmica que impide que el aire se renueve, quedando estancado encima de la ciudad. De esta forma, la contaminación producida por las industrias, las calefacciones y los coches se va acumulando. Una vez que el viento comienza a circular, la atmósfera se clarifica. Supóngase que un lunes de invierno, a las 0 horas, se produce el fenómeno de inversión térmica, haciendo que el aire no pueda renovarse en una altura de 400 metros por encima de la ciudad, siendo la concentración de partículas sólidas en ese momento 50 µg/m3. Suponga también que en esta zona la atmósfera está bien mezclada, siendo la concentración de contaminantes igual en todos los puntos. Midiendo la generación de partículas sólidas, se ha comprobado que los coches generan por término medio 15 kg/h, las calefacciones 30 kg/h y las industrias de dentro del área urbana 15 kg/h. Además, se espera que la situación de inversión térmica y la falta de vientos perduren algunos días.

a) Si el Ayuntamiento de Madrid tiene previsto poner en marcha el plan de emergencia cuando se detecten 250 µg/m3 de partículas en suspensión (PS), ¿cuándo se alcanzará ese valor de PS? b) En el momento en que se ha llegado a una concentración de PS de 300 µg/m3 y los técnicos responsables del ayuntamiento comienzan a estar muy preocupados, empieza a soplar un viento de la sierra con una velocidad de 1 m/s, penetrando en la ciudad con un ancho de 560 m y una altura de 400 metros. La concentración de PS en el viento es 10 µg/m3. Calcule el tiempo necesario para llegar a un valor de 250 µg/m3. Suponga que el volumen de la zona de inversión no se ve afectado por la entrada de aire.

16. Con el objeto de tratar una corriente de agua residual con un caudal de 1000 gal/min es preciso usar cloro para reducir el número de patógenos presentes en el agua de 100 a 1. Conociendo que el proceso de degradación de patógenos con cloro es de primer orden y tiene un valor de la constante cinética de 0,15 min-1, calcular: a) El volumen mínimo (en galones) de la conducción requerida para realizar su depuración tras la adición de cloro en la línea de corriente b) El volumen del depósito de mezcla que sería necesario para obtener la misma concentración de salida, en el caso de realizar el tratamiento en una unidad separada c) Si la concentración de cloro residual a la salida del tratamiento debe ser 0,20 mg/l, y conociendo que la cantidad de cloro usada en el proceso de inactivación de los microorganismos es 0,15 mg/L, ¿qué cantidad diaria de cloro (en gramos) debe añadirse al sistema?

17. En un experimento de laboratorio se obtiene la siguiente variación temporal de concentración de microorganismos en un cultivo de microorganismos, en unas condiciones tales que se puede considerar que no existen limitaciones para el crecimiento desde la perspectiva de la disponibilidad de sustrato (S>>KS):

Tiempo (d) 0 1 2 3 4 5

Biomasa (mg/L) 50 136 369 1004 2730 7421

a) Calcular µmax para esta población de microorganismos suponiendo crecimiento

exponencial, y predecir la concentración al cabo de 10 días. b) Si la capacidad de carga del sistema es de 100.000 mg/l ¿Qué porcentaje de la población

máxima se alcanzará al cabo de los 10 días? c) Suponiendo que pueda existir limitación de crecimiento por disponibilidad de sustrato,

determine el porcentaje de la velocidad de crecimiento máxima que se puede alcanzar para una concentración inicial de sustrato de 25 mg/l y un valor de la constante de semi- saturación de 50 mg/L

18. En un cultivo de laboratorio se cuantifican 3,4·104 bacterias (Unidades Formadoras de Colonias, UFC)/l tras 4 horas de haber inoculado dicho medio de cultivo. Después de 24 horas el número de bacterias aumentó a 5,2·106 UFC/l. Calcule: a) La velocidad específica de crecimiento. b) El número de bacterias que fueron inoculadas inicialmente.

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