Problemes tema 2 (amb resposta) (0)

Ejercicio Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Enginyeria ambiental
Año del apunte 0
Páginas 5
Fecha de subida 14/06/2014
Descargas 5
Subido por

Vista previa del texto

INTRODUCCIÓ A L’ENGINYERIA AMBIENTAL TEMA 2: BALANÇOS DE MATÈRIA SENSE REACCIÓ CURS 2009-10 Problema 2.1.- En una instal·lació de tractament d'aigües residuals industrials es disposa d’un filtre rotatori al buit i un assecador en sèrie funcionant en règim estacionari. S'han de tractar 1000 kg/h d'una suspensió aquosa de CaCO3 al 10% en pes procedents de l'àrea de tractament físico-químic. La suspensió a tractar s'introdueix al filtre obtenint-ne una pasta amb un 60% en pes d’aigua. Aquesta pasta és introduïda a l'assecador, del que surt amb 9 kg d’aigua per cada 100 kg de pasta seca. Si la humitat absoluta de l'aire que entra a l'assecador és de 0.005 kg H2O/kg aire sec i la humitat de l'aire a la sortida és de 0.015 kg H2O/kg aire sec.
a) Dibuixeu el diagrama de blocs pel procés descrit.
b) Calculeu els kg d'aigua eliminats en el filtre i els kg d'aire sec que s'han d'introduir a l'assecador.
Problema 2.2.- La manufactura del nitrat de potassi implica la seva recuperació d’un corrent de KNO3 del 20% en pes.
Durant aquest procés, l’aigua s’evapora donant lloc a un corrent de sortida amb una concentració d’un 50% en pes de KNO3. Aquest corrent s’alimenta a una unitat de cristal·lització que genera un producte de sortida d’un 96% en pes de cristalls de KNO3 (anhidres) i un 4% d’aigua. Com a subproducte s’obté un altre corrent aquós que conté 0.55 kg de KNO3 per kg d’aigua. Aquest corrent de subproductes es barreja amb la solució de KNO3 que entra a l’evaporador. Aquesta recirculació disminueix el consum de matèries primeres i la seva contaminació associada.
a) Dibuixeu diagrama de blocs pel procés descrit anteriorment.
b) Quin és el cabal màssic (kg/h) del corrent de recirculació si el corrent d’entrada al procés és de 5000 kg/h ? c) Quin és l’efecte de la concentració de KNO3 en el corrent de sortida de l’evaporador sobre el cabal de recirculació ? Mostreu aquest efecte dibuixant el cabal de recirculació en funció de la concentració de KNO3 a l’entrada del cristal·litzador.
Problema 2.3. - S’ha pensat en produir un nou carburant a partir de la mescla d’una solució d’alcohol en aigua i gasolina, de manera que es pugui reduir el consum de carburants fòssils, que són una font d’energia no renovable. La matèria primera conté 10% d’alcohol, 85% d’aigua i la resta sòlids. En una primera etapa l’aliment és filtrat per eliminar els sòlids que retenen 1 Kg de solució per Kg de sòlids. El filtrat obtingut es sotmet posteriorment a destil·lació per purificar l’alcohol. En la destil·lació es recupera el 95% de l’alcohol que entra a la columna, essent la seva composició del 98%. El residu de la columna és una solució que conté la resta d’alcohol no recuperat. Finalment, el destil·lat obtingut és mesclat amb la gasolina que conté 0.25% d’aigua donant un carburant amb un 0.8% d’aigua. Si tots els percentatges són màssics, calculeu : a) La quantitat de gasolina necessària per produir 1000 Kg/h del nou carburant.
b) Els Kg d’alcohol continguts en el carburant obtingut per Kg d’alcohol alimentat.
Sòlids Alcohol Aigua Gasolina Aigua C G P Filtre Mesclador D Destil·lat F S Destil.lació Sòlids Alcohol Aigua B Alcohol Aigua Carburant (Alcohol+Gasolina) Problema 2.4.- Les superfícies metàl·liques s’acostumen a netejar dins d’un tanc ple de solvents orgànics i obert a l’atmosfera. Un dels dissolvents més emprats per aquestes operacions és el 1,1,1-tricloroetà (TCA). El TCA pertany a un grup de compostos químics molt estables i que contribueixen a la disminució de la capa d’ozó. Un procés típic de desgreixat seria com el mostrat en la figura adjunta. Les pèrdues per evaporació d’aquest procés s’estimen de 0.6 kg de TCA per kg de TCA que entra en el desgreixador. El solvent que prové del desgreixador s’envia a una unitat de recuperació on es recupera el 80% del TCA, que es recircula al desgreixador. El 20% restant s’envia a una empresa de tractament de residus.
TCA evaporat TCA nou Unitat de recuperació Desgreixador Residu a) Determineu la quantitat de TCA evaporat per kg de TCA fresc usat.
b) Si les pèrdues per evaporació estiguessin entre 0.3 i 0.9 kg de TCA per kg de TCA que entra en el desgreixador, avalueu la variació que això tindria sobre la relació entre el cabal de TCA d'entrada a la unitat de recuperació i el corrent de TCA nou.
Problema 2.5. - El biogàs produït en un reactor anaerobi que tracta purins de porc conté principalment metà (CH4), diòxid de carboni (CO2) i àcid sulfhídric (H2S). Per poder utilitzar el biogàs per generar energia elèctrica a la granja s’ha d’eliminar l’àcid sulfhídric del biogàs segons l’esquema adjunt. Determineu els cabals molars i composicions de tots els corrents 3 1000 kmol/h 5% H2S (v/v) 1.41% CO2 (v/v) CH4 Torre d’Absorció 2 1 4 820 kmol/h H2S CO2 5 1.0% H2S (v/v) 0.3% CO2 (v/v) CH4 6 Problema 2.6.- L’esquema que es dóna a continuació mostra un sistema de recuperació d'acetona.
B 0.125kg/sAigua A Aire pur P 99% acetona 1% aigua Absorbidor Gas Aliment F 3% acetona 1% aigua 96% aire C G 15% acetona 85% aigua Caldera Condensador W 5% acetona 95% aigua Emprant la informació que hi figura, sabent que el sistema es troba en estat estacionari i que els percentatges són en pes, calculeu els cabals F, G, A, W i P, en kg/s i el percentatge d'acetona que es recupera per P, respecte de la que entra per F Problema 2.7.- Una empresa obté com a efluents un corrent aquós de 4 l/h d’un tensioactiu aniònic i un altre corrent aquós de 1 l/h de fosfats amb unes concentracions de 10 i 150 mg/l respectivament. Per tal de poder-los tractar a una EDAR, aquests corrents es fan entrar a un tanc agitat que conté inicialment 10 litres d’aigua lliure de fosfats i de tensioactius aniònics. Si la concentració màxima admissible per l’EDAR de tensioactius és de 6.0 mg/l, determineu quant de temps pot durar aquest procés i quina serà la concentració de fosfats en el tanc en aquest moment. Si el límit admissible pels fosfats és de 50 mg/l, podrà ser admesa per l’EDAR la mescla resultat ? Problema 2.8.- Es sap que la pèrdua de consciència per falta d’oxigen es produeix quan la concentració d’oxigen als pulmons i al sistema traqueobronquial cau per sota l’11%. Calculeu quantes vegades pot respirar un treballador que entra a un pou negre (0% d’oxigen) abans de perdre la consciència. Si l’ajuda arriba a temps, el treballador es pot recuperar si és exposat a l’aire fresc abans que la concentració d’oxigen baixi per sota del 6%. Si una persona que respiri amb normalitat inhala uns 30 l/min a 500 ml/inhalació i el volum total dels pulmons en una persona adulta és de 5.5 litres, de quant temps es disposa per ajudar-lo ? Problema 2.9.- Suposant que la ria d’Avilés es pogués considerar com un paral·lelepípede perfecte de 4 Km de longitud, 300 m d’amplada i 15 m de profunditat, i suposant que la càrrega contaminant actual és de 100000 mg/L, calcula el temps que trigaria en eliminar-ne el 90% de la contaminació, si es considera que es tallen totes les emissions a la ria i que només arriba aigua fresca amb una concentració de contaminants de 50 mg/L i un cabal de 10 m3/s, suposant un comportament del tanc perfectament homogeni.
Problema 2.10.- Una línia de gas passa per l’interior d’un edifici que té un volum d’aire net de 18·106 m3 i que es troba a 32 oC i 1 atm. L’edifici té un sistema de ventilació amb entrada i sortida d’aire dissenyat per operar a dues velocitats ; la velocitat més baixa extreu l’aire amb un cabal de 130·106 m3/h i la velocitat més alta a 382·106 m3/h. El sistema de ventilació treballa normalment a velocitat baixa i passa a velocitat alta en el cas que es produeixi una fuita de gas que faci que aquest arribi a una concentració de l’1.25%.
a) Si es produeix una fuita de gas natural (suposeu que és metà pur) amb un cabal de 22.4·106 m3/h a dins l’edifici, quant de temps trigarà a sonar l’alarma si aquesta es dispara quan hi ha un canvi de velocitats en el sistema de ventilació ? b) Quina és la màxima concentració que s’assoleix si la fuita continua indefinidament ? (La ventilació funcionarà a velocitat alta) c) Si la fuita de gas es talla quan la concentració de gas és del 1.25%, quant de temps es trigarà a rebaixar la concentració de gas al 0.25% si el sistema de ventilació treballa a baixa velocitat ? Problema 2.11.- En una instal·lació per assecar compostatge es volen tractar 1000 Kg/h de compostatge des d’un contingut en aigua del 20 % fins al 5 % (en pes). Per aconseguir-ho s’utilitza aire de xarxa de la planta que té un contingut en aigua del 0.82%.
Per tal de controlar millor el procés d’assecament és convenient que el contingut d’aigua de l’aire a l’entrada de l’equip sigui com a mínim del 4.19 %, per tant s’ha pensat en la possibilitat de recircular part de l’aire humit que surt de l’assecador. Si aquest corrent d’aire humit té una composició del 18.15% en aigua, calculeu el cabal màssic total d’aire de xarxa que necessitarem i el cabal que es recircula.
Tots els percentatges són en pes.
Problema 2.12.- Una bugaderia utilitza 3 m3/d d’aigua. Els detergents afegits i la brutícia del rentat representen una càrrega de contaminant (DQO) per l’aigua de 6 kg O2/d de matèria orgànica. Si el 10 % de l’aigua es perd per evaporació, calcula la concentració de matèria orgànica expressada en mg/l de l’aigua residual.
El límit d’abocament a clavegueram que se li ha imposat a la bugaderia és de 1500 mg O2/l de matèria orgànica. Per això proposen introduir una unitat d’ultrafiltració que divideix el cabal en dos corrents: el filtrat i el rebuig. El filtrat representa un 80 % del cabal i s’enviarà a clavegueram, mentre que el rebuig es sotmetrà a un tractament fisico-químic. Determina el cabal de cada corrent i la concentració del rebuig.
Problema 2.13.- En una empresa es vol separar un contaminant A d’una barreja mitjançant l'extracció d’aquest amb un dissolvent orgànic B.
El contaminant A que s'alimenta al procés va acompanyat del 90% de sòlids , i es mescla amb el dissolvent B en un tanc mesclador en la relació 3 Kg de dissolvent B/ Kg aliment.
El flux de sortida del tanc mesclador passa a un filtre. El precipitat de sortida del filtre (corrent 5) conté 75% de sòlids, i a més els compostos A i B en la mateixa relació en que han sortit del tanc mesclador (corrent 4).
El filtrat obtingut (corrent 6) s'alimenta a un evaporador, on s'evapora el dissolvent B que per reutilitzar-lo es recircula i s'ajunta amb el corrent de dissolvent fresc.
Calculeu: a) Rendiment d'obtenció de A : (Kg de A / Kg aliment) b) Quantitat de dissolvent pur requerit (Kg de B fresc / Kg aliment ) c) Els Kg de dissolvent recirculats / Kg de B fresc d) Les composicions del corrent que surt del tanc mesclador (corrent 4) i del filtrat (corrent 6).
Dades: Tots els % són en pes.
Dissolvent B (1) (8) (2) Aliment (6 (4) M (7 F E A (3) (5) Precipitat Problema 2.14.- Un corrent de sortida d’un procés (1) conté proteïnes (A) d’alt pes molecular (CA=10 g/L) i sals minerals (B) de baix pes molecular (CB= 5g/L). Es pretén recuperar les proteïnes per ultrafiltració en la instal·lació de la figura. La unitat funciona retenint el 99.5% de les proteïnes que entren recirculant-se una part i obtenint un corrent producte (5).
L’ultrafiltre és “transparent” a les sals, de manera que no queden retingudes i la seva concentració és la mateixa als dos costats de la membrana. En condicions d’operació satisfactòria, el corrent (2) és de 150 L/h amb una concentració de proteïnes CA= 18 g/L i el corrent (3) conté una concentració de proteïnes CA= 0.3 g/L.
B a) Determineu el cabal d’aliment fresc (1) que es pot processar i el cabal i composició del corrent (5) b) En un moment donat augmenta sobtadament el cabal i la concentració de proteïnes a l’entrada de manera que el cabal del corrent (1) puja a 150 L/h i la concentració de proteïnes a 20 g/L, mantenint-se la mateixa concentració de sals.
Donat que aquesta concentració és massa elevada per una operació correcta de l’ultrafiltre, es desvia ràpidament el corrent (1) cap a un gran tanc agitat que contenia 1100 L d’aigua amb proteïnes amb una concentració de 120 g/L.
Determineu la concentració de sals i proteïnes en el tanc després d’una hora i mitja de començar a alimentar el cabal (1) al tanc.
Nota.- Considereu la densitat de totes les dissolucions constant i igual a la de l’aigua.
Utilitzeu les expressions dels balanços de matèria per resoldre el problema.
Membrana UF 1 2 3 6 4 5 SOLUCIONS Problema 2.1 b) Kg aigua eliminats=750 Kg/h Kg aire sec= 13820 Kg/h Problema 2.2 b) Corrent de recirculació=3304.6 Kg/h Problema 2.3 a) Benzina=685.7Kg/h b) Kg d'alcohol carburant/Kg d'alcohol alimentats=0.9 Problema 2.4 a) TCA evaporat/TCA fresc=0.882 b) 0.11 ≤ TCA evaporat/TCA nou ≤ 1.59 Problema 2.5 n3=180 Kmol/h n4=768.23 Kmol/h n5=948.23Kmol/h n6=51.77 Kmol/h xCO2 en 4=3.992 . 10-4 xH2S en 4=6.310 . 10-4 xH2S en 6=0.7826 xCO2 en 6=0.2174 Problema 2.6 F=0.781 Kg/s G=0.156 Kg/s A=0.75 Kg/s W=0.14 Kg/s P=0.017 Kg/s % recuperació=70 % Problema 2.7 Temps= 6 h C= 22.5 mg/l Problema 2.8 a) Inhalacions=7 b) Temps d'ajuda=0.23 min Problema 2.9 a) Temps = 48.1 dies Problema 2.10 a) t= 0.62 min b) Concentració= 5.86 % c) t= 13.38 min Problema 2.11 Cabal d'aire de xarxa = 745.7 Kg/h Cabal que es recircula = 180 Kg/h Problema 2.12 Aigua residual C=2222.2 mg O2/l Cabal rebuig = 540 l/dia, concentració = 5111.1 mg O2/l, cabal filtrat = 2160 l/dia Problema 2.13 a) 0.0896 b) 0.2896 c) 9.359 d) W4,S = 0.225 ; W4,A = 0.025 ; W4,B = 0.75 W6,S = 0; W6,A = 0.0323; W6,B = 0.9677 Problema 2.14 a) m1 = 73 Kg/h m5 = 28 Kg/h ; C5,A = 25.59 g/l ; C5,B = 5.0 g/l b) CA = 103.022 g/l ; CB = 0.849 g/l B ...