Exámenes de química industrial

Parte A

1) A través del canal inclinado que muestra la figura, se introduce escoria fundida en un horno de reverbero. El canal tiene las siguientes dimensiones:

H¹ = 0,356 m

W = 0,303 m

L = 2,42 m

Comprobar si el canal no desborda cuando circula un caudal de 60 Ton/min y si así fuere, calcular la altura de la escoria H.

Datos:

ρ_escoria = 3.590 kg/m³

μ_escoria = 10 poise

Rugosidad del canal = 0,303·10⁻³ m

2) Una habitación cuyas dimensiones son 4 m×5 m y su altura es 3 m, está construída con paredes de 10 cm de espesor. Como sistema de calefacción se utiliza un serpentín que consiste en un tubo de 14 mm D₁ y 16 mm D₂, por el cual circula vapor saturado a 120 °C. Si la temperatura ambiente es de -27 °C:

a) Calcular la pérdida de calor hacia el exterior y la energía que es necesario suministrar para mantener la habitación a 18 °C (el techo no está aislado)

b) Qué caudal de vapor circula por el serpentín en esas condiciones?

c) El largo requerido para el serpentín

Datos:

h_externo = 50 W/m²·°C

h_interno = 20 W/m²·°C

h_vapor = 1.200 W/m²·°C

k_pared = 0,6 W/m·°C

k_serpentín = 16 W/m·°C

cᵥ = 712,45 J/kg·°C

λ_{120 °C} = 2.200 J/kg

Parte B:

1) Para la habitación del problema 2 de la parte A, halle una expresión para estimar el tiempo necesario para que el aire alcance 18 °C partiendo de la temperatura inicial igual a la temperatura ambiente. Cuál es ese tiempo?

2) A qué tipo de fluidos, de los enumerados a continuación, corresponden las curvas de características de velocidad de deformación bajo esfuerzo cortante que están representadas?

a) Fluido newtoniano

b) Fluido de la ley de potencia

c) Plástico de Bingham

d) Fluido ideal

1) Una solución acuosa de CMC al 2 % presenta una curva de flujo que responde a la relación √t = K·(dv/dr)ⁿ

2) Encuentre la expresión del perfil de velocidades y de esfuerzo de corte, cuando circula en régimen laminar por un tubo horizontal de radio R.

Parcial de Química Industrial

Problema 1: En el circuito de la figura, se produce, agua amoniacal. Con ese fín el agua que es tomada del tanque (1), se hace circular par una columna de burbujeo donde se pone en contacto con una mezcla de aire y amoníaco obteniéndose el agua amoniacal por un intercambiador de calor de casco y tubos en contracorriente con una corriente de agua de enfriamiento. Luego de ser enfriada la corriente de agua amoniacal es bombeada hasta un tanque de donde se toma el producto para el envasado final.

El aqua de enfriamiento, luego de salir del intercambiador de calor a su vez es enfriada en una torre de enfriamiento poniéndola en contacto con aire y se recircula al intercambiador.

La cantidad de agua evaporada en la torre de enfriamiento se repone desde el tanque principal (1).

──────── Circuito de agua - agua amoniacal. Todas las cañerías de Dₙ 1* Schedule 4 OS/ L_eq = 150 m)

┈┈┈┈ Circuito de enfriamiento

─∙─∙─∙─∙─∙ Circuito de aire + Amoníaco

╌╌╌╌ Circuito de aire en torre de enfriamiento.

Otros datos: Nivel en el tanque de agua (1): 25 m

Nivel en el tanque de agua amoniacal (5): 35 m

Nivel Intercambiador - Bomba: 0 m

Producción diaria de agua amoniacal = 100 Ton (24 h)

Consumo diario de gas en la columna de burbujeo -75 Ton, 20 °C

Propiedades del líquido = Propiedades del agua.

Propiedades del gas - Propiedades del aire.

Todos Los caños son de acero comercial.

a) Caudal de agua de enfriamiento (ton/día)

b) Potencia de la bomba (HP)

c) Temperatura de salida del gas de la columna de burbujeo (°C) si el calor generado en la absorción es de 130 kW

d) La longitud de los tubos del intercambiador (m) si n° -1D y D1 = ¼ pulgada

e) El caudal de agua de enfriamiento aumenta su humedad absoluta en 0,01 (caudal aire seco = 10.000 m³/h a 20 °C)

f) Concentración del producto final

Problema 2: En una fábrica de cemento se utiliza un horno rotatorio al cual se alimentan las materias primas a una temperatura de 20 °C (temp. ambiente). El horno tiene la capacidad de procesar 6,4 ton/h de material y dispone de quemadores de gas indirectos (los gases de combustión de 22.000 Btu/lb, manteniendo al producto a una temperatura media de 900 °C dentro del mismo. Sobre una pared interna del horno se halla una capa de escoria de 10 cm de espesor. Suponer que el calor de la relación es despreciable.

Las dimensiones de horno son las siguientes:

Largo: 15 m

Espesor acero: 0,15 m

Diámetro exterior: 2,5 m

Espesor aislación externa: 0,2 m

Propiedades físicas:

Se puede considerar a los efectos prácticos que tanto las materias primas como los productos y la escoria depositada en las paredes

Tienen aproximadamente las mismas propiedades medias: Cₚ = 700 J/kg·K; k = 0,78 W/m·K

Otras propiedades:

K_acero = 27,2 W/m·K

Mr_gas = 17

K_aislante = 0,067 W/m·K

Coeficientes peculiares de transferencia de calor:

h_interno = 1.050 W/m²·K

h_externo = 180 W/m²·K

Calcular el consumo diario de gas en N·m³ (CNPT) sabiendo que el horno funciona en continuo 24 h al día.

Parcial de Química Industrial

Parte A

Problema 1

Se desea bombear, 50 m³/h de petróleo hasta una altura de 15 m. Para ello se utiliza una cañería de 25 km de longitud total (L + L⁴) y 0,128 m de diámetro, a 12 °C. Un proceso alternativo consiste en calentar el petróleo a 50 °C y bombearlo en esas condiciones con la misma instalación y otra posibilidad es modificar la instalación, reemplazándola por dos tramos en paralelo de 0,064 m de diámetro.

Cuál de los tres procedimientos consume menos energía por kg de petróleo a transportar?

Datos:

A 12 °C: ρ = 914 kg/m³; μ = 0,172 kg/m·s

A 50 °C: ρ = 870 kg/m³; μ = 0,0157 kg/m·s

Cₚ = 0,45 kcal/kg·°C

Problema 2:

Se ensaya un diseño modificado de tanque agitado que contiene un nuevo tipo de serpentín de calefacción. El tanque opera en estado estacionario y se alimenta con un caudal W₁ = 1 m³/h de agua a 20 °C, siendo la temperatura de salida 80 °C (igual a la del tanque). La temperatura ambiente es Tₐ = 20 °C. Por el serpentín circula vapor a 12,5 bar. Las características del equipo son las siguientes:

Tanque cilíndrico:

Diámetro D = 0,70 m

Altura H = 1 m

Pared de acero de espesor e₁ = 10 mm

Espesor aislante e₂ = 25 mm

k₁ = 10 W/m·°C (acero)

k₂ = 1 W/m·°C (aislante)

kₙ = 600 W/m²·°C (externo)

Serpentín

D = 10 mm

L = 5 m

Calcular:

a) El calor perdido al ambiente O

b) El calor transferido por el vapor condensante y el caudal másico de vapor

c) El coeficiente pelicular de transferencia de calor h para el serpentín

d) Plantee el balance en estado no estacionario y asumiendo que los coeficientes y propiedades físicas son independientes de la temperatura, calcule, para el caso del arranque, el tiempo que la temperatura dentro del tanque (igual a la de salida) tarda en pasar de 20 °C a 70 °C. Considere que el tanque siempre se encuentra lleno

Una habitación cuyas dimensiones son 4 m × 5 m y su altura es 3 m, está construida con paredes de 10 cm de espesor. Como sistema de calefacción utiliza un serpentín que consiste en un tubo de 14 mm D₁ y 16 mm Dₑ, por el cuál circula vapor saturado a 120 °C. Si la temperatura ambiente es de -27 °C:

a) Calcular la pérdida de calor hacia el exterior y la energía que es necesario suministrar para mantener la habitación a 18 °C (el techo no está aislado)

b) Qué caudal de vapor circula por el serpentín en esas condiciones?

c) El largo requerido para el serpentín

Datos:

h_externo = 50 W/m²·°C; k_pared = 0,6 W/m·°C; Cᵥ = 712,45 J/kg·°C

h_interno = 20 W/m²·°C; k_serpentín = 16 W/m·°C; λ_{120 °C} = 2.200 kJ/kg

h_vapor = 7.200 W/m²·°C

Parte B:

Para la habitación del problema 2 parte A, halle una expresión para estimar el tiempo necesario para que el aire alcance 18 °C partiendo de la temperatura inicial igual a la temperatura ambiente. Cuál es ese tiempo?

Problema 3:

Se bombea agua desde un tanque a otro colocado por encima del primero para usarla posteriormente en una torre de humidificación (ambos tanques son abiertos) La temperatura del agua en el primer tanque es de 170 °F mientras que en el superior es de 70 °F. Durante el trayecto de uno a otro el agua es enfriada con un intercambiador de calor que le extrae 100,5 BTU/lib., y en el cuál hay una caída de presión de 50.000 Pa. La cañería entre los tanques es de 2" Schedule 40 y tiene 50 m de longitud. Existen en la misma dos codos standard de 90°, dos válvulas exclusas abiertas y una válvula globo ½ abierta. Calculare el flujo másico sabiendo que el factor de fricción medio para toda la cañería es de f = 0,006 y se utiliza una bomba de 2 HP de rendimiento del 60 %. (figura 3).

Figura 3: esquema del proceso

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).