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Termodinámica 1 (EIQ 201)

04/09/2008

Termodi Termo diná námi mica ca 1 (EII) (EI I) Segundo semestre semestr e 2008

Balance de Masa

Contenidos

2.1 Principio de Conservación de la Masa 2.2 2.2 Sistemas Sistemas con múlti ples unidades Recirculación, Derivación y Purga Escalamiento 2.3 Balance de Masa con Reacción Química Ecuaciones estequiométricas y reactivo limitante Conversión Reacciones múltiples Rendimiento y Selectividad 2.4 Balance atómi co 2.5 Reacción de Combustión Oxigeno teórico Combustión completa e incompleta Composición en base húmeda y base seca 2

Profesor: Lui s Vega Alarcón Alarcón

2.1 2. Princ Princ rincipio ipio de de Conservación Conservación Conservació ción n 2.1 2. 11 Princ P Conserva de la la Masa Masa de

Proceso químico

“La masa no se crea cr ea ni se destruye destru ye

N corrientes de e ntrada ntrada

” solo se transforma

M corrientes de salida

Para un proceso químico la ecuación general de balance de Este principio es aplicable a cualquier material, para la

masa es:

masa total del sistema o para cualquier especie atómica o molecular involucrada con éste. Aplicable a una única unidad de proceso, varias unidades, o a una planta o

(Entradas) + (Generación) − (Salidas) − (Consumo) = ( Acumulación)

complejo industrial. 3

4


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Si el proceso opera en forma estacionaria (o permanente), no hay acumulación de materia dentro del sistema.

Sistema Abierto Abiert o

(Entradas) + (Generación ) = (Salidas) + (Consumo ) Los términos de generación y consumo son nulos si la cantidad sometida a balance es la masa total o si no es un reactivo o producto de reacción, o si no hay reacción química dentro del sistema:

N corrientes de entrada

M corrientes de salidas

Los balances de masas, de los proceso químicos que clasifican como sistemas abiertos, indican lo que sucede en un instante dado y cada uno de sus términos es un termino de velocidad, por ejemplo:

(Entradas ) = (Salidas )

⎡ gr SO 2 ⎤ ⎢⎣ s ⎥⎦ 5

6

Se sugiere el siguiente procedimiento para los cálculos de balance balance de masa, masa, una vez vez conocida conocida la descrip descripción ción del del proceso, el valor de varias variables de proceso, y la lista de

Sistema

cantidades a determinar (incógnitas):

Cerrado

proceso, las 1) Representar en un diagrama esquemático el proceso, variables conocidas y las incógnitas. 2) Elegir como base de cálculo una cantidad o flujo de una Por otra parte, los balances de masa para sistema cerrados describen lo qué ocurre entre dos instantes. instantes. Sus términos son cantidades de sustancia y posee las unidades correspondientes, por ejemplo:

de las corrientes de proceso. 3) Convertir volúmenes o flujos volumétricos conocidos a cantidades másicas o molares. 4) Formular las ecuaciones de balance masa. El número máximo de ecuaciones linealmente indepen-

[gr SO2 ]

dientes que pueden formularse para un sistema sin reacción química equivale al número de especies 7

químicas presentes.

8


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5) Traducir a ecuaciones toda otra información relacionada

Columnas de Destilación

al proceso que sirva para resolver el problema. 6) Resolver el sistema de ecuaciones formulado. Para que el sistema de ecuaciones formulado tenga una solución única se deben tener un número de ecuaciones independientes igual al número de incógnitas. Si hay mas incógnitas

que

ecuaciones

el

sistema

se

encuentra

subderteminado o subespecificado, si por el contrario hay mas ecuaciones que incógnitas el sistema esta sobredeterminado.

9

10

Problema. Se alimenta a una columna de destilación 1000 mol/min de una mezcla con una composición 50% molar de benceno y el resto de tolueno, para obtener una corriente de destilado con un 98% molar de benceno, y una corriente de fondo con un 10% molar de benceno. Calcular el flujo molar de la corriente de destilado.

Condensador Acumulador de Reflujo

Destilado Alimentación

1) Representar un diagrama del proceso. D 98% Benceno

1000 mol/min 50% Benceno 50% Tolueno

Fondo Rehervidor

10% Benceno 11

F

12


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2) Elegir la base de cálculos.

2.2 Sistemas Sistemas múltiples múltiples unidades unidades 2.2

B.C.: 1000 mol/min de la corriente de alimentación. 3) No es necesario realizar transformaciones de unidades

Cuando se está analizando una parte del proceso

ya que todos los datos son expresados en términos de

integrado por múltiples unidades, los balances se deben

moles.

formular primero sobre aquellos sistemas que tengan el

D 98% Benceno

4) Formular balance de masas. B.M. Total:

1000 = D + F

B.M. Benceno: 500 = 0.98 D + 0.10 F

menor número de variables desconocidas (incógnitas).

1000 mol/min 50% Benceno 50% Tolueno

5) Resolución del sistema de ecuaciones:

10% Benceno

Separador

Reactor

F

⎡ mol ⎤ ⎣ min ⎥⎦

D = 454.55⎢

13

Evaporadores

14

Un evaporador es una unidad de operación en el cual se pone en contacto indirecto una solución y vapor; el vapor calienta la solución y elimina por ebullición una porción del disolvente, dejando a la solución más concentrada. H2O (Vap)

Solución

15

Solución más concentrada

H2O (Vap)

16


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Un evaporador de múltiples efectos consiste en una serie de evaporadores conectados entre si (llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más concentrada en cada unidad.

Ejemplo (Nº37 Cap5). Un evaporador de triple efecto se emplea para producir agua potable a partir de agua de mar, la cual contiene 4.0% en peso de sal (la sal puede considerarse como formada exclusivamente por NaCl en este problema). Cuarenta mil libras por hora de agua de mar se alimenta al 1er efecto del evaporador. A continuación se incluye un diagrama simplificado del pr oceso. H2O(v)

er

40000 lb/hr

H2O(v)

H2O(v)

do

1 EFECTO

er

2 EFECTO

3 EFECTO

4% peso de NaCl

2% molar de NaCl

17

H2O(v)

40000 lb/hr

1er EFECTO

H2O(v)

2do EFECTO

3er EFECTO

40000 lb/hr 2% molar de NaCl

Vapor

Vapor

Vapor

18

Vapor

1) Representar un diagrama esquemático del proceso.

H2O(v)

4% peso de NaCl

Vapor

Vapor

La composición de la solución que abandona el 3 er 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. Se obtiene una lectura de 0.02. Se elimina por ebullición aproximadamente la misma cantidad de agua en cada uno de los efectos. Calcular las lb m/hr de eliminación por ebullición en cada efecto y el porcentaje en peso de NaCl en 19 la solución que abandona el segundo efecto.

Mv

Mv

1 EFECTO

2 EFECTO

er

do

Mv

S2

er

3 EFECTO

4% peso de NaCl

S3 2% molar de NaCl

2) Elegir la base de cálculos. B.C.: 40000 lbm/hr de salmuera en la alimentación. 3) Conversión la composición molar a composición en peso. Tomando como base para esta conversión 100 lb-mol de salmuera a la salida del tercer efecto. Compuesto NaCl H2O

n [lb-mol] 2

P.M 58,45

m [lb] 116,90

% masico 0,0621

98

18,02

1765,96

0,9379

1882,86

20


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4) Plantear y resolver balances de masas.

Considerado como sistema al 3 er efecto.

Considerando como sistema el evaporador completo:

40000 lb/hr

Mv

Mv

1er EFECTO

2do EFECTO

S2

3er EFECTO

4% peso de NaCl

40000 lb/hr

S3 2% molar de NaCl

Mv

1 EFECTO

2 EFECTO

(0.04)(40000) = (0.0621) ⋅ S3

B.M. NaCl :

Mv

er

do

S2

er

3 EFECTO

4% peso de NaCl

B.M. Total :

40000= 3⋅ MV + S3

B.M. Total :

Mv

Mv

S3 6.21% peso de NaCl

S2

= MV + S3

S2

lb = 4745 + 25765 = 30510 ⎡⎢ m ⎤⎥ ⎣ hr ⎦

Resolviendo obtenemos:

S3

lb = 25765⎡⎢ m ⎤⎥ ⎣ hr ⎦

y

Mv

lb = 4745⎡⎢ m ⎤⎥ ⎣ hr ⎦

21

La cantidad de sal que entra al primer efecto es igual a la que sale del segundo efecto: Mv

Mv

22

Recircul ación, derivación y purga Comúnmente encontramos en los procesos de nuestro

Mv

interés recirculaciones, derivaciones y purgas. 40000 lb/hr

er

1 EFECTO

do

2 EFECTO

S2

er

3 EFECTO

4% peso de NaCl

S3 6.21% peso de NaCl

H2O Evaporador

Cristalizador con filtro

Torta

Recirculación

⎡ Fracción en peso ⎤ Masa de NaCl (0.04)(40000) = ⎢ de NaCl en el 2º efecto⎥ = S2 30510 ⎣ ⎦

Flujo de Al im ent aci ón

⎡ Fracción en peso ⎤ ⎢ de NaCl en el 2º efecto⎥ = 0.0524 ⎣ ⎦ Luego, el porcentaje en peso de NaCl en la solución que sale del segundo efecto es 5.24%.

Al im ent aci ón fresca

23

Intercambiador de Calor

Derivación

24


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Purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumu-

Escalamiento

lación de sustancias inertes o indeseables que de otra manera se acumularían en el flujo de reciclaje.

Para un proceso balanceado los flujos másicos (pero no

Purga

las fracciones másicas) de todas las corrientes pueden multiplicarse por un factor común y el proceso permanecerá balanceado.

Reactor Condensador

Tanto los puntos de mezcla como los puntos de separación cumplen el principio de conservación de la masa.

Cristalizador

25

La operación de cristalización es aquella por media de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida

en

forma

de

cristales que precipitan.

26

Ejemplo (Nº41 Cap5). Un proceso de evaporación-cristalización se emplea a fin de obtener sulfato de potasio sólido a partir de una solución acuosa de esta sal. La alimentación fresca al proceso contiene 18.6% en peso de K 2SO4. La torta húmeda del filtro consiste de cristales sólidos de K 2SO4 y una solución de K2SO4 al 40% en peso, según una relación de (10 lb m de cristales) por (1 lbm de solución). El filtrado, también una solución al 40% en peso se recircula para que se una a la alimentación fresca. Se evapora un 42.66% del agua que entra al evaporador. H2O

Filtro

Evaporador

18.6% K2SO4 81.4% H2O

27

Cristalizador

Solución 40% K2SO4

Torta Humeda

28


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Si el evaporador posee una capacidad máxima de 100 lb m de

a)

F3

H2O

agua evaporada por minuto: a) Calcular la máxima cantidad de K2SO4 sólido producido, la

Evaporador

Filtro

cantidad de alimentación fresca que se debe suministrar para lograr esta producción y la relación (lb m de recirculación/lbm de alimentación fresca). b) Calcular la composición y el flujo de alimentación de la

18.6%K2SO4 81.4%H2O

F6 Torta Seca F2

F7 Solución 40%

Cristalizador

F4

F1

F5

corriente que entra al cristalizador si el proceso se escala a un 75% de su capacidad máxima.

Para tener la máxima producción de K2SO4 sólido es necesario evaporar la máxima cantidad de vapor, luego:

⎡ lbm ⎤ ⎣ min⎥⎦

F3 = 100 ⎢ 29

B.C: 100 [lbm/min] de agua evaporada.

Resolviendo:

F1 = 100 + 11F7

Tomando como sistema el proceso completo. F3 = 100

0.186 F1

H2O

Luego: F 6

Evaporador

Filtro

18.6%K2SO4

F6 Torta Seca

81.4%H2O

F7 Solución 40%

F2

F4

Cristalizador

= 10.4 F7

lb = 22.3⎡⎢ m ⎤⎥ ⎣ min⎦ 100

F1

30

⎡ lbm ⎤ ⎣ min⎥⎦ ⎡ lb ⎤ F7 = 2.23⎢ m ⎥ ⎣ min⎦

F1 = 124.53⎢

H2O

Evaporador

Filtro

F5

22,30 Torta Seca

18.6%K2SO4 81.4%H2O

B.M.Total:

F1 = F3 + F6 + F7

F1 = 100+ 11F7

B.M.K2SO4 :

0.186F1 = 10F7 + 0.4 F7

0.186 F1

= 10 .4 F7

F2

F4

2,23 Solución 40%

Cristalizador

124,53 31

F5

32


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Considerando como sistema el punto de mezcla: 100

Resolviendo las tres ecuaciones anteriores, encontramos:

F5 = 221.79⎢

Evaporador

124.53 + F5 = F2

Filtro 22,30 Torta Seca

18.6%K2SO4 81.4%H2O

F2

F4

2,23 Solución 40%

Cristalizador

101.34 + 0.6F5 = xH2O(2)F2 0.4266 ⋅ xH2O(2) ⋅ F2

124,53 F5

xH2O(2)

= 100

=

100 = 0.677 (0.4266)(346.32)

Solución 40% K2SO4

B.M.Total : 124.53 + F5 = F2

Luego, la relación de reciclaje es:

⎡ lbm ⎤ ⎣ min⎥⎦ = 1.78 = (lbm de alimentación fresca) 124.53⎡ lbm ⎤ ⎢⎣ min⎥⎦

0.814(124.53) + 0.6F5 = xH2O(2)F2

B.M.Agua :

⎡ lbm ⎤ ⎣ min⎥⎦ ⎡ lb ⎤ F2 = 346.32⎢ m ⎥ ⎣ min⎦

H2O

(lbm de recirculación)

Como se evapora 42.66% del agua que entr a al evaporador:

0.4266 ⋅ xH2O(2) ⋅ F2

= 100

33

b) Considerando como sistema el evaporador: 100

221.79⎢

34

Al escalar el proceso a un 75% tendremos que el flujo de alimentación será el 75% del que calculamos, mientras que

H2O

todas la composiciones permanecen iguales. Evaporador

F4* 22,30 Torta Seca

18.6%K2SO4 81.4%H2O

lb = (0.75)(246.32) = 184.74⎡⎢ m ⎤⎥ ⎣ min⎦ Fracción en peso de K2SO4 = 0.454 Fracción en peso de H2O = 0.546

Filtro

F2

F4

2,23 Solución 40

Cristalizador

124,53

75 lb/min

F5 =221,79

H2O

Solución 40% K2SO4

B.M. Total : 346.32 = 100 + F4

F4

lb = 246.32⎡⎢ m ⎤⎥ ⎣ min⎦

Evaporador

=

(1− 0.677)(346.32) 246.32

16,70 Torta Seca

18.6%K2SO4

B.M. K2SO4 : (1- 0.677)(346.32) = xK2SO4 ( 4) (246.32)

xK2SO4 (4)

Filtro

81.4%H2O

F2

184,74

Cristalizador

1,67 Solución 40

93,40

= 0.35454

F5 =166,34

Solución 40% K2SO 4

36


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La estequiometría es la teoría de las proporciones en las

2.3 Balance Balance de de Masa Masa con con 2.3 Reacción Química Química Reacción

que se combinan entre sí las especies químicas. La ecuación estequiométrica de una reacción química es una afirmación acerca de la cantidad relativa de moléculas o moles de reactivos y productos que participan en la reacción.

(Entrada ) + (Generación ) = (Salida ) + (Consumo )

2SO2 + O2

→ 2SO3

Los coeficientes estequiométricos son los números que preceden a las formulas de las especies participantes en la

“La aparición de una reacción química en un proceso

reacción.

impone las restricciones adicionales entregada por la

Una ecuación estequiométrica debe estar balanceada para

ecuación estequiométric a de la reacción”

ser válida; es decir, el número de átomos de cada especie atómica debe ser el mismo a ambos lados de la ecuación, ya que los átomos no se crean ni se destruyen durante la 37

reacción química.

Proporciones estequiométricas. Corresponde a la situación

38

Conversión

en que la relación de los moles de los reactivos presentes es equivalente a la relación estequiométrica obtenida a partir de la

Las reacciones químicas no se llevan a cabo en forma

ecuación balanceada de la reacción. Si los reactivos se

instantánea, es más, muchas de ellas son muy lentas. Por

alimentan a un reactor en proporción estequiométrica y la

esta razón en muchos casos, no resulta practico diseñar

reacción se completa, todos los reactivos se consumen.

un reactor para una conversión completa del reactivo

Reactivo limitante. Se define al reactivo que está presente en

limitante.

una proporción menor que la estequiométrica respecto de los

La fracción de conversión de un reactivo ( f) se define como:

otros reactivos. Significa que al correr completamente la reacción este reactivo será el que primero desaparezca. Reactivo en exceso. Son todos los restantes reactivos. (% en exceso de un reactivo) =

nest: lo define el reactivo limitante.

(n - n est ) n est

f =

⋅ 100

moles consumidos del reactivo limitante moles alimentados del reactivo limitante

La fracción sin reaccionar del reactivo esta dado por (1 - f). 39

40


04/09/2008

Reactores

Los reactores de tanque ( autoclaves ) son los reactores que

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones

químicas.

Dicha

unidad

procesadora

esta

constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con

más prevalecen, pues se adaptan bien a la operación discontinua o continua y a velocidades de producción pequeñas o medias, dentro de un amplio intervalo de presiones y temperaturas.

líneas de entrada y salida para sustancias químicas.

41

42

Tanque con agitación continua. Este reactor consiste en un

Problema (Nº53 Cap5). En una planta industrial se lleva a

tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y

cabo la reacción entre el metanol y el oxígeno para formar

desde el cual sale continuamente el material que ha reaccio-

formaldehído y agua, produciéndose cinco millones de

nado. La agitación del contenido es esencial para producir una

kilogramos de formaldehído por año, operando 350 días al

mezcla uniforme de los reactivos.

año, 24 horas al día. El oxigeno alimentado al reactor se halla en un 25% de exceso respecto de la cantidad requerida teóricamente para la reacción con la alimentación de metanol, y la conversión de metanol es de 95%. Calcular la alimentación de oxigeno requerida en kg/h. Metanol O2

Reactor

5 · 106 kg/año de formaldehído

25% exceso 43

2 ⋅ CH3 OH + O 2

→ 2 ⋅ CH2 O + 2 ⋅ H2 O

44


n1 n2

04/09/2008

5 · 106 kg/año de CH2O n3

CH3OH Reactor

O2

n2

25% exceso

Reactor

O2

→ 2 ⋅ CH2 O + 2 ⋅ H2 O

Calculo del CH3OH alimentado. n CH3OH(Est )

⎡ kg ⎤ ⋅ 1 [año] ⋅ 1 [día] 5 ⋅ 10 ⎢ ⎣ año ⎥⎦ 350 [día] 24 [hr ] = 19.82⎡ kg − mol ⎤ n3 = ⎢⎣ hr ⎥⎦ ⎡ kg ⎤ 30.03 ⎢ ⎥ ⎣ kg − mol ⎦ 6

n1 = 45

Calculo del O2 alimentado al reactor.

2 ⋅ CH3 OH + O 2

19.82 kg-mol/hr CH2O n3

25% exceso

2 ⋅ CH3 OH + O 2

Calculo de los kg-mol/hr de formaldehído n3.

n2

CH3OH

n1

⎡ kg − mol de CH2O ⎤ 2 [kg − mol de CH3 OH] = 19.82 ⎢ ⎥ ⋅ 2 [kg − mol de CH O] hr ⎣ ⎦ 2 ⎡ kg − mol de CH3 OH ⎤ = 19.82 ⎢ ⎥ hr ⎣ ⎦

⎡ kg − mol de CH3 OH ⎤ ⎥ hr ⎣ ⎦ = 20.86 ⎡ kg − mol de CH3OH ⎤ ⎢ ⎥ 0.95 hr ⎣ ⎦ 46

19.82⎢

Conversión global y por paso

→ 2 ⋅ CH2 O + 2 ⋅ H2 O

1[kg − mol de O 2 ] ⎡ kg − mol de CH3 OH ⎤ = (1.25)(20.86)⎢ ⎥ ⋅ 2 [kg − mol de CH OH] hr ⎣ ⎦ 3 ⎡ kg − mol de O 2 ⎤ = 13.04⎢ ⎥ hr ⎣ ⎦

Una configuración comúnmente utilizada para recuperar los reactivos no consumidos es colocar a la salida del reactor una unidad de separación. Entrada de reactivo al proceso Producto

Alimentación Fresca

Luego, el flujo másico del O 2 en la alimentación es: Reactor Unidad de Separación

⎡ kg − mol de O 2 ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ m2 = 13.04 ⎢ ⎥ ⋅ 32⎢ kg − mol ⎥ = 417.28 ⎢⎣ hr ⎥⎦ hr ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

47

Recirculación con los reactivos no consumidos

48


04/09/2008

Entrada de reactivo al proceso

⎛ Entrada de ⎞ ⎛ Salida de ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ reactivo al ⎟ − ⎜ reactivo del ⎟ ⎛ Conversión ⎞ ⎜⎝ reactor ⎠⎟ ⎜⎝ reactor ⎠⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎛ Entrada de ⎞ ⎝ por paso ⎠ ⎜ ⎟ ⎜ reactivo al ⎟ ⎜ reactor ⎟ ⎝ ⎠

Producto

Alimentación Fresca Reactor

Unidad de Separación


Entrada de reactivo al proceso

Para este arreglo se emplean dos definiciones de conversión del reactivo limitante :

⎛ Entrada de ⎞ ⎛ Salida de ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ reactivo al ⎟ − ⎜ reactivo del ⎟ ⎛ Conversión ⎞ ⎜⎝ proceso ⎠⎟ ⎜⎝ proceso ⎠⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎛ Entrada de ⎞ ⎝ global ⎠ ⎜ ⎟ ⎜ reactivo al ⎟ ⎜ proceso ⎟ ⎝ ⎠

Reactor

50

Los términos rendimiento y selectividad se emplean para describir el grado en que predomina una reacción deseada

En la mayoría de los procesos químicos, se mezclan los reactivos con el objeto de obtener el producto deseado en una única reacción; sin embargo, los reactivos suelen combinarse en más de una forma, y el producto una vez formado puede a su vez reaccionar para formar algo menos deseable. Estas reacciones laterales tienen como resultado una pérdida económica, ya que se obtiene menos producto deseado para una cantidad dada de materias

→ C 2H 4 + H 2 C 2H6 + H2 → 2CH4 C 2H4 + C 2H6 → C 3H6 + CH4

Unidad de Separación


49

Reacciones Múltiples

primas.

Producto


C 2H 6

sobre las reacciones laterales que compiten con ella.

⎛ Rendimiento basado ⎞ Moles formado de producto deseado ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎝ enlaalimentación ⎠ Moles alimentado del reactivo limitante ⎛ Rendimiento basado ⎞ ⎜ ⎟ Moles formado de producto deseado ⎜ enel consumo de ⎟ = ⎜ reactivo ⎟ Moles consumidodel reactivo limitante ⎝ ⎠

(Selectividad) = 51

Moles formado de producto deseado Moles formado de producto indeseado 52


04/09/2008

Problema (Nº61 Cap5). Se produce óxido de etileno mediante la oxidación catalítica de etileno:

2.4 Balance Balance atómico atómi co 2.4

C2H4 + 21 O2

Como los átomos no pueden crearse ni destruirse en una reacción química, los balances sobre especies atómicas pueden formularse simplemente como:

→ C2H4O

Una reacción competitiva indeseable es la combustión del etileno:

C2H4 + 3O2

→ 2CO2 + 2H2O

La alimentación al reactor (no la alimentación fresca al proceso) contiene 75% molar de C2H4 y el resto de O2. La conversión fraccionaria de etileno en el reactor es 20%, y el

(Entrada ) = (Salida ) Los balances sobre especies atómicas son recomendables cuando ocurren varias reacciones en forma simultánea.

rendimiento del oxido de etileno, en base al etileno consumido, es de 80%. Se emplea una unidad de separación para separar los productos: se recirculan el C2H4 y el O2 nuevamente al reactor; el C2H4O se vende como

53

producto, mientras que el CO2 y el H2O se descartan.

Calcular el flujo molar de O 2 y C2H4 en la alimentación fresca

C2H4

necesarios para producir 1500 kg/hr de C2H4O. También, calcular la conversión global y el rendimiento global basado en la alimentación de etileno.

O2

C2H4 O2

Reactor

C2H4

75% C2H4

O2

25% O2

r o d a r a p e S

¿?

Reactor

C 2H4

75% C 2H4

O2

25% O2

r o d a r a p e S

54

1500 kg /hr C 2H4O

CO2

1500 kg/hr

H2O

C2H4O

Las reacciones La conversión

C2H4 + O2 1 2

C2H4 + 3O2

→ C2H4O → 2CO2 + 2H2O

20% de conversión del etileno

CO2

Sustancias no reactivas

H2O

Dato: El peso molecular del oxido de etileno es 44.05.

55

56


04/09/2008

Considerando al reactor como sistema:

n5 C2H4 n4 O2 n3

Reactor

n2 C2H4

75% C 2H4

n4 O2

n1 O2

25% O2

n5 C2H4

C2H4 + 21 O2

C2H4 + 3O2

→ C2H4O → 2CO2 + 2H2O

n5 C2H4

r o d 1500 kg/hr a r a p C2H4O e S

n6 C2H4O

n7 CO2

n7 CO2

n8 H2O

n4 O2 n3

Reactor

n2 C2H4

75% C2H4

n4 O2

n1 O2

25% O2

n5 C2H4

n8 H2O

r o d a r a p e S

34,05 C 2H4O

n6 C2H4O

n7 CO2

n7 CO2

n8 H2O

n8 H2O

B.C.: 1500 kg/hr de C2H4O producido.

n6 =

⎡ kg⎤ ⎣ hr ⎥⎦

1500⎢

⎡ kg ⎤ 44.05⎢ ⎥ ⎣ kg− mol ⎦

B.A.C: (1) (0.75) ⋅ n3 ⋅ (2) = n5 ⋅ (2) + (34.05)(2) + n7

⎡ kg − mol ⎤ = 34.05⎢ ⎣ hr ⎥⎦

B.A.H: (2) (0.75) ⋅ n3 ⋅ (4) = n5 ⋅ (4) + (34.05)(4) + n8 ⋅ (2) 57

B.A.O: (3) (0.25) ⋅ n3 ⋅ (2) = n4 ⋅ (2) + 34.05 + n7 ⋅ (2) + n8

n5 C2H4

n5 C2H4

n4 O2 n3 n2 C2H4 n1 O2

Reactor

n4 O2

75% C2H4

n4 O2

25% O2

n5 C2H4

r o d a r a p e S

34,05 C 2H4O

n3

Reactor

n2 C2H4

75% C2H4

n4 O2

n1 O2

25% O2

n5 C2H4

n7 CO2

n6 C2H4O

n7 CO2

n8 H2O

n7 CO2

n8 H2O

n8 H2O

El rendimiento del etileno en base al etileno consumido es del 80%.

(moles consumidos de C2H4 ) Fracciónde conversión = (moles alimentado de C2H4 ) 0.75n3 − n5 0.75n3

34,05 C 2H4O

n7 CO2

La fracción de conversión del 20%

0.2 =

r o d a r a p e S

n6 C2H4O n8 H2O

(4)

58

⇒ n5 = 0.6n3

Rendimiento= (5) 59

0.8 =

(molesformadosdeC2H4O) (molesconsumidosdeC2H4 )

34.05 0.75n3 − n5

⇒ 34.05= 0.6n3 − 0.8n5 60


04/09/2008

Considerando el punto de mezcla como sistema: Resolviendo el sistema de 5 ecuaciones obtenemos:

n5 C2H4 n4 O2

n3 = 283.75[kg − mol]

= 28.37[kg− mol] = n5 170.25[kg − mol]

n3

n4

n2 C2H4 n1 O2

n7 = 17.03[kg− mol]

Reactor

75% C 2H4

n4 O2

25% O2

n5 C2H4

n8 = 17.03[kg− mol]

o d a r a p e S

34.05

C2H4O

n6 C2H4O

n7 CO2

n7 CO2

n8 H2O

n8 H2O

B.M. al O2:

⎡ kg − mol ⎤ ⎣ hr ⎥⎦

n1 + 28.37 = (0.25)(283.75) ⇒ n1 = 42.57⎢

B.M. al C2H4 :

Luego, en la alimentación fresca se tienen 42.57 kg-mol/hr de O2 y 42.56 kg-mol/hr de C2H4. La conversión y rendimiento global son:

⎛ Moles de reactivos ⎞ ⎛ Moles de reactivo ⎞ ⎜ ⎟-⎜ ⎟ ⎡Conversión⎤ ⎜⎝ alimentado al proceso ⎠⎟ ⎜⎝ que salen del proceso ⎠⎟ = ⋅ 100 ⎢ Global ⎥ ⎛ Moles de reactivos ⎞ ⎣ ⎦ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ alimentado al proceso ⎠ ⎡Conversión⎤ n 2 − 0 ⎢ Global ⎥ = n ⋅ 100 = 100% ⎣ ⎦ 2

⎡ kg− mol ⎤ ⎣ hr ⎥⎦

n2 + 170.25 = (0.75)(283.75) ⇒ n2 = 42.56⎢

61

62

2.5 Reacción Reacción de de Comb Combusti ón 2.5 ust ión La reacción de combustión debe ser una de las más importantes en la industria de procesos relacionados con las transformaciones de la materia. Su importancia radica en la gran cantidad de calor que libera, calor que se emplea generalmente para producir vapor, el cual posteriormente se ocupa para satisfacer requerimientos específicos de la planta industrial. La combustión es la reacción química de un combustible con

⎡Re n dim iento⎤ Moles formados del producto deseado ⋅ 100 ⎢ Global ⎥= Moles alimentado s de C 2H4 ⎣ ⎦ ⎡Re n dim iento⎤ 34.05 ⎢ Global ⎥ = 42.56 ⋅ 100 = 80% ⎣ ⎦

oxigeno.

O2

Combustible 63

Cámara de Combustión (Reacción Química)

Calor

Gases de Chimenea 64


04/09/2008

Caldera

65

Los combustibles comúnmente empleados ( ya sean sólidos, líquidos o gaseosos) están conformados principalmente por carbono, hidrógeno, azufre y materiales no combustibles. El aire es la fuente de oxígeno en la mayoría de las reacciones de combustión. La composición molar del aire es:

66

El producto gaseoso que abandona la cámara de combustión se conoce como humos, gases de combustión o gases de chimenea . La composición de estos gases se expresa sobre las siguientes bases:

% molar

Composición en base húmeda . Corresponde a la

N2

78,03

fracción molar de los componentes de un gas

O2

20,99

considerando al agua (vapor) contenida en el gas.

Ar

0,94

Composición en base seca . Corresponde a la

CO2

0,03

H2, He, Ne,Kr, Xe

0,01

fracción molar de los componentes de un gas sin considerar el agua.

Compues to

Para efecto de cálculo resulta aceptable simplificar la composición a 79% molar de N2 y 21% de O2, con un peso molecular de 29. 67

68


04/09/2008

En la reacción de combustión (reacción química) los elementos constituyentes del combustible reaccionan para formar:

Si la reacción de combustión evoluciona formando solamente CO2 se denomina combustión completa. Ejemplo: Combustión completa del propano.

C

CO2

H

H2O

S

SO2

N

NOx

y/o

CO

C 3 H8

+ 5 ⋅ O 2 → 3 ⋅ CO 2 + 4 ⋅ H2O

Si la reacción de combustión evoluciona formando CO se denomina combustión parcial o combustión incompleta . Ejemplo: Combustión parcial del propano

C 3H 8

+ 72 ⋅ O 2 → 3 ⋅ CO + 4 ⋅ H2O

A temp erat ur as > 1800 ºC 69

Las reacciones de combustión se lleva invariablemente a cabo en presencia de exceso de aire respecto a la cantidad necesaria para proveer oxigeno en proporción estequiométrica al combustible. Oxígeno teórico . Son los moles o flujo molar de O 2

necesario para una combustión completa de todo el combustible alimentado al reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida a CO 2 y todo el hidrógeno se oxida a H2O. Aire teórico es la cantidad de aire que contiene al oxígeno teórico.

C 3 H8 500 mol

70

Ejemplo. Se queman 1000 [mol/s] de etano con oxígeno en exceso. Determine la cantidad de oxígeno teórico: a) Si el combustible reacciona completamente formando solamente CO2 y H2O. 7

C2H6 + 2 O2

→ 2 CO2 + 3H2O

⎛ Oxígeno ⎞ mol ⎜⎜ ⎟⎟ = (3.5)(1000) = 3500 ⎡⎢ ⎤⎥ Teórico s ⎦ ⎣ ⎝ ⎠ b) Si solo el 80% del combustible reacciona formando solamente CO2 y H2O. El mismo. c) Si el 50% del combustible reacciona formando CO2 y el restante 50% forma CO. 3

+ 5 ⋅ O 2 → 3 ⋅ CO 2 + 4 ⋅ H2O

C2H6 + 2 O2

¿? 71

El mismo.

→ 2CO + 3H2O 72


04/09/2008

Ai re en exc eso . Es la cantidad en que el aire alimentado al

reactor excede al aire teórico

⎛ Moles de O 2 ⎞ ⎛ Moles de O 2 ⎞ ⎜ ⎟−⎜ ⎟ ⎛ Porcentaje de ⎞ ⎜⎝ alimentado ⎠⎟ ⎜⎝ teorico ⎠⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⋅ 100 ⎛ Moles de O 2 ⎞ ⎝ O 2 en exceso ⎠ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ teorico ⎠

Problema (Nº73 Cap5). Se quema hexano con exceso de aire. Un análisis del gas producto da la siguiente composición molar en base seca:

Compuesto

N2

CO2

O2

C6H14

%molar

83

9.1

7.6

0.3

Calcular el exceso porcentual de aire alimentado al reactor y la conversión fraccionaria del hexano. Gas Producto

83% N2 9.1% CO2 7.6% O2

C6H14

0.3% C6H14 H2O

73

B.C.: 100 moles base seca de gas producto. Gas Producto n1 C6H14

Aire en exceso

74

Con los 1.817 [mol] de hexano obtenidos calculamos el 83 mol N2 9.1

CO2

7.6

O2

0.3

C6H14

oxigeno teórico:

C 6H14

+

19 2

O2

→ 6 CO 2 + 7 H2 O

O 2 teorico = 1.817[mol C 6H14 ] n2 O2

B.M. N2 :

79

B.A. C :

6n1 = (9.1)(1) + (0.3)(6)

n2 = 83 21

⇒ n2 = 22.06[mol]

% en exceso de aire =

9.5[mol O 2 ] 1[mol C 6H14 ]

= 17.26[mol]

22.06 - 17.26 ⋅ 100 = 27.81% 17.26

n1 = 1.817 [mol]

Luego:

⎛ Conversión fraccionar ia ⎞ 1.817 − 0.3 ⎜⎜ ⎟⎟ = = 0.83 de C6H14 1.817 ⎝ ⎠

75

76


04/09/2008

Problema. A una columna de separación instantánea se alimentan 1000 [lt/min] de una mezcla líquida de benceno y n-hexano con una

PROBLEMAS RESUELTOS

concentración del 60% en peso de benceno. Por el fondo de la columna salen 400 [lt/min] de una mezcla

Tope ¿T [mol/min] ? 1000 [lt/min] 60% peso Benceno Alimentación

líquida con una concentración del 80% molar de benceno. Determine el flujo molar y composición en % 77

De la tabla de propiedades físicas:

PM

Densidad

1 ρM

=

0.60 0.40 + 0.879 0.659

78,11 86,17 ρM =

[gr/cm ] 0,879 0,659

0.775

Fondo

78

Conversión de % molar a % peso corriente de fondo: n [mol] 80 20

Benceno n-hexano

1 ρM

⎡Flujo Masico ⎤ ⎡ lt ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Alimentación⎥ = 1000 ⎢ min ⎥ ⋅ 0.775 ⎢ lt ⎥ = 775⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

400 [lt/min] 80% molar Benceno

molar de la corriente de tope.

3

Benceno n-hexano

¿% molar ?

n ó i c a r a a p e e n a S t e n a d t a s n n I m u l o C

=

PM 78,11 86,17

0.7838 0.2162 + 0.879 0.659

m [gr] 6248,8 1723,4 7972,2 ρM =

% peso 78,38 21,62

0.8198

⎡Flujo Masico⎤ ⎡ lt ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Fondo ⎥ = 400 ⎢ min ⎥ ⋅ 0.8198 ⎢ lt ⎥ = 327.93 ⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ Benceno en ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Alimentación⎥ = (0.6) ⋅ 775⎢ min ⎥ = 465⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡Benceno en⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Fondo ⎥ = (0.7838) ⋅ 327.93 ⎢ min ⎥ = 257.03⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡n − Hexano en⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Alimentaci ón ⎥ = (0.2162) ⋅ 327.93 ⎢ min ⎥ = 70.90 ⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡n − Hexano en⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Alimentación ⎥ = (0.4) ⋅ 775⎢ min ⎥ = 310⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ 79

80


04/09/2008

Problema (Nº15 Cap5). Fluye agua líquida y aire a un humidificador, en el cual el agua se evapora por completo. El aire entrante contiene 1% molar de H2O(v), 20.8% de O2 y el

⎡Flujo Masico⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Tope ⎥ = (775 − 327.93)⎢ min ⎥ = 447.07 ⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Benceno en ⎡ ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ Tope ⎥ = ( 465 − 257.03)⎢ min ⎥ = 207.97 ⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡n − Hexano en⎤ ⎡ kg ⎤ ⎡ kg ⎤ ⎢ ⎥ = (310 − 70.9)⎢ min ⎥ = 239.1⎢ min ⎥ Tope ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ kg 207,97 239,10

Benceno n-hexano

PM 78,11 86,17

kg-mol 2,66253 2,77475 5,43727

resto de N2. El aire humidificado contiene 10% molar de H 2O. Calcular el flujo volumétrico (pie 3/min) de líquido requerido para humidificar 200 (lb-mol/min) de aire entrante.

% molar 48,97 51,03

Flujo Volumetri co de agua(l) =

Flujo Volumetri co de agua(l) =

Resumen:

m1

ρ agua

=

1

200 + n1

= n3 B.M. H2 O : (0.01)(200) + n1 = (0.10)n3

82

combustión debe contener 8% molar de CH4. Para producir

lb - mol ⎤ = 220 ⎡⎢ ⎣ min ⎦⎥

esta alimentación, se mezcla con aire un gas natural que contiene 85% en peso de CH4 y 15% en peso de C2H6.

n1 ⋅ PMagua

Calcular la relación (moles de gas natural/moles de aire).

ρ agua

⎡ lb − mol ⎤ ⋅ 18 ⎡ lb m ⎤ 3 ⎣ min ⎥⎦ ⎢⎣ lb − mol ⎥⎦ = 5.77 ⎡ pie ⎤ ⎢ ⎥ ⎡ lb ⎤ ⎢⎣ min ⎥⎦ 62.4 ⎢ m ⎥ 3 ⎣⎢ pie ⎦⎥

20 ⎢

Corriente Flujo [lb-mol/min] Oxigeno [lb-mol/min] Nitrogeno [lb-mol/min] Agua [lb-mol/min]

Aire húmedo 10% molar de H2O(v) 3 n3

Problema (Nº26 Cap5). La alimentación a un reactor de

Resolviendo el sistema encontramos: n3

H2O(l)

B.M. total : 81

y

Humidificador

B.C.: 200(lb-mol/min) de aire entrante.

⎡Flujo Molar ⎤ ⎡ mol ⎤ ⎢ Tope ⎥ = 5437.27⎢ min ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ lb - mol ⎤ ⎣ min ⎥⎦

2

n1

Luego:

n1 = 20 ⎢

200(lb-mol/min) de aire 1% molar de H2O(v)

1 20,0

20,0

2 200,0 41,6 156,4 2,0

3 220,0 41,6 156,4 83 22,0

Aire

Mezclador

Gas natural

8% molar CH4

85 % peso CH4 15 % peso C2H6

Conversión de % en peso a % en moles. B.C. 100 g de gas natural. Compuesto

gramos

PM

moles

Metano (CH4)

85

16,03

5,303

fracc. molar 0,914

Etano (C2H6)

15

30,05

0,499 5,802

0,086 84


04/09/2008

Problema. Considerando el siguiente proceso compuesto

B.C. 100 moles de aire.

por dos columnas de destilación, para tratar una mezcla de tres componentes, donde se conoce la composición (porcentaje en peso) de todas las corrientes de entrada y

Aire n1

8% molar CH4

Mezclador

Gas natural

100 + n1

91.4 % molar CH4 8.6 % molar C2H6

salida, como muestra la figura. 61.9% A 5.0% B P1 33.1% C

B.M. al CH4; 0.914 ⋅ n1 = 0.08(100 + n1 )

20% A 30% B 50% C

n1 = 9.59[mol]

Luego: Moles de gas natural Moles de aire

=

9.59 100

F 100 lb

Columna 1

= 0.0959

P2

15.2% A 80.8% B 4.0% C

Columna 2

W

85

0.5% A 5.5% B 94.0% C

Para 100 lb de alimentación determine las cantidades de las corrientes de salida (P1, P 2 y W), y las cantidades de A, B y 86 C recuperada en cada una de estas corrientes.

B.C. 100 lb de alimentación. Considerando como sistema todo el proceso B.M. Total

(1) 100 = P1 + P2 + W

B.M. al componente A

(2) 20 = 0.619 ⋅ P1 + 0.152 ⋅ P2 + 0.005 ⋅ W

B.M. al componente B

(3) 30 = 0.050 ⋅ P1 + 0.808 ⋅ P2 + 0.055 ⋅ W

Corriente [lb] Compuesto A B C

P1 23.9 % 61.9 5.0 33.1

P2 W 32.7 43.4 [lb] % [lb] % [lb] 0. 5 14.8 15.2 5. 0 0. 2 5. 5 1. 2 80.8 26.4 2. 4 4. 0 7. 9 1. 3 94.0 40.8

Resolviendo el sistema obtenemos:

P1 = 23.9[lb],

P2

= 32.7[lb]

y

W

= 43.4[lb]

Con estos resultados y la composición de las corrientes obtenemos la cantidad de cada compuesto en cada una de las corrientes. 87

88


04/09/2008

Problema (Nº31 Cap5). Se alimenta a una columna de

B.C.: 100 moles de gas de alimentación. Benceno líquido

absorción una mezcla gaseosa que contiene 15% molar de CS2, 17.8% molar de O2 y 67.2% molar de N2. La mayor parte del CS2 se absorbe en el benceno líquido alimentado por la parte superior de la columna. Parte del benceno que entra como líquido se evapora y abandona la columna como vapor por la parte superior de esta. Si el gas que abandona la columna contiene 2% molar de CS2 y 2% molar de benceno. ¿Cuál es la fracción recuperada de CS2?

n1

n2

2% CS2 2% Benceno 96% N2 y O2

B.M.: Gases no absorbido 100 moles

(0.178 + 0.672 ) (100) = 0.96 n 2

15,0% CS2

n 2 = 88.54 [mol]

n3 Benceno líquido

17,8% O2

CS2

67,2% N2

⎛ Fracción de ⎞ (100)(0.15) − (88.54)(0.02) = 0.88 ⎜⎜ Recuperaci ón ⎟⎟ = (100 )(0.15) ⎝ ⎠ 89

Problema (Nº52 Cap5). En el proceso Deacon para la producción de cloro, el HCl y O2 reaccionan para formar Cl2 y H2O. Se alimenta suficiente aire al reactor como para proveer un 40% de exceso de oxigeno, y la conversión del HCl es de 70%. Calcular: a) La composición molar de la corriente producto. b) La composición molar de Cl2 en el gas que permanecería si toda el agua del gas producto se condensara.

90

HCl

100 mol

2 ⋅ HCl + 21 O2 → Cl2 + H2 O

40% exceso

Calculo de los moles estequiométricos de O2. n est

= 100[mol de HCL]

0.5[mol de O 2 ] 2[mol de HCL ]

= 25[mol de O 2 ]

Calculo de los moles de O2 en la alimentación. Como el aire se alimenta en un 40% en exceso.

a) B.C. 100 moles de HCL en la alimentación.

n1

HCl Aire

Reactor

Aire

n1 (O2)

n2 (HCl) n3 (O2) n4 (N2) n5 (Cl2) n6 (H2O)

Reactor HCl + O 2 → Cl 2 + H2 O

= (1.4)(25 )[mol ] = 35[mol de O 2 ]

Calculo de los moles de N 2. Como el N 2 es inerte los moles alimentados y de salida son iguales.

40% exceso 91

n4

= 35[mol de O 2 ]

79[mol de N2 ] 21[mol de O 2 ]

= 131.7[mol de N2 ]

92


100 mol

04/09/2008

HCl

Reactor

Aire

n1 (O2)

n2 (HCl) n3 (O2) n4 (N2) n5 (Cl2) n6 (H2O)

2 ⋅ HCl + 21 O2 → Cl2 + H2 O

40% exceso

Como la conversión del HCl es 70%: n2

= (1 − 0.7 )(100 )[mol de HCl] = 30[mol de HCl]

n5

= (0.70)(100)[mol de HCl]

n6

1[mol de Cl2 ] 2[mol de HCl] 1 [mol de H2O]

= (0.70 )(100)[mol de HCl]

2[mol de HCl]

17,5

0,07

N2

131,7

0,53

Cl2

35,0

0,14

H2O

35,0

0,14

249,2

1,00

Aire

2 ⋅ HCl + 21 O2 → Cl2 + H2 O

(Entrada ) (Generación)

= 35[mol de H2O]

n2 (HCl) n3 (O2) n4 (N2) n5 (Cl2) n6 (H2O)

35 mol de O 2 n3

0

n3

(Salida) (Consumo )

(0.70)(100 ) mol de HCL

0.5 mol de O 2 2 mol de HCl

17.5 mol

94

Problema (Nº58 Cap9). Se produce metanol haciendo reaccionar monóxido de carbono con hidrógeno. Una porción

Frac. Molar 0,12

O2

Reactor

40% exceso

= 35[mol de Cl 2 ]

La composición molar de la corriente producto. moles 30,0

n1 (O2)

HCl

Para calcular los moles de O2 en la corriente producto desarrollamos un balance molecular al O2.

93

Compuesto HCl

100 mol

del metanol que abandona el reactor se condensa, recirculándose al reactor el CO y H 2 sin consumir así como el CH3OH sin condensar. La corriente de salida del reactor fluye con un flujo de 300 mol/min, y contiene 10% en peso de H2, 62.0% en peso de CO y 28% en peso de CH 3OH. La fracción de metanol en la corriente de recirculación es de 0.006. Calcular los flujos molares de CO y H 2 en la alimentación fresca, y la velocidad de producción de metanol.

b)

⎛ Moles totales en base seca ⎞ ⎜⎜ en la corriente producto ⎟⎟ = (249.2 − 35)[mol] = 214.2[mol] ⎝ ⎠ ⎛ Fracción molar de Cl 2 ⎞ 35[mol de Cl2 ] ⎜⎜ ⎟⎟ = = 0.163 214 . 2 moles totales en base seca] [ en la corriente producto ⎝ ⎠ 95

96


04/09/2008

Recirculación Alimentación Fresca

xMetanol = 0,006

B.C.: 300 mol/min que salen del reactor.

CO H2 CH3OH

n4 Recirculación

xMetanol = 0,006

Producto

Reactor

CO H2

Condensador

CH3OH (liq)

300 mol/min 62% peso CO 10% H2

CO H2 CH3OH


Producto

Reactor

n1 CO n2 H2

Condensador

n3 CH3OH

300 mol/min 0,275 molar CO 0,616 H2

28% CH3OH

0,109 CH3OH

Tomando como base, para la conversión de % en peso a % en moles, 100 gramos a la salida del reactor: Compuesto

[gr]

PM

[mol]

H2

10

2,016

4,960

Tomando como sistema el condensador: B.M. al CO y H 2:

% molar

n4

0,616

CO

62

28,01

2,213

0,275

CH3OH

28

32,04

0,874

0,109

8,048

1,000

(300)(0.275) + (300)(0.616) = 0.994 ⋅ n4 mol = 268.91⎡⎢ ⎤⎥ ⎣ min⎦

97

98

xMetanol = 0,006

n4 Recirculación n4 Recirculación

xMetanol = 0,006

CO H2 CH3OH



Producto Reactor

n1 CO n2 H2

Condensador


n3 CH3OH

Producto

Reactor

n1 CO n2 H2

Condensador


n3=31,09 CH3OH (liq)

0,109 CH3OH

0,109 CH3OH

Balances sobre el sistema total:

B.M. al CH3OH: (300)(0.109) = (0.006)(268.91) + n3

n3

CO H2 CH3OH

mol = 31.09⎡⎢ ⎤⎥ ⎣ min⎦

Luego la velocidad de producción de Metanol es de 31.09 mol/min. 99

mol ⇒ n1 = 31.09⎡⎢ ⎤⎥ ⎣ min⎦

B.A. al C:

n1 ⋅ (1) = n3 ⋅ (1)

B.A. al H:

n2 ⋅ (2) = n3 ⋅ (4)

mol ⇒ n2 = (31.09)(2) = 62.18⎡⎢ ⎤⎥ ⎣ min⎦

Luego, la alimentación fresca esta compuesta de 31.09 [mol/min] de CO y 62.18[mol/min] de H 2. 100


04/09/2008

Problema (Nº 74 Cap5). Se alimenta un flujo de 12 [lt/hr] de metanol (CH3OH) líquido a una cámara de combustión, donde se quema con aire en exceso. Se analiza el producto gaseoso, determinándose los siguientes porcentajes molares en base seca:

12 [lt/hr] CH 3OH Cámara de combustión

n0 de O2

n1 moles de gas seco/hr 0.009: CH3OH 0.071: CO2 0.024: CO x: N2 0896 – x: O2 n2 moles de H2O/hr

Compuesto

% molar

CH3OH

0.90

CO2

7.10

B.C. 12 [lt/hr] de CH 3OH en la alimentación:

CO

2.40

Desde la tabla de propiedades físicas para el Metanol: ρRe lativa

a) Calcular la conversión fraccionaria del metanol. b) Calcular el flujo de agua, en [mol/hr], en el producto gaseoso.

m

12

lt hr

0.792 y PM

0.792 1.0

kg

9.504

lt

32.04 kg hr

101

102

El flujo molar de Metanol que ingresa a la cámara: kg 9.504 m kg mol mol lt n 0.297 297 PM hr hr kg 32.04 kg mol

La conversión fraccionaria del Metanol es:

b)

a)

B. A. al H:

Conversión de metanol

297 ( 4)

B. A. al C:

297 n1 Conversión de metanol

n1 (0.009 0.071 0.024) 2855.77

297

n2

mol hr

0.009 2855.77 297

2855 .77 0.009 ( 4 )

542.60

0.913

2 n2

mol hr

El flujo molar de agua que sale en el producto gaseoso es:

Moles que reaccionan de metanol Moles alimentado s de metanol

542.60 103

mol hr 104


04/09/2008

Problema Nº1 (Nº60 Cap5). Se convierte benceno (C6H6) a ciclo-hexano (C6H12) por adición directa de H 2. La planta produce 100 [lb-mol/hr] de ciclohexano. Noventa y nueve por ciento del benceno alimentado al proceso reacciona para producir ciclohexano. La composición de la corriente de entrada al reactor es de 80% molar de H2 y 20% de C6H6, y la corriente producto contiene 3% molar de H2.

PROBLEMAS RESUELTOS EN CLASES

H2 Fresco H2 Recirculado Producto con Reactor

C6H6 Fresco

105

Problema Nº2 (Nº77 Cap5). Se quema una mezcla de 70% molar de butano y 30% molar de hidrógeno, con un 25% de exceso de aire. Se obtienen conversiones de 80% para el butano y 99% para el hidrógeno; del butano que reacciona, 90% forma CO2 y 10% forma CO. Calcular la fracción molar del agua en el producto gaseoso.

Condensador

3% de H2

20% C6H6 80% H2

C 6H 6

+ 3 H2 → C 6H12

Calcular:a) La composición de la corriente producto. b) Los flujos de alimentación fresca de C6H6 y de H2. 106 c) El flujo de la recirculación.

Problema Nº3. Se queman 1000 mol/min de una mezcla com-bustible, compuesta de 50% en peso de etano (C 2H6) y 50% en peso de propano (C3H8), con 28571.43 mol/min de aire. La conversión molar del etano es del 100% y la conversión molar del propano es del 80%. Un análisis de los gases de combustión entrega que estos contienen 1.6424% molar de CO en base húmeda. Determine: a) La composición molar de los gases de combustión en base húmeda. b) El porcentaje de exceso del oxigeno alimentado. 50% peso C 2H6 1,6424 % molar CO

50% peso C 3H8 1000 mol/min

Horno 107

28571,43 mol/min

Aire 108

144431527-Balance-de-Masa.pdf

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