3. Es una operación unitaria mediante la cual una sustancia pasa
del estado líquido al estado vapor, por el suministro de energía
calorífica.
Aplicaciones Típicas de Evaporación:
En los procesos • Concentración de producto.
de ingeniería química
la evaporación se • Pre-concentración de la alimentación al secador.
utiliza generalmente
para separar líquido de • Reducción de volumen.
una solución. • Recuperación de agua o solvente
• Cristalización.
5. A un evaporador se alimentan 100 000 kg/día de una solución
que contiene 38 %w de azúcar, obteniéndose una solución concentrada
con 74 %w. Calcúlese el peso de solución obtenida y la cantidad de
agua evaporada.
2 H2 O
M1=100 000 kg/día
1 3 74 %w azúcar
38 %w azúcar
6. El secado se describe como el proceso mediante el
cual se elimina líquido de un sólido. Generalmente la cantidad
del líquido en el sólido es pequeña, por lo que se dice que el
sólido está húmedo.
Esquema del proceso de secado
Líquido
2
removido
Sólido Sólido
Húmedo
1 SECADOR 3
seco
7. Por un túnel secador se pasa continuamente papel húmedo
que contiene 0.1 lb agua/lb de papel seco y sale con 0.02 lb de
agua/lb de papel seco. ¿cuántas lb de agua se evaporan por hora si
al secador se introducen 1000 lb de papel húmedo por hora?
2 H2 O
Papel Papel
H2 O 1 SECADOR 3 H2 O
0.1 lb H2O/lb papel 0.02 lb H2O/lb papel
8. Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de
agua y después de secarla se determina que se ha eliminado el
55% del agua original de la pulpa. Calcúlese la composición de la
pulpa seca y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de
pulpa húmeda.
2 H2 O
M1=1000kg/min
pulpa
Pulpa
68%w H2O 1 SECADOR 3
H2 O
9. La destilación consiste en separar de una mezcla líquida
uno o más componentes, basándose en la temperatura de
ebullición de cada componente presente en la mezcla.
Los componentes de menor Los componentes menos
temperatura de ebullición se conocen volátiles (los de mayor temperatura
como componentes más volátiles y de ebullición) se separan por el
se separan por el domo (parte fondo de la torre. A los productos
superior) de la torre de destilación. Al obtenidos en el fondo se les conoce
producto obtenido en el domo se como RESIDUOS.
llama DESTILADO.
10. Componente(s) má(s)
2 volátil(es)
DOMO A
DESTILADO
C
Mezcla líquida
A
1
B
C
Componente(s)
menos volátil(es)
A
FONDOS
3 B
RESIDUO
11. En una columna de destilación se separa una mezcla
equimolar de Etanol (E), Propanol (P) y Butanol (B) en una
corriente de destilado que contiene 66.2/3% de Etanol y nada
de Butanol y una corriente de fondos que no contiene Etanol.
Calcular las cantidades y composiciones de las corrientes de
destilado y fondos para una alimentación de 1000 mol/h
12. 66.2/3 % Etanol
2
DOMO 33.1/3 % Propanol
DESTILADO
Mezcla líquida
N1 = 1000 mol/h
Etanol, E
Propanol, P 1
Butanol, B
Propanol
FONDOS
3 Butanol
RESIDUO
13. A una columna de destilación se alimenta una mezcla cuya
composición es 2% mol de etileno, 3% mol de etano, 5% de
propileno, 15% mol de propano, 25% mol de isobutano, 35% mol de n-
butano y 15% mol de n-pentano.
En el destilado se recupera todo el etileno, etano y
propileno, parte del propano y parte del isobutano, el cual
representa el 5% del total de moles de destilado.
En el residuo sale todo el n-butano, todo el pentano y
el resto de isobutano y propano. La concentración de propano
en esta corriente residual es de 0.8% en mol. Calcular las
composiciones de producto destilado y de residuo por 100
moles de alimentación.
14. La absorción es una operación unitaria que consiste en separar
de una mezcla gaseosa uno o más componentes con la ayuda de una
solvente líquido, con el cual el o los componentes separados forman una
solución.
el equipo en el que se lleva a cabo el proceso de
absorción se conoce como Torre de absorción y tanto la mezcla
gaseosa y el solvente líquido se alimentan a la misma a
contracorriente.
15. Componentes de la A
mezcla gaseosa no 4 2 Líquido
separados B
Solución
Componente(s)
A separado(s)
Mezcla 3
gaseosa
B 1
C C
16. En una unidad llamada absorbedor se alimentan 200 lb/h de una
mezcla gaseosa que contiene 20%w de acetona y el resto de un gas
portador. La mezcla gaseosa se trata con una corriente de agua pura en
una relación másica de 1 a 5 , lo que produce un gas de descarga libre de
acetona y una solución de acetona en agua. Suponiendo que el gas
portador no se disuelve en agua, calcule todos los flujos totales
desconocidos y la composición en todas las corrientes.
17. Componentes de la
mezcla gaseosa no Gas Agua pura
4 2
separados portador
Solución
20%w acetona Acetona
Mezcla
1 3 Agua
gaseosa
80%w Gas portador
M1 = 200 lb/h
18. El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas que contiene
15% en mol de CS2, 17.8% de O2 y 67.2% de N2. el gas se alimenta a una
torre de absorción continua donde se pone en contacto con benceno que
absorbe el CS2, pero no el O2 y el N2. el benceno líquido se alimenta a la
columna en una relación molar de 2:1 con respecto al gas de
alimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2% de CS2
y 2% de benceno.
Calcule el porcentaje de CS2 absorbido y la fracción mol de CS2 en la
corriente de benceno a la salida.
21. Los procesos químicos industriales se efectúan en una serie de
equipos que están interconectados entre sí, tales como unidades de
mezclado, intercambiadores de calor, torres de destilación, de
absorción, evaporadores, secadores, etc. y cuando hay reacción química
también están presentes los reactores.
Para realizar el balance de materia en estos procesos se puede
considerar como sistema:
• Todo el proceso
• Un solo equipo del proceso global.
• Dos o más equipos del proceso global.
• Un punto de unión de dos o más corrientes.
25. Los evaporadores son dispositivos en los cuales se calienta una
solución hasta su temperatura de ebullición y se elimina una porción del
disolvente evaporado, dejando a la solución más concentrada. Un evaporador de
múltiple efecto consiste en una serie de evaporadores conectados entre sí
(llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más
concentrada en cada unidad. Para producir agua potable a partir de agua de
mar, se emplea un sistema de evaporación de triple efecto. El agua de mar
contiene 3.5% en peso de sal (la sal puede considerarse como formada
exclusivamente por NaCl en este problema). Treinta mil libras por hora de agua
de mar se alimentan al primer efecto del evaporador.
26. La composición de la solución que abandona el tercer efecto
se mide con un medidor de conductividad eléctrica, calibrado a fin de
proveer una lectura de la fracción molar de NaCl de la
solución, obteniéndose una lectura de 0.01593. Se elimina por ebullición
la misma cantidad de agua en cada uno de los efectos. Calcular la
cantidad de agua eliminada en cada efecto y el porcentaje en peso de
NaCl en la solución que abandona el segundo efecto.
28. El flujo de alimentación a una unidad que consiste de dos columnas de
destilación contiene 30% de benceno (B), 55% de Tolueno (T) y 15% de Xileno
(X). Se analiza el destilado de la primera columna y se encuentra que contiene
94.4% de B, 4.54% de T y 1.06% de X. Los fondos de la primera columna se
alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna se planea que 92%
del T original cargado a la unidad se recupere en la corriente de destilado y que
el T constituya el 94.6% la corriente. Se planea, además, que 92.6% del X
cargado a la unidad se recupere en los fondos de esta columna y que el xileno
constituya el 77.6% de dicha corriente. Si se cumplen estas condiciones, calcule:
a) El análisis de todas las corrientes que salen de la unidad.
b) La recuperación porcentual de benceno en la corriente de destilado
de la primera columna.
29. 94.4 % B fT,4 = 92% fT,1
4
2 4.54% T 94.6% T
1.06% X
30% B
55% T 1
15% X
fX,5 = 92.6 % fX,1
3 5
77.6% X
30. Una recirculación es una corriente de flujo que se toma de la descarga
de una UNIDAD y se regresa como alimentación a la misma o a otra UNIDAD
colocada anteriormente.
Recirculación Una recirculación es un
proceso que consiste de tres
unidades:
Unidad 1 Unidad 2 1. Nodo de Mezclado.
2. Unidad interna.
3. Nodo de División.
31. Alimentación
Unidad interna
fresca
Unidad
Alimentación Nodo de división
Nodo de mezclado Combinada
32. A
B
3
C
A A
B 1 2 B
C C
Un nodo de mezclado se considera como un equipo donde se
lleva a cabo el proceso de mezclado; por lo que el balance se realiza como
en un mezclador.
Balance global: F1 + F3 = F2
Balance del componente A: fA1 + fA3 = fA2
33. Un DIVISOR es un dispositivo mediante el cual se divide el flujo
de entrada de una corriente en dos o más corrientes menores. Como la
división se hace únicamente con base al flujo, la COMPOSICIÓN en todas
las corrientes en las que se divide la corriente de alimentación es la
misma, por lo que en un nodo de división sólo se puede realizar el balance
global. xwA,1 = xwA,2 = xwA,3
A
B xwB,1 = xwB,2 = xwB,3
C xwC,1 = xwC,2 = xwC,3
3
O bien:
A A xnA,1 = xnA,2 = xnA,3
B 1 2 B xnB,1 = xnB,2 = xnB,3
C C
xnC,1 = xnC,2 = xnC,3
34. La derivación consiste en pasar el flujo de una corriente a una
unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso
se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad
interna.
Unidad interna
Unidad
Nodo de mezclado
Nodo de división
35. La derivación consiste en pasar el flujo de una corriente a una
unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso
se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad
interna.
Unidad interna
Unidad
Nodo de mezclado
Nodo de división
36. Se utiliza un sistema de purificación con recirculación para
recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de
DMF. Calcule la fracción de recirculación suponiendo que la unidad de
purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la
alimentación combinada a la unidad.
DMF 55% Unidad DMF
De
Aire 90%
Aire purificación
37. Un flujo de 0.126 kg/s de arena que contiene 20% en peso de
agua se va a secar hasta un contenido de 5% de agua. La presión parcial
del vapor de agua en el aire ambiente es de 10 mmHg y la presión parcial
del vapor de agua en el aire que sale del secador es de 200 mmHg. A fin de
lograr esto, se recircula y se mezcla una porción de aire de salida con el
aire de entrada, de manera que la presiónbparcial del vapor de agua en el
aire alimentado al secador es de 50.26 mmHg. Si la presión atmosférica es
de 760 mmHg, calcular:
a) La masa de aire fresco alimentado al secador.
b) La masa de aire recirculado.
39. Una mezcla líquida que está constituida por 40% mol de benceno
(B) y 60% mol de tolueno (T), se separa en una columna de destilación. El
vapor que sale por la parte superior de la columna (contiene 95% mol de
benceno), se condensa completamente y se divide en dos fracciones
iguales, una se toma como producto destilado y la otra se retorna a la
parte superior de la columna (reflujo). El destilado contiene 90% del
benceno que se alimentó a la columna. El líquido que sale por la parte
superior de la columna alimenta a un hervidor parcial donde se evapora el
45% del líquido. El vapor generado en este hervidor regresa a la parte
inferior de la columna y el líquido residual constituye la cola de la
destilación.
40. Las composiciones de los flujos que salen del hervidor están
determinadas por la relación:
𝒙𝒏 𝑩,𝟕
𝟏− 𝒙𝒏 𝑩,𝟕
= 𝟐. 𝟐𝟓
𝒙𝒏 𝑩,𝟖
𝟏− 𝒙𝒏 𝑩,𝟖
Donde y son las fracciones molares del benceno
en los flujos de vapor y líquido respectivamente. Para una base de 100
mol/h alimentadas a la columna, calcular el flujo molar de destilado
(corriente 6), residuo (corriente 8) y corriente 3, así como, sus respectivas
fracciones molares.
41. 𝒙𝒏 𝑩,𝟕
𝟏− 𝒙𝒏 𝑩,𝟕 2 Condensador
= 𝟐. 𝟐𝟓 0.95 B
𝒙𝒏 𝑩,𝟖
𝟏− 𝒙𝒏 𝑩,𝟖 0.05 T
3
6 6
40% B
1
60% T
7
3 8
Hervidor
42. 2 Condensador
0.95 B
0.05 T
3
6 6
40% B
1
60% T
7
3 8
Hervidor
43. Se requiere producir 19.802 kmol/h de cloruro de metilo (CH3Cl)
separándolo de una mezcla líquida que contiene metano (CH4), cloruro de
metilo (CH3Cl), ácido clorhídrico (HCl) y cloruro de metileno (CH2Cl2). Para
tal efecto se utiliza un sistema que consiste de 3 unidades de separación:
Una columna de destilación (C-D), una columna de adsorción (C-A) y una
columna de rectificación (C-R), como se muestra en el siguiente diagrama:
Si por cada kmol de CH2Cl2 se producen 8.4 kmol de
CH3Cl, calcule los flujos molares y las composiciones en porciento mol de
todas las corrientes de flujo, utilizando los datos adicionales mostrados en
el diagrama.
44. 0.95 B
0.05 T
2
4.3139%n CH3Cl
CH2Cl2 1
CH4
5.228%n HCl
6
45. Un flujo de 4251 kg/h de solución de NaNO3 al 30% en peso se alimenta a un
evaporador, donde la solución es concentrada hasta la saturación a 100 °C.
Posteriormente la solución saturada se enfría hasta 20 °C y los cristales de NaNO3
formados se separan por filtración, quedando humedecidos con una solución que tiene
una masa equivalente al 10% de la masa de cristales. Suponiendo que la solubilidad del
nitrato a 100 °C es de 1.76 lb/lb de agua y a 20 °C es de 0.88 lb/lb de agua, calcular:
a) La cantidad de agua que se requiere evaporar para que la solución alcance
la saturación a 100 °C.
b) La masa total de la solución fresca alimentada al sistema.
46. H 2O
evaporada
msolución,6 = 0.10 mCristales,6
3
M2 = 4251 kg/h
1 30 %w NaNO3 4 Cristales 6 Cristales
Evaporador Enfriador 5 Filtro
Alimentación 2 Solución Solución Solución
fresca a 100 °C a 20°C
7 Solución
Solubilidad a 100 °C =1.76 lb nitrato/lb de agua.
Solubilidad a 20 °C = 0.88 lb nitrato/lb de agua.
