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Diseño de Plantas Químicas
Examen Final

La alimentación a una torre de destilación es de 5000 lbmol/h, de una solución
de 35 mol por ciento de dicloro de etileno (EDC) en xileno. No hay ninguna
acumulación en la torre, el flujo de vapores destilados contiene 80 % de dicloro
de etileno, y el flujo de residuos contiene 15 mol por ciento de dicloro de
etileno. El agua de enfriamiento al condensador de vapores está ajustada para
dar una relación de recirculación de 10:1 (10 moles vuelven a entrar a la
columna por cada mol de producto de vapores salientes). El calor al equipo de
transferencia calorífica, ver figura, se ajusta de modo que la relación de
circulación sea de 5:1 (5 moles vuelven a entrar a la columna por cada mol de
producto residual, con un desvió de 2:15 (2 moles se desvían al equipo de
transferencia calorífica por cada 15 moles que pasan por dicho equipo).

a) De acuerdo con el diagrama de flujo mostrado en la figura, plantear el
diagrama de proceso utilizado la nomenclatura necesaria (20 puntos).

b) Balance total de masa de todas las corrientes del proceso que se describe
(40 puntos)

c) Balance de energía (40 puntos).

Vapor
destilado

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Datos Adicionales

La torre de destilación tiene la temperatura y las condiciones térmicas que se
muestran en la figura, el equipo de transferencia de calor es calentado por

vapor que condensa a 280℉ . El agua de enfriamiento entra al condensador

de vapores de salida a 70℉ y sale a 120℉ . En el condensador, el vapor

de salida entra a 184 ℉ antes de enfriarse a 175 ℉ que es la

temperatura de recirculación de líquidos y del producto destilado. El calor de

condensación ∆ H del vapor de salida es de 14210 Btu/lbmol y 14820

Btu/lb/mol para los residuos de la torre. La capacidad calorífica de todas las

corrientes liquidas es de 40 Btu/lbmol ℉ .

Diseño de Plantas Químicas
Segundo Parcial

DESTILADO 175

Agua 280

Vapor a 280

EQUIPO DE
TRANSFERENCIA DE
CALOR

120

70

RECICLO

REFLUJO

CONDENSADO
R

ALIMENTACION 80

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24000 lb/hr de un destilado de 35 ° API se enfria de 400 a 300 ℉ por

50000 lb/hr de un aceite crudo de 34 ° API que se calienta desde una

temperatura inicial de 250℉ . Si se permite caídas de presión de 19 lb/pulg2

y se requiere un factor de obstrucción de 0.006. usando horquillas de 4X3 pulg.
IPS por 20 pies:

a) Cuantas horquillas se requieren?
b) Como deben arreglarse?

Diseño de Plantas Químicas
Primer Parcial

Una corriente de alimentación de 16000 lb/hr de disolución al 7 % en peso de
NaCl se concentra hasta 40% en peso en un evaporador de serpentín con un
tiempo de residencia de 2 horas. En el evaporador la alimentación se calientas

a 180℉ . El vapor de agua de la disolución y la disolución concentrada salen

a 180℉ . El vapor de agua entra como saturado y sale como condensado. La

salida de la disolución concentrada se enfría en un intercambiador de calor

hasta 100℉ .

a) Preparar el balance de masa y energía
b) Diseñar el intercambiador de calor

Diseño de Plantas Químicas
Primer Parcial

45000 Kg/h de aceite lubricante (40 ° API , DO, PM=240) son producidos por

la descomposición térmica del aceite de castor acetilado (ACO, similar a la
glicerina) de acuerdo a la siguiente reacción:

ACO(l)340° API


Calor
DO(l)+CH 3COO H (g)

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El proceso para producir DO se describe a continuación:

ACO se alimenta por gravedad desde un tanque de almacenamiento a un

tanque de pulmón, el líquido a 30℃ se transporta mediante una bomba a

una presión de 2 bares hacia un horno de calentamiento, controlando el flujo
mediante válvula de control en el lado de descarga de la bomba. En el horno,

la temperatura del líquido se incrementa a 340℃ mediante la combustión

de aceite combustible (Combustible residual N° 6 ) con un 10% de exceso de

aire. El flujo de salida del horno se introduce directamente a un reactor que
contiene un empaque cerámico inerte en el que se da la reacción de
descomposición. La conversión en un solo paso en el reactor es de 40%.

La corriente de salida del reactor es alimentado a un separador Gas-Liquido,
donde todo el acido acético formado se elimina en forma de vapor por la parte
superior del separador. El material liquido pesado DO y ACO tienen muy bajas
presiones de vapor y consecuentemente no se vaporizan apreciablemente y

dejan el separador como liquido caliente. La corriente liquida a 310℃ se

alimenta a un intercambiador donde el aceite se calienta a 160℃ por

intercambio de calor, produciéndose vapor saturado a la presión de 10 bar. El
nivel de agua en el evaporador se controla ajustando el flujo de alimentación
de agua, el aceite enfriado a la presión de 1.3 bar es enviado a la siguiente
etapa del proceso.

Para el proceso descrito anteriormente, calcular:

a) Balance de masa y energía completo
b) Calcular la potencia de la bomba
c) Calcular las dimensiones del intercambiador

Diseño de Plantas Químicas
Examen Final

Se desea diseñar un proceso en el que se contempla una columna de

rectificación, que se alimenta con 15000 kg/h de una mezcla a 20℃ a una

atmosfera que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno. El producto
destilado tiene 97% de benceno y en la corriente del fondo 98 % de tolueno
(todas las corrientes están en % en peso).

a) Elaborar el diagrama de flujo de proceso con todos los servicios y
equipamiento requerido.

b) El combustible requerido para la producción Importante: Haga las
suposiciones necesarias.

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Diseño de Plantas Químicas
Primer Parcial

En una unidad productiva se elimina una corriente de 1600 lb/h de una
disolución al 7% en peso de NaCl a un evaporador y se concentra hasta 40 %
en peso.

En el evaporador la alimentación se calienta a 180℉ vapor de agua a razón

de 15000 lb/h entra a 230℉ y sale como condensado a 230℉ .

Para el proceso, preparar un diagrama de flujo completo con las unidades de
servicio mas importantes, en base al diagrama de flujo, preparar el balance de
masa y energía de la unidad productiva, requerimiento de agua combustible,
etc. Haga las suposiciones necesarias y justifique:

a) Preparar un diagrama de flujo
b) Preparar el balance de masa y energía

Requerimiento de agua combustible, etc.

Haga las suposiciones necesarias y justifique.

Diseño de Plantas Químicas
Examen Final

La separación de una mezcla de benceno, tolueno y xileno se lleva a cabo en
dos columnas de destilación.

A la primera columna se la alimentan 100 kgmol/h de una mezcla del 40% en
mol de benceno y el resto de tolueno y xileno. En el domo de la primera
columna se obtiene 40 kgmol de destilado con una composición de del 95% en
mol de benceno, y el resto de tolueno y xileno, los cuales están en relaciones
de 10 a 1 respectivamente.

Los fondos de la primera columna alimentan a la segunda. De esta columna
sale un destilado que contiene 5% de benceno en mol y el resto de tolueno y
xileno, los cuales están también en relación de 10 a 1 respectivamente. Por el
fondo de la segunda columna se obtiene xileno con 100% de pureza.

Para el proceso propuesto, desarrollar:

a) Diagrama de flujo de proceso completo para la unidad productora
descrita (30%).

b) El cuadro de balance de masa con las líneas de corriente (40%)

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c) Si el xileno que sale de la segunda columna está a 60℃ y se desea

enfriar a 30℃ para su uso en otro proceso. Diseñar el intercambiador

de calor adecuado (30%).

Diseño de Plantas Químicas
Examen Final

En el diseño preliminar de un horno para caldera industrial, el metano a
25℃ se quema en su totalidad con 20% de aire en exceso, también a

25℃ . La velocidad de alimentación del metano es 450 kmol/h. Los gases

calientes de combustión salen del horno a 300℃ y se descargan a la

atmosfera. El calor transferido desde el horno (Q́ ) se utiliza para transformar

el agua de alimentación de la caldera a 25℃ en vapor sobrecalentado a 17

bar y 250℃ .

Emplee las siguientes capacidades caloríficas aproximadas [ KJ /(mol ∙℃)]

para resolver este problema: CH4 (g) = 0.0431, CO2 (g) = 0.0423, H2O (g) =
0.0343, O2 (g) = 0.0312, N2(g) = 0.0297.

a) Dibuje y marque un diagrama de flujo para este proceso [ este debe ser
similar al que se muestra en el inciso b) sin el precalentador] y calcule la
composición del gas que sale del horno. Después empleando las
capacidades caloríficas constantes dadas, calcule la capacidad calorífica
molar promedio del gas. (Vea la ecuación 8.3-13.) por último, calcule
Q́ (KJ /h ) y la velocidad de producción de vapor en la caldera (kg/h).

b) En el diseño real de la caldera, el aire alimentado a 25℃ y el gas de

combustión que sale del horno a 300℃ pasan por un intercambiador

de calor (el precalentador de aire). El gas de combustión se enfría a
150℃ en el precalentador y luego se descarga a la atmosfera, y el

gas calentado se alimenta al horno. Calcule la temperatura del aire que
entra al horno (se requiere una solución por prueba y error) y la
velocidad de producción de vapor (Kg/h).

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Diseño de Plantas Químicas
Examen Final

El cumeno (
C6 H5C3 H7¿ se produce haciendo reaccionar benceno con

propileno [∆ H
°
r (77℉)]=−39.520 [Btu /lbmol ] .

Se introduce al reactor una alimentación liquida que contiene 75 mol% de
propileno y 25% de n-butano y una segunda corriente liquida que contiene
esencialmente benceno puro. El benceno fresco y el recirculado, ambos a 77
℉ , se mezclan en una proporción de 1:3 (1 mol de alimentación fresca/3

moles recirculados) y se pasan por un intercambiador de calor, donde el
efluente del reactor los calienta antes de alimentarlo al reactor. El efluente del

reactor entra al intercambiador a 400 ℉ y sale a 200 ℉ .

Tras enfriarse en el intercambiador de calor, el efluente del reactor se alimenta
a una columna de destilación (T1). Todo el butano y el propileno sin reaccionar
se retiran como producto del domo de la columna, y el cumeno y el benceno
sin reaccionar se retiran como producto de fondos y se alimentan a una

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