Este documento presenta un problema de balance de materia y energía sobre la recuperación de hexano de una corriente de gas de nitrógeno usando dos posibles procesos: a) enfriamiento en un condensador o b) compresión y enfriamiento a presión constante. Se calculan las temperaturas y velocidades de flujo requeridas para cada proceso. Finalmente, se indica que para determinar cuál proceso es más rentable se necesitaría conocer los costos de instalación y operación de cada uno.

1. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
ASIGNATURA: IQ-341
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
TRABAJO GRUPAL N° 01
PROFESOR : Ing. Bernardo ENCISO LÓPEZ
ESTUDIANTES :
 AYALA CANCHARI CESAR ALFREDO
 GARCÍA PALOMINO, Jhon Elvis
 SULCA CERDA, Joel Renzo
Ayacucho-Perú
2018

2. 4.24 El método de dilución del rastreador es una técnica que se emplea para
determinar las velocidades de flujo de los fluidos en canales donde no puede
usarse dispositivos como rotámetros y medidores de orificio (p.ej… ríos, vasos
sanguíneos y tuberías de gran diámetro), una corriente de una sustancia fácil de
medir (el rastreador) se inyecta al canal a una velocidad conocida y se mide la
concentración de dicho rastreador en un punto suficientemente lejano
corriente abajo dl punto de inyección como para que el rastreador se haya
mezclado por completo con el fluido en movimiento. A mayor velocidad de flujo
del fluido, menor concentración del rastreador en el punto de medición.
Una corriente de gas que contiene 1.50 mol% de CO2 fluye por una tubería. Se
inyectan 20 Kg de CO2 por minuto a dicha tubería. Se toma una muestra del gas
en un punto de la línea a 150 metros corriente debajo del punto de inyección, y
se ve que contiene 2.3 mol% de CO2.
(a).- estime la velocidad de flujo del gas (Kmol/min) corriente arriba respecto al
punto de inyección.
n1= ( kmol / min)
20.0 kgCO2 / min
n3= ( kmol / min)
0.015 kmolCO2 / kmol
n2= (kmol / min)
0.015 kmolCO2 / kmol
Hallamos en ( kmol / min) la entrada del flujo n1= ?
𝒏 𝟏 =
𝟐𝟎. 𝟎 𝒌𝒈 𝑪𝑶 𝟐
𝒎𝒊𝒏
∗
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝟒𝟒. 𝟎𝟏 𝒌𝒈 𝑪𝑶 𝟐
𝒏 𝟏 = 𝟎. 𝟒𝟓𝟓 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐂𝐎𝟐 / 𝐦𝐢𝐧

3. Análisis de grados de libertad:
Número de incógnitas: 3
Numero de balances: -3
Grados de libertad: 0
Balances:
Balance general: 0.0455 + n2 =n3 ……………………………………. (1)
Balance del CO2 : 0.0455 + 0.015n2 = 0.023n3 …………………. (2)
𝒏 𝟐 = 𝒏 𝟑 − 𝟎. 𝟎𝟒𝟓𝟓
Reemplazamos en la ecuacion. (2)
𝟎. 𝟒𝟓𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟏𝟓( 𝒏 𝟑 − 𝟎. 𝟒𝟓𝟓) = 𝟎. 𝟎𝟐𝟑𝒏 𝟑
𝟎. 𝟒𝟓 − 𝟎. 𝟎𝟎𝟔𝟖𝟐𝟓 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟑𝒏 𝟑 − 𝟎. 𝟎𝟏𝟓𝒏 𝟑
𝒏 𝟑 =
𝟎. 𝟒𝟓𝟓 − 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟔𝟖𝟐𝟓
𝟎. 𝟎𝟐𝟑 − 𝟎. 𝟎𝟏𝟓
= 𝟓𝟔. 𝟎𝟐𝟐 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐂𝐎𝟐 / 𝐦𝐢𝐧
𝒏 𝟐 = 𝟓𝟔. 𝟎𝟐𝟐 − 𝟎. 𝟒𝟓𝟓 = 𝟓𝟓. 𝟔 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐂𝐎𝟐 / 𝐦𝐢𝐧
Resolviendo la ecuación (1) y (2) simultáneamente tenemos:
n2= 𝟓𝟓. 𝟔 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐂𝐎𝟐 / 𝐦𝐢𝐧
n3= 𝟓𝟔. 𝟎𝟐𝟐 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐂𝐎𝟐 / 𝐦𝐢𝐧
(b).- transcurren 18 segundos desde el instante que se inyecta por primera vez el CO2
adicional hasta el momento en que la concentración de CO2 comienza a
aumentar en el punto de medición. Suponga que el rastreador viaja a la
velocidad promedio del gas en la tubería (es decir, ignorando la difusión del
CO2), y calcule su velocidad promedio (m/s), si la densidad molar del gas es
0.123 Kmol/m3, ¿Qué diámetro tiene la tubería?
Calculamos la velocidad promedio de flujo:
OBS:
 el punto de la línea se encuentra a 150 metros corriente abajo del punto de
inyección.
 tiempo que transcurre 18 segundos desde que se inyecta CO2.

4. 𝒗 =
𝟏𝟓𝟎 𝒎
𝟏𝟖 𝒔
= 𝟖. 𝟑𝟑 𝒎/𝒔
 Hallamos el diámetro de la tubería:
𝑨 =
𝟏
𝟐
𝝅𝑫 𝟐
=
𝟒
𝝅
∗
𝟓𝟔. 𝟏 𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒎𝒊𝒏
∗
𝒎 𝟑
𝟎. 𝟏𝟐𝟑 𝒌𝒎𝒐𝒍
∗
𝟏 𝒎𝒊𝒏
𝟔𝟎 𝒔
∗
𝟏 𝒔
𝟖. 𝟑𝟑 𝒎
𝑫 = √
𝟒 ∗ 𝟓𝟔. 𝟎𝟎𝟐
𝝅 ∗ 𝟎. 𝟏𝟐𝟑 ∗ 𝟔𝟎 ∗ 𝟖. 𝟑𝟑
𝑫 = 𝟏. 𝟎𝟖𝒎
4.73 Una mezcla de aire y propano se quema con oxígeno puro. Los productos de combustión
contiene 47.4 mol % de H2O. Después de retirar toda el agua de los productos, el gas
residual contiene 69,4 mol% de CO2 y el balance de O2.
a) ¿Cuál es el porcentaje molar de propano en el combustible?
b) Ahora se sabe que la mezcla combustible puede contener no solo propano y butano,
sino otros hidrocarburos. Lo único seguro es que el combustible no contiene
oxígeno. Emplee balances atómicos para calcular la composición molar elemental
del combustible a partir del análisis dado de los productos de combustión (es decir,
determine los porcentajes molares de C y H). pruebe que su solución es consistente
con el resultado del enciso(a).
Solución:
Reacciones:
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
C4H10 + 13/2 O2 4CO2 + 5H2O

5. Base de 100 moles:
El producto seco contiene 69.4 % CO2 :
Análisis de grados de libertad:
Número de incógnitas: 3
Numero de balances: -3
Grados de libertad: 0
Balances:
Balances de O: 2n3 = 152,6
n3=76.3 mol O2
Balances de C: 3n1 + 4n2 = 36.5
n1 = 7,1 moles de C3H8 65.1% C3H8
Balances de H: 8 n1 +10n2 = 94,8
n2 = 3,8 moles de C4H10 34.9 % C4H10
b.
nc = 100mol(0.365 moles CO2 )(1 mol de C de moles CO2) = 36,5 moles de C
nH = 100mol ( 0.474 moles de H2O)(2 moles H de moles de H2O) = 94.8 moles de H
27.8 % de C y 72.2 % de H
Comprobamos en el enciso a:
( 7,10 mol C3H8 )(3mol C/ mol C3H8 ) + (3.80 mol C4H10 )( 4 mol C / mol C4H10 ) x 100
( 7,10 mol C3H8 )( 11mol C/ mol C3H8) + (3.80 mol C4H10 )( 10 mol C / mol C4H10 )
= 27.8 %

6. 5.21 En el proceso de flotación con espuma. Se burbujea aire en una solución acuosa o
lodo donde se agrega un agente espumante (jabón). Las burbujas de aire llevan a los
sólidos finamente dispersos y los materiales hidrófobos como grasa y aceite a la
superficie. Donde pueden eliminarse junto con la espuma. Un lodo que contiene cierto
mineral se va a procesar en un tanque de flotación con espuma a razón de 300 ton/h. El
lodo consta de 20.0% por peso de sólidos (GE del mineral = 1.2) y el resto es una
solución acuosa con densidad cercana a la del agua. El aire se asperja (se hace pasar
por una boquilla diseñada para producir burbujas pequeñas) en el lodo a razón de 40.0
ft3 (TPE) ll 000 gal de lodo. El punto de entrada del aire es 10 pies por debajo de la
superficie de dicho lodo. El contenido del tanque se encuentra a 75°F y la presión
barométrica es de 28.3 in. Hg. El diseño del aspersor es tal. Que el diámetro promedio
de burbuja en la entrada es 2.0 mm.
(a) ¿Cuál es la velocidad de flujo volumétrico del aire en estas condiciones de entrada?
(b) ¿En qué porcentaje cambia el diámetro promedio de burbuja desde el punto de
entrada hasta la superficie del lodo?
SOLUCIÓN:
6.23 Algunos sólidos empapados con hexano líquido se secan poniéndolos en contacto con
nitrógeno a alta temperatura. La corriente de gas que sale del secador está a 80 °C , 1 atm
absoluta y tiene 50% de saturación relativa.

7. Una de varias posibilidades para recuperar el hexano del gas es enviar la corriente a un
condensador por enfriamiento. La corriente de gas que sale del condensador contendría
5.00 mol% de hexano. Y el condensado de hexano se recuperaría a razón de 1.50
krnol/min. El condensador operaría a presión de 1 atm absoluta.
La saturación relativa en la entrada será: Y0P=0.500p H(80°C)
Y0 = (0.500)(1068mmHg) = 0.703 k.mol H/ Kmol
760 mmHg
Saturación en la salida: 0.05 p = P*H(T1)
P*H(T1) = 0.05(760 mmHg) = 38mmHg
Por la ecuación de Antoine:
Log1038 = 6.88555 – 1175.817 T1 = -3.26°C

8. T1-224.867
Balance de moles: N=n1+1.50 n0= 2.18 kmol/min
Balance de N2: (1-0.703)n0=0.95 n1 n1 = 0.682 kmol/min
Volumen de N2:
VN2 = (0.95)0.682 kmol/min * 22.4 m3
(STP)/ kmol = 14.5 SCMM
b) Otra alternativa es comprimir a 10 atm el gas que sale del secador y aumentar al mismo
tiempo la temperatura de modo que la saturación relativa permanezca en 50% después, el gas
se enfría a presión constante para producir una corriente que contiene 5.00 mol% de hexano.
Calcule la temperatura final del gas y la relación entre las velocidades de flujo volumétrico de las
corrientes de gas que salen y entran al condensador.
Para la saturación relativa en la entrada del condensador :
Para la saturación en la salida:
Tenemos la relación de volumen:

9. c) Qué necesitaría saber para determinar cuál proceso a) o b) es más costo-efectivo?
El costo de enfriamiento a -3.26 °C (costo de instalación de las utilidades del condensador
y otros costos de operación vs el costo de compresión a 10 atm y enfriamiento en 10 atm.