TALLER BALANCE DE MATERIA BALANCES SIN REACCIÓN QUÍMICA

TALLER BALANCE DE MATERIA BALANCES SIN REACCIÓN QUÍMICA

1.

En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién extraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a un evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h, calcule la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida.

2.

Se destilan 1000 kg/h de una mezcla acuosa que contiene 25% en masa de etanol. Las corrientes de productos salen por las partes inferior y superior de la columna de destilación. El flujo de pesado es de 753 kg/h, mientras que el destilado ligero tiene un 96% en masa del alcohol. Calcule las composiciones másicas y molares de todas las corrientes, así como los flujos másicos y molares de cada una de ellas.

3.

Cinco mil kilogramos por hora de una solución de metanol-agua que contiene 50% en masa de metanol a 26.7 °C se va a destilar continuamente a 1 atm de presión para producir en cimas un destilado que contenga 95% de metanol (en masa) y un residuo en fondos que contenga 1% de metanol (en masa). La mezcla de alimentación se va a precalentar mediante intercambio de calor con el residuo, el cual abandonara el sistema a 37.8°C. El destilado se va a condensar totalmente hasta un líquido y el reflujo se va a regresar en el punto de burbuja. El destilado obtenido se va a enfriar por separado antes de almacenarse. Se va a utilizar una relación de reflujo de 1.5 veces el mínimo. Realice el diagrama de flujo y determine la composición molar y másicas de todas las corrientes, así como sus flujos molares y másicos.

4.

Algunos pescados se procesan como harina de pescado para usarse como proteínas suplementarias en alimentos. En el proceso empleado primero se extrae el aceite para obtener una pasta que contiene 80% en peso de agua y 20% en peso de harina seca. Esta pasta se procesa en secadores de tambor rotatorio para obtener un producto “seco” que contiene 40% en peso de agua. Finalmente, el producto se muele a grano fino y se empaca. Calcule la alimentación de pasta en kg/h necesaria para producir 1000 kg/h de harina “seca”.

5.

En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en masa de sólidos solubles se mezcla con azúcar (1.22 kg azúcar/kg de fruta) y pectina (0.0025 kg pectina/kg de fruta). La mezcla resultante se evapora en una olla para producir una jalea con 67% en masa de sólidos solubles. Calcule, para una alimentación de 1000 kilogramos de fruta macerada, los kilogramos de mezcla obtenida, los kilogramos de agua evaporada y los kilogramos de jalea producida.

6.

10 t mensuales de frijoles de soya cuya composición másica es de 35% de proteína, 27.1% de carbohidratos, 9.4% de fibra y cenizas, 10.5% de agua y el resto de aceite se procesan en tres etapas: En la primera etapa, los frijoles se maceran y se prensan para extraer el aceite, obteniéndose corrientes de aceite y de pasta prensada que todavía contiene 6% de aceite (Suponga que no hay pérdidas de otros constituyentes en la corriente de aceite). En la segunda etapa, la pasta prensada se trata con hexano para obtener una corriente de pasta de soya extraída que contiene 0.5% en masa de aceite y una corriente de aceite-hexano. Suponga que no sale hexano en el extracto de soya. Finalmente, en la última etapa se seca el extracto para obtener un producto con 8% en masa de humedad. El consumo neto de hexano como solvente es de 3.5 galones/ton. de frijol soya procesada. De este proceso de extracción por solvente, también se obtiene lecitina de soya, como subproducto. El producto principal es el aceite de soya, el cual pasa a los siguientes procesos: refinación química (neutralización cáustica) y luego a refinación física (blanqueo, refinación y desodorización por destilación). De acuerdo a la anterior información

a) b) c) d) e)

Realice el diagrama de bloques del proceso. Analice los grados de libertad de cada sistema. Calcule el flujo, en kg/mes, de pasta de soya que salen de la primera etapa. Determine el flujo, en kg/mes, de pasta extraída obtenida en la segunda etapa. Encuentre el flujo, en kg/mes, de pasta seca final y porcentaje en peso de proteína en el producto seco.

7.

Se desea producir 1000 kg/h de cristales de Na3PO4.12H20 a partir de una solución de alimentación que contiene 5.6% en Na3PO4 de Na3PO4 y trazas de impurezas. La solución se evapora primero en un evaporador hasta obtener una concentración de 35% en masa y después se enfría a 293 K en un cristalizador, de donde se extraen los cristales hidratados y la solución madre. De cada 10 kg de licor madre se pierde un kg para eliminar las impurezas y el resto se recircula al evaporador. La solubilidad del Na3PO4 a 293 K es 9.91% en masa. Calcule los kg/h de solución de alimentación y los kg/h de agua extraída.

8.

Un material sólido que contiene 15.0 en masa de humedad se seca hasta reducirlo a 7.0% en masa por medio de una corriente de aire caliente mezclada con aire de recirculación del secador. La corriente de aire no recirculado contiene 0.01 kg de agua/kg de aire seco, el aire de recirculación tiene 0.1 kg de agua/kg de aire seco y el aire mezclado contiene 0.03 kg de agua/kg de aire seco. Para una alimentación de 100 kg de sólidos/h al secador, calcule los kilogramos de aire seco/h de aire nuevo, los kilogramos de aire seco/h del aire de recirculación y los kg/h de producto “seco”. También encuentre todas las composiciones en base húmeda y seca.

9.

Las columnas de destilación por etapas son dispositivos que separan materiales volátiles mediante la ebullición de los componentes más volátiles. Para que ocurra una adecuada separación, estos dispositivos requieren de la condensación de por lo menos una parte de vapor a la salida, para regresarlo a la columna. Es necesario hacerlo para asegurar la coexistencia de ambas fases (líquido y vapor) a través de toda la columna. Considerando el sistema formado por una columna de destilación y su condensador, como se muestra en la figura, y para propósitos de balance de materiales se puede ignorar el condensador (ya que solo produce un cambio de fase en la corriente, que no afecta la masa ni la composición). La columna va a separar una mezcla de tres compontes cuya composición molar es: 7% de acetona, 61.9% de ácido acético y el resto de anhídrido acético. La corriente no fondos no contiene acetona, mientras que el destilado tiene 10% en mol de acetona y 88% en mol de ácido acético. Se opera la columna para que regrese como reflujo el 60% del vapor desprendido por la parte superior, calcular todos los flujos si se van a producir 700 mol/h de destilado.

10. Inicialmente el jugo de naranja fresco de 12° Brix se concentraba usando un evaporador hasta 42° Brix, pero un ingeniero modifica el proceso (como se muestra en la Figura) mediante la derivación de una fracción del jugo fresco, de tal manera que no pasa por el evaporador, de tal forma que el jugo fresco que ingresa al evaporador se concentra hasta 58° Brix, para luego mezclarse con la corriente derivada de jugo fresco, con el fin de lograr la concentración final de sólidos deseada. Considere los °Brix como una fracción másica de sólidos disueltos.

Con base en la anterior información: a) b) c)

Calcule la cantidad de jugo procesado por cada kg de jugo fresco alimentado. Determine la fracción de la alimentación que se deriva antes de llegar al evaporador. Explique a que se debe la modificación del proceso de concentración.

11. Suponga que se extraen 100 L/min de un tanque de fermentación y se pasan por un tanque de extracción en el que el producto de fermentación (en la fase acuosa) se mezcla con un disolvente orgánico, y luego la fase acuosa se separa de la fase orgánica. La concentración de la enzima deseada (3-hidroxibutirato deshidrogenasa) en la alimentación acuosa al tanque de extracción es de 10.2 g/L. El disolvente orgánico puro ingresa en el tanque de extracción a razón de 9.7 L/min. Si la relación entre la concentración de la enzima en el flujo de producto (la fase orgánica) que sale del tanque de extracción y la concentración de la enzima en el flujo de desecho del tanque (la fase acuosa) es de 18.5 a 1, ¿Cuál es la recuperación fraccional de la enzima y la cantidad recuperada por minuto? Suponga que los líquidos de las fases acuosa y orgánica tienen una miscibilidad insignificante, e ignore los cambios en la densidad al pasar la enzima de una fase a la otra.