Enunciados de la Primera Parte

1.- En la figura se muestra esquemáticamente una instalación de dos columnas (C1 y C2) para destilación de aire. Todos los porcentajes se dan en moles. Calcular, por cada 100 kmol / h de "oxígeno producto" (corriente D):

a.- Porcentaje del O2 alimentado en forma de aire licuado que se obtiene en la corriente D "oxígeno producto".

b.- Caudal de la corrientes A y B en kmol/h.

2.- Se comprimen 125 m3/h ( en c.n.) de aire (79% N2 y 21% O2) y se hacen pasar por un separador de membranas, obteniéndose una corriente de 100 m3/h ( en c.n.) de nitrógeno impurificado con oxígeno. Sabiendo que el rendimiento en la obtención de nitrógeno es del 96,2%, calcular:

a.- Composición de la corriente de nitrógeno, expresada en fracciones molares.

b.- Masa (en kg) de nitrógeno que se obtiene en diez horas.

c.- Porcentaje del oxígeno de partida que acompaña al nitrógeno obtenido.

d.- Potencia teórica, en kW, requerida para la compresión isotérmica del aire, si se realiza hasta una presión de 5 atm.

R = 8,31 J mol-1 K-1

3.- Una empresa emplea oxígeno (con 5% en volumen de N2) en la oxidación de amoníaco para producir ácido nítrico. El oxígeno, del que se utiliza un 10% más del estrictamente necesario, procede de una unidad de destilación que produce también N2 (con 1% de O2 en volumen). Se pide :

a.- Calcular la cantidad de aire (21% O2 y 79% N2) a destilar, en m3N/h, para oxidar 100 m3N/h de amoníaco.

b.- Calcular la cantidad de disolución acuosa, en kg/h, de ácido nítrico del 20% en peso que puede producirse como máximo. Proponer una utilidad para el nitrógeno producido.

Pesos atómicos: O=(16,0), N (14,0), H (1,0)

4.- En un proceso de fabricación de ácido sulfúrico se emplea una pirita de hierro que contiene un 42% de Fe y un 45% de S (resto inertes). Dicha pirita se quema en un horno con aire empleando un exceso del 100 % sobre el aire necesario, para transformar totalmente hierro y azufre en óxido férrico y dióxido de azufre respectivamente. El gas de salida del horno se alimenta a un convertidor en el que el dióxido de azufre se oxida a trióxido con un rendimiento del 90 %. Calcular la composición (% en volumen) de los gases de entrada y de salida del convertidor. Supóngase que no se forma trióxido en el horno.

Pesos atómicos: S=32 ; Fe=56 g/atg

5.- Una empresa quema 100 m3N/h de un gas de composición 75% de CH4 (v/v), 15% C2H6 (v/v), 10% CO2 (v/v), con aire enriquecido (60% de O2). Este aire se obtiene de una unidad de difusión diferencial que se alimenta con aire (21% de O2) (v/v) y que produce además una corriente de N2 con 8% de O2 (v/v). Calcular la composición del gas de combustión en base seca (sin H2O) y la cantidad de aire que ha de alimentarse a la unidad de difusión diferencial.

6.- Se tiene un agua de composición ( en mg/l ):

Ca(HCO3)2 = 52

Mg(HCO3)2 = 36

MgSO4 = 3

NaCl = 15

CaCl2 = 43

Mg(HSO3)2 = 9

MgCl2 = 6

C6H5-CH3 = 1

C6H6-NH-C2H5 = 1

C6H12O6 = 1

C12H22O11 = 1

 

Calcular la dureza total, permanente y temporal, en grados franceses y alemanes, así como la DBO y la DQO.

7.- Se dispone de un agua que contiene CaSO4 y CaCl2, de forma que su dureza es 50º franceses. Se pretende eliminar esa dureza mediante la adición de Na2CO3, dada la insolubilidad del CaCO3. Calcular:

a.- Cantidad de CaCO3, en kg/m3 de agua, que puede recogerse por filtración.

b.- Cantidad de Na2CO3, en kg/m3 de agua, teóricamente necesaria.

c.- Si la cantidad de Na2CO3 empleada es superior en un 20% a la teóricamente necesaria, ¿qué cantidad, en l/ m3 de agua, de una disolución de HCl al 5% en peso y densidad 1,0 g/ml, se han de preparar para neutralizar el agua después de la filtración?.

8.- Se analizan las aguas vertidas por una fábrica, tomando tres muestras de 100 ml cada una y oxidando las sustancias con una disolución de dicromato potásico 1,0 N. Se gastan en cada análisis 28,5; 28,7 y 28,9 ml de dicha disolución.

a.- Calcular la DBO media, así como los gramos de propanol (única sustancia producida) vertidos por litro de agua.

b.- Si el caudal vertido de aguas residuales es de 70 m3 / día, calcular la población equivalente a dicha fábrica y explicar el significado de esta magnitud, sabiendo que 60 g O2/día equivalen a una persona.

Pesos atómicos: C (12,0), H (1,0) y O (16,0).

9.- La DBO de un agua de desecho es 140. Se quiere eliminar añadiendo oxígeno por medio de agua saturada con aire.

a.- Calcular los litros de agua con oxígeno, a 20ºC, que habrá que añadir por cada litro de agua de desecho.

b.- Repetir el cálculo considerando que el agua aireada está a 70ºC.

c.- Si la DBO se debe únicamente a urea ( NH2-CO-NH2 ), ¿ cuántos gramos de esta sustancia habrá por cada litro de agua de desecho ?.

Pesos atómicos: C (12,0), O (16,0), H (1,0) y N(14,0).

Solubilidad del oxígeno puro, a 1 atm de presión, en agua:

a 20 ºC

43,4 ppm

a 70 ºC

18,6 ppm

10.- Se tienen tres evaporadores dispuestos en serie, alimentándose el primero con una corriente de agua de mar de 5,3 Tm/h. En cada evaporador (de entrada, intermedio y de salida) se producen, respectivamente: 3,2; 1,1 y 0,5 Tm/h de vapor de agua, y un residuo de salmuera que se pasa al evaporador siguiente. La corriente residual del último evaporador tiene un 20% en peso de sales. Se pide:

a.- Contenido salino (en % en peso) del agua de mar previa al tratamiento.

b.- Porcentaje del agua pura de la corriente inicial que forma parte de cada una de las tres salmueras.

c.- Si se consume energía sólo en el primer evaporador, indicar cómo influye el número de evaporadores en el aprovechamiento de energía y en el coste del proceso.

11.- En un proceso de electrolisis de cloruro sódico para producción de cloro e hidróxido sódico (electrolisis cloro-sosa), la alimentación consiste en 10 m3/h de una disolución con 10% en peso de NaCl. La eficacia de la electrolisis es del 80%. La corriente de salida se alimenta a un evaporador, para precipitar NaCl. Sabiendo que en este último proceso se elimina el 80% del agua y el 75% del NaCl restante, y suponiendo densidad unidad en las corrientes líquidas, calcular:

a.- Caudal (en m3/h) y concentraciones (en % en peso) de la corriente de salida del evaporador.

b.- Caudal (en m3N/h) de cloro e hidrógeno, que son los únicos gases producidos.

Pesos atómicos: H (1,0), O (16,0), Na (23,0) y Cl (35,5).

12.- Se está llevando a cabo en la actualidad un estudio estadístico global de fuentes y sumideros de gases de efecto invernadero por el Instituto de Prevención del Cambio Climático, aplicando factores simples para evaluar las emisiones industriales. En la fabricación de amoníaco por reformado con vapor de agua y aire de gas natural (CH4) mediante las reacciones sin ajustar:

CH4 + m H2O + n aire ® CO2 + p H2 + q N2

p H2 + q N2 ® r NH3

en las que se supone que todas se realizan estequiometricamente y al 100%, separándose todo el CO2 y descargándolo a la atmósfera.
Determinar la tasa de emisión de CO2, en Kg. CO2/Kg NH3 fabricado, para aplicar como factor de evaluación en la generación de gases invernadero de la industria de producción de amoníaco.
Datos: Composición del aire: 20% O2 , 80% N2.
Pesos atómicos: C: 12; H: 1; O: 16; N: 14 g/át.g.

13.- Una instalación de fabricación de formaldehido por oxidación catalítica de metanol en fase vapor, obtiene en la torre de destilación final una disolución de formaldehido en agua del 37% en peso reciclándose el metanol no reaccionado de nuevo al reactor. Los vapores formados en la reacción se absorben con agua a razón de 0,9 Kg. H2O/Kg de metanol. Determinar el rendimiento de transformación del proceso considerando que después del lavado sólo se descarga a la atmósfera CO2 saturado con 1% de agua por chimenea.

14.- En una planta de ácido nítrico se oxida el amoníaco en mezcla con aire en un reactor sobre telas de platino-rodio. Considerando que la composición a la entrada es del 10% de NH3 en volumen y que las reacciones que se producen son:

Determinar la composición volumétrica en base seca a la salida del reactor si el rendimiento de conversión de amoníaco en óxido nítrico es del 95%, oxidándose el resto a nitrógeno. Composición del aire: 21% O2 y 79% N2.

15.- En una planta de generación de hidrogeno purificado por reformado a alta temperatura de metano con vapor de agua se verifica la reacción: CH4 + H2O ® CO + 3 H2 con un rendimiento del 85%. Posteriormente se lleva a cabo la conversión catalítica del CO en CO2 a baja temperatura según la reacción: CO + H2O ® CO2 + H2 con una eficiencia del 90%. Finalmente se purifica el gas de agua y anhídrido carbónico y se separa criogénicamente el CH4 y CO residuales en una unidad de separación existiendo una pérdida de hidrogeno del 2% del H2 entrante a dicha unidad separadora final.
Determinar,
a) Tm H2 purificado producido por Tm de CH4 materia prima.
b) Proporción de dicho hidrogeno procedente del hidrocarburo en porcentaje del total, y % restante procedente de la hidrólisis del agua.
DATOS: Pesos atómicos: C=12, O=16, H=1 g/átAg.

16.- Se dispone de un gas de síntesis a 300ºC, después de conversión y eliminación de CO2 de la siguiente composición molar: CO: 0,25%; CO2: 0,30%; CH4: 0,45%; H2: 77%; N2: 22%. A fin de eliminar los compuestos oxigenados residuales (CO y CO2) se hacen reaccionar en un reactor metanizador con catalizador de níquel.Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

CO + 3 H2 ® CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 ® CH4 + 2 H2O

Si se obtiene una conversión a metano del 99% tanto para el CO como para el CO2, determinar la composición molar del gas de salida en base seca y las partes por millón residuales de CO + CO2.

17.- En una planta se tratan 50.000 Kmol/día de gases procedentes de la estabilización de un crudo a pie de pozo de composición en volumen: CH4: 70%; C2H6: 20%; C3H8: 5%; C4: 2%; C5: 1%; N2: 2%; con un aceite ligero purificado en una torre de absorción obteniéndose a la salida un gas de composición molar: CH4: 91%; C2H6: 6,4%; N2: 2,6%; y el aceite enriquecido en volátiles que se destila recirculándose de nuevo a la absorción. Se considera que ni el metano ni el nitrógeno se solubilizan en el aceite haciéndolo parcialmente el etano y completamente C3 y superiores. Determinar:
a) Los Kg./h de gas a la salida.
b) Los Kg./h de etano absorbidos.
Datos: Pesos atómicos: C = 12; H = 1; N = 14 g/át.g.

18.- La fabricación de urea se lleva a cabo por reacción de amoníaco con dióxido de carbono según la reacción: CO2 + 2 NH3 ® NH2-CO-NH2 + H2O obteniéndose una conversión del 70% en urea, trabajando en el reactor con un exceso de amoníaco del 100% sobre el estequiométrico.
a) Determinar los consumos estequiométricos de NH3 y CO2 en Kg. por tonelada de urea producida.
b) Calcular la concentración porcentual en peso de la solución acuosa de urea obtenida después de separar los reactantes que no han reaccionado.
c) Si el amoníaco no reaccionado se separa, reciclándose al reactor, calcular el flujo de amoníaco de reciclo en Tm/h para una planta de 35 Tm/h de urea suponiendo que no existan perdidas en el proceso de separación.
DATOS: Pesos atómicos: C=12, O=16, N=14, H=1 g/átAg.

19.- En un proceso de hidrodesulfuración catalítica en fase vapor se tratan 10 Tm/h de nafta, asimilable, a efectos de peso molecular medio, a un heptano-n; con una corriente gaseosa rica en hidrogeno de composición molar 15% N2, 10% CH4 y 75% H2. Sabiendo que la nafta inicial tiene 801 ppm de azufre en peso y que se obtiene en la nafta desulfurada, después de condensada y separada a la salida de la unidad, 1 ppm S en peso, manteniéndose en continuo la recirculaci\n de los gases separados al reactor.Determinar:
1.- La purga del circuito en Kmol/h de gases para mantener un m<ximo del 1% molar de SH2 en el gas en recirculación.
2.- La alimentación en Kmol/h de la corriente gaseosa hidrogenada necesaria para el tratamiento.
3.- El flujo y composición molar de los gases en circulación sabiendo que en la entrada al reactor se requiere una relación molar nafta/hidrogeno de 0,25.
Nota: Se considerara que las condiciones de operación impiden la solubilización de los gases en la nafta desulfurada. Pesos atómicos: C = 12; H = 1; S = 32 g/át.g..

20.- En un craqueo catalítico se deshidrogena butano en el reactor para obtener principalmente buteno, siendo la conversión de buteno obtenida, en las condiciones de la operación, del 25% de la alimentación molar de C4 + C4= a la entrada del reactor. Adicionalmente al buteno y al butano no reaccionado, se obtienen otros hidrocarburos más ligeros e hidrogeno y se produce también como subproducto coque. El diagrama de flujo es el siguiente:

En la etapa de separación se obtiene buteno puro; un gas de separación de composición molar: (CH4: 5%; C2H6: 15%; C2H4: 10%; H2: 70%); coque, considerado como carbono puro y una corriente de reciclo, mezcla de butano (75% molar) y buteno (25% molar), que se devuelve a la entrada del reactor. Calcular los Kmoles de Buteno, Gas de Separación y Coque por Kmol de butano de alimentación al proceso.

21.- Las fibras acrílicas, fabricadas por polimerización del acrilonitrilo, se comercializan con distintos nombres (Orlón, Acrilán, Lycra) y son parcialmente responsables de muertes por inhalación de humos en incendios. Hace algunos años fallecieron decenas de personas no sólo por el monóxido de carbono sino a causa del ácido cianhídrico en el humo del incendio de una discoteca. La reacción que se produce es la siguiente:

1) Considerando que la dosis letal de HCN en el aire ambiente es de 300 mg HCN/Kg. aire, determinar si se supera la dosis letal a 25ºC en la combustión de la moqueta que cubre el suelo de un dormitorio de 3x4 m y 2,8 m de altura si sólo se incendia el 20% de la misma y la reacción señalada anteriormente sólo procede con un rendimiento del 25%.
2) Indicar materias primas y procedimiento de fabricación del acrilonitrilo. Datos: Peso de la fibra acrílica de la moqueta: 200 g/m2. Densidad del aire a 25ºC 0,0018 g/cm3. Pesos atómicos: C: 12, N: 14, H: 1 g/át.g.

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