Apuntes balance de mat y energía.2018.pdf

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

PROFESORA: EMMA JUÁREZ NÚÑEZ

APUNTES A PUNTES B A LA LANCE NCE DE MATERIA MATERIA Y ENERGÍA ENERGÍA

Primaver Pri mavera a 201 2018 8

APUNTES BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

M. I. EMMA JUÁREZ NÚÑEZ

ÍNDICE

CONCEPTOS GENERALES................... GENERAL ES................................ ......................... ......................... ......................... ........................ ............ 4

UNIDAD I BALANCES DE MATERIA SIN REACCIÓN QUÍMICA....................................... 13 UNIDAD II BALANCES DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA..................................... 15 UNIDAD III BALANCES DE ENERGÍA SIN REACCIÓN QUÍMICA....................................... 17 BALANCES DE ENERGÍA CON REACCIÓN QUÍMICA..................................... 24

BIBLIOGRA BIB LIOGRAFIA............................. FIA........................................... ........................... ........................... .......................... ......................... .................. ..... 49



CONCEPTOS GENERALES Se definen algunos conceptos fundamentales que servirán como base para resolver los problemas planteados en el curso.

INGENIERIA QUIMICA 

Es la ciencia que trata de los procesos industriales en que las materias primas son transformadas para obtener productos [2].



Es la rama de la ingeniería que trata del desarrollo y aplicación aplicación de los procesos de fabricación que intervienen la química y ciertos cambios físicos. Estos procesos pueden llevarse a cabo por medio de una serie coordinada de operaciones físicas unitarias y procesos químicos. [3]

INGENIERO QUIMICO 

Es el que que diseña, desarrolla desarrolla y lleva a cabo los procesos y los equipos que que deben emplear. Su capacidad profesional depende de sus habilidades para combinar todas las fuentes de información con el fin de obtener soluciones prácticas a los problemas que se le presenten. [3]

La amplitud y variedad de los procesos industriales demandan los servicios de los ingenieros químicos. Los problemas descritos en los tratados de ingeniería e industrias de proceso permiten tener una idea muy amplia y completa del campo que abarca la ingeniería química. Entre muchas materias que forman la carrera de Ingeniería Química, están los Balances que, sin lugar a dudas, forman la base de los conocimientos de esta técnica. Ellos no son más que, como su nombre lo indica, un proceso contable en el que se mide tanto la materia como la energía entrante y saliente, de manera que se balanceen o igualen las entradas con las salidas. Mediante estas técnicas los ingenieros químicos pueden calcular los requerimientos de materiales y energéticos necesarios necesarios para la obtención de un producto. Además, estas técnicas llegan a dar una idea de la magnitud que deberán tener los equipos y maquinaria con la que se deberá producirse ese bien. Antes de entrar de lleno a las técnicas de los balances de materia y energía, conviene presentar algunos conceptos que se emplearan en este curso. Las leyes de la conservación ocupan un lugar especial en la ciencia y la ingeniería. Los enunciados comunes de esas leyes toman la forma de “la masa y la energía no se crea ni se destruye”, “la masa y la energía del universo es constante”, “la masa y la energía de cualquier sistema aislado es constante”.



LEY DE LA CONSERVACIÓN CONSERVACIÓN La contabilización de los materiales y de la energía en un proceso industrial se basa en las Leyes de la conservación. La materia y la energía no se crean, ni se destruyen, sino se transforma.

Por consiguiente, hay una conservación de las cantidades de los materiales y de la energía, que entran y salen del proceso. En conclusión, la Ley de la Conservación permite establecer matemáticamente el Balance de Materia y Energía, así: MATERI TERIA A   ENERGIA ENERGIA   MA MATERIA TERIA   ENERGIA ENERGIA   MA            ENTRA QUE ENTRA ENTRA QUE SALE  QUE SALE  QUE ENTRA

M1 + E1 = M2 + E2

Ley de la con servación servació n de la masa masa Establece que la masa no se crea ni se destruye. Las relaciones basadas en la ley de la conservación de la masa como “entrada total de la masa = salida total de la masa” son balances de masa o masa o balances de materia. materia . MATERIALES LES QUE ENTRAN ENTRAN   MATERIA MATERIALES LES QUE SALEN   MATERIA     A UN PROCESO   DE UN PROCESO 

Ley de la cons ervación d e la energía energía La energía es la capacidad que hay ha y en un sistema para realizar transformaciones biofisicoquímicas en un proceso. Una de las tareas principales de un ingeniero al diseñar un proceso consiste en justificar con cuidado la energía que entra y que sale de cada unidad de proceso y determinar los requerimientos energéticos totales de éste. Para ello, recurre a escribir los balances de energía de manera muy similar a los balances de materia que se describen para explicar los flujos de masa que entran y salen del proceso y de sus unidades. [4]



VARIABLES RELACIONADAS CON LOS BAL ANCES DE DE MATERIA En la industria química se debe tener estricto control de las cantidades de materia que se maneja en los procesos; este control se lleva acabo midiendo los gastos, es decir, la cantidad de materia que pasa por un punto o que se procesa por unidad de tiempo [4]. El gasto se puede expresar como: Gasto Gasto o fluj o másico. másico. Gasto Gasto volu métrico. métrico. Gasto Gasto o fluj o molar. molar.

Masa/tiempo Volumen/tiempo Moles/tiempo

Composición Es una variable intensiva que generalmente se expresa como la concentración de los diferentes componentes de una mezcla. Concentración masa Masa de compuestos por unidad de volumen de solución. Cuando se tiene un solo componente esta concentración es la densidad. Concentración molar Es el número de moles de un compuesto por unidad de volumen de solución. Fracción Fracción masa Masa de una sustancia dividida entre la masa total de una solución. Fracción mol Número de moles de una sustancia dividida entre el número núm ero total de moles en la solución. Relación masa Masa de una sustancia dividida entre la masa de otra sustancia (de una mezcla). Relación Relación mol Moles de componentes i / moles del componente i (de una mezcla). Por ciento en volumen Volumen de una sustancia entre el volumen total, multiplicado por 100. Molaridad Numero de moles de una sustancia en un litro de solución. Molalidad Es el número de gramos mol de una sustancia contenidos en 1 kg de disolvente. Normalidad Es el número de gramos equivalentes de una sustancia contenidos en un litro de solución. Densidad Es una variable intensiva que relaciona la masa con el volumen de un cuerpo. Densidad Es la cantidad de masa contenida en la unidad de volumen de una sustancia de referencia. Densidad Densidad relativa Es la relación de la densidad de una sustancia con la densidad de una sustancia de referencia.



Densidad Densidad en g rados Baumé Baum é Es una escala muy empleada para medir la densidad relativa de los líquidos. Densidad en grados API Es la escala empleada para medir la densidad de productos derivados del petróleo.

VARIABLES RELACIONADAS CON LOS BALANCES DE ENERGÍA Fuerza Es todo aquello capaz de modificar el estado de inercia de un cuerpo. Peso Es la fuerza con la cual la tierra atrae los cuerpos en dirección vertical y descendente. Trabajo Es el producto de la fuerza por la distancia. Energía Es la capacidad de producir trabajo. Potencia Es la cantidad de energía o trabajo proporcionada en la unidad de tiempo. Presión Es la variable intensiva definida como la fuerza ejercida sobre unidad de área. Presión hidrostática Es el peso de una columna de fluidos sobre la unidad de área. Presión Presión atmosférica (Barométrica) Debido a su peso, el aire produce sobre una superficie situada en su seno una presión análoga a la hidrostática; y ésta varía de acuerdo a las alturas sobre el nivel del mar. Presión Presión manométrica Es la presión desarrollada por un sistema medido por manómetros. Presión de vacío Es una presión por debajo de la presión atmosférica. Presión Presión absol uta Es la suma de las presiones atmosféricas o barométricas más la manométrica. Temperatura Es una variable intensiva que se define como una medida de la energía cinética promedio de las moléculas. Energía Energía pot encial Es debida a la posición que guarda un cuerpo sobre el nivel de referencia. Energía cinética Es la energía que tiene un cuerpo en movimiento. Energía mecánic mecánic a



Es la energía que se introduce a un sistema por medio de una bomba o que se quita de un sistema por medio de una turbina. Energía Energía de fricción Representa la energía perdida debida a la fricción cuando un fluido pasa a través de las diferentes partes de un sistema. Calor La energía que se trasmite de un cuerpo a otro, debido a una diferencia de temperaturas entre los dos cuerpos. Energía interna Es toda la energía que posee un sistema además de sus energías cinética y potencial. Energía de presión Es la parte de la energía interna de un cuerpo que puede producir trabajo. Energía química Es la liberada o absorbida durante una reacción química. Sistema cerrado En un sistema cerrado la materia no cruza las fronteras. La energía puede fluir hacia o del sistema. Sistema abierto Es aquel que tanto la materia como la energía pueden atravesar las fronteras del sistema. Sistema aislado Es aquel a través de cuyos límites no fluyen ni la materia ni la energía.

PROCESOS Es un método o serie de pasos para trasformar sustancias en otras o productos que cubran una necesidad. Los procesos se clasifican desde el punto de vista de la variables presión, volumen, temperatura y energía. [4] Isobárico Cuando en el proceso no cambia la presión. (Presión = cte.) Isocórico Cuando en el proceso el volumen no cambia. (Volumen = cte.) Isotérmico En el proceso no cambia cam bia la temperatura. (Temperatura = cte.) Isoentálpico Cuando en el proceso no cambia el contenido de energía.



Desde el punto de vista de la industria química los procesos se clasifican en dos tipos:

1.- Operación Operación unitaria Son los procesos físicos, es decir, son las operaciones donde solo se llevan cambios puramente físicos. Flujos de fluidos. Estudia Estudia el comportamiento de los fluidos al ser movidos o trasportados en tanques o a través de conductos. Transferencia de calor. Los calor. Los materiales son calentados o enfriados, la condensación de vapores, hervir líquidos, etc. Destilación Destilación . Es Es la separación de mezclas liquidas en componentes relativamente puros, tomando en cuenta la volatilidad de los componentes. Extracción por solventes. Se Se emplea en la separación en mezclas liquidas de uno de los componentes por medio de la acción de un solvente selectivo. Abso Ab sorc rció ió n de gas. gas . Es la separación de un gas de una mezcla de gases por medio de un absorbente ya sea sólido o líquido. Filtración. Es la separación de un sólido de una mezcla liquido-sólido, a través de un medio filtrante poroso. Cristalización. Cristalización. Es la obtención de cristales sólidos sól idos partiendo de una solución saturada. Mezclado. Es Es la combinación de dos o más sustancias: en las diferentes combinaciones entre sólidos, líquidos y gases. Existen más operaciones unitarias como: evaporación, sedimentación, trituración, etc. Las operaciones unitarias se agrupan en tres Operaciones Operaciones de cambio.   

Cambio Cambio de momento. Cambio d e energía. Cambio de masa.

2.- Proceso unitario o ing eniería eniería de las reacciones químicas Son los procesos en los cuales se da una reacción química típica bien definida. Halogenación. El El efecto de cloración, bromación y yodación. Combustión. La L a operación de quemar carbón o combustibles. Nitración. La L a adición de NO 2 a tolueno para formar trinitrotolueno (TNT). Electróli Electróli sis. Aplicación Aplicación de energía eléctrica para separar. Hidrogenación. La L a adición del hidrógeno a un elemento o compuesto. Polimerización. Polimerización. L a fabricación de plásticos a partir del monómero.



Diagrama de flujos. fluj os. Es la representación esquemática de los procesos que nos indica el flujo de los materiales y las operaciones a realizar. Se representa en diferentes formas: form as: a) Diagrama de bloques o cuadros. En cuadros. En el cual se representan las operaciones principales de un proceso por medio de cuadros, con entradas y salidas. b) Diagramas de flujos (DFP). (DFP). Es la representación del proceso empleando simbología estándar de los equipos y tuberías. c) Diagrama de tubería e instr umento s (DTI). (DTI). Es un diagrama de flujos en donde se incluye la instrumentación y especificación de las tuberías.



CAPÍTULO 1 B AL ALANCE ANCE DE MATERIA EN SISTEMAS SISTEMAS NO REACCIONANTES REACCIONANTES

METODOLOGÍA EL BALA B ALANCE NCE DE DE MATERIA MATERIA Objetivos: 1. 2. 3. 4.

Definir y trazar los límites del sistema para el cual se realizara el balance de materia. Explicar la diferencia entre un sistema abierto y uno cerrado. cerrado. Escribir el balance general de materia con palabras incluyendo todos los términos. Citar ejemplos de procesos en los que no se presente el caso de acumulación, no tenga lugar la generación o consumo, ni tampoco flujo de masa de entrada y salida. 5. Aplicar la ecuación ecuación de balance de materia para el caso simplificado de {entrada} = {salida} para la masa total de materia y para una especie individual. 6. Explicar las circunstancias circunstancias en las que la masa de un compuesto que ent entra ra al sistema es igual a la masa del compuesto que sale del sistema. Comparar lo mismo en moles.

EL BALA B ALANCE NCE DE ENER ENERGÌA GÌA Objetivos: 1. Definir o explicar los términos siguientes: energía, sistema, caloría, termoquímica, termoquímica, sistema sistema cerrado, sistema sin flujo, sistema abierto, sistema continuo, alrededores, propiedad, propiedad extensiva, estado, calor, trabajo, energía cinética, energía potencial, energía interna, entalpía, estado inicial; estado final, función punto (estado), variable de estado, proceso cíclico y función de trayectoria. 2. Seleccionar y definir un sistema apropiado para la solución de problemas, problemas, ya sea cerrado cerrado o abierto, de estado estacionario o no estacionario y fijar el límite del sistema. 3. Distinguir entre energía potencial, cinética e interna. 4. Convertir la energía de un sistema de unidades a otro sistema. 5. Enunciar y aplicar las ecuaciones empleadas para calcular la energía cinética, energía potencial y trabajo.

EL BALANCE SIMULTÁNEO DE MATERIA Y ENERGÍA Objetivos: 1. Calcular el número de grados de libertad (variables de decisión) para unidades solas y para combinaciones sencillas de unidades. 2. Solucionar los problemas de balance de materia y energía energía combinados con y sin reacción química complejos



Técni Técnicas cas para la resoluci resolu ción ón de problemas pro blemas de balances de materia y energía. energ ía. 

Leer la información de que se dispone en forma minuciosa y comprender qué es lo que se requiere para una respuesta.  Determinar qué datos datos adicionales son necesarios. necesarios.  Trazar un diagrama simplificado de lo que está sucediendo y escribir abajo los datos disponibles.  Seleccionar la base de cálculo cálculo con la cual iniciar la solución del problema.  Si se incluye una reacción química, escribirla y balancearla correctamente. Con estos pasos se debe tener definido el problema y una idea clara de lo que se va hacer respecto al mismo problema. METODOLOGÍA METODOLOGÍA SUGERIDA SUGERIDA 1. TRADUCIR EL ENUNCIADO 



Elaborar el esquema del proceso. Cuando se presenta una descripción de un proceso y se pide que se determine algún valor del pro ceso, es esencial esencial organizar la información. La mejor manera es dibujar un diagrama de flujo del proceso, utilizando cuadrados o rectángulos para representar las unidades del proceso (reactores, evaporadores, mezcladores, unidades de separación, etc.) y líneas con flechas para representar las entradas y salidas. Marcar el diagrama con todos los datos del problema.- Escribe los valores y las unidades de todas las variables conocidas de los fl ujos en las pos iciones de estos sob re el diagrama. diagrama.

2. HACER EL PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Aquí Aq uí se in dic di c a có mo reso re so lver lv er el pr ob lem a a par tir ti r de lo s conocimientos adquiridos y utilizando ecuaciones algebraicas: es decir; llevar a cabo el análisis de gr ados de libertad, para para verificar si es posible la resolución del sistema de ecuaciones (debe ser linealmente independiente) (ninguna ecuación se debe repetir, ni depender de otra). 3. RESOLVER LAS ECUACIONES

Sustituir los datos en las ecuaciones planteadas y llevar a cabo los cálculos requeridos.



4. RESULTADOS

Presentar los resu ltados aparte en una tabulación (tabla).

ANÁLISIS ANÁ LISIS DE GRADOS GRA DOS DE LIB ERTAD Para Para llevarlo a cabo se requiere lo sig uiente:  Contar las variables marcadas en el diagrama de bloques “N V” número de variables.  Anot An ot ar las ecuac ec uac io nes de balan ba lance ce de todo to do s los lo s co mp on ent es involucrados y todas las restricciones físicas tales como la suma de las fracciones masa o fracciones mol qu e tiene que ser ser igual a 1.0. “Ne” número de ecuaciones y “Nr” número de 

restricciones. Restar a NV – Ne –Nr, por lo tanto Nd = N V – Ne –Nr, donde Nd representa los grados de libertad o número de variables a especific ar, una vez hechas estas estas especifi cacion es ya se tiene el el sistema de ecuaciones linealmente independientes.

Para el diseño de toda planta química, la primer etapa es la de llevar acabo los balances de materia y energía. Un balance o (inventario) es el conteo de flujo y cambio de masa de materiales m ateriales en un sistema.

Con esta ecuación se define el principio de balance de materia aplicable a procesos sin y con reacción química. [1] Entrada da Generación  Salida  Consumo   Acu Acumul mulac ació ió n  Entra

Esta ecuación se adaptará para diferentes casos. Si el balance es de masa total en procesos continuos : En los casos en que no hay generación (o consumo) de materia dentro del sistema.

Acumulación = Entrada – Salida



Cuando tampoco hay acumulación dentro del sistema

Entrada = Salida Sistema es cualquier porción arbitraria o completa de un proceso establecido específicamente para su análisis. Sistema abierto (o continuo) es aquel en que la materia se transfiere a través de la frontera del sistema, esto es, entra al sistema, sale del sistema o ambas cosas. Sistema cerrado (o por lotes) es lotes) es aquel en el que no se presenta dicha transferencia durante el intervalo de tiempo en cuestión. Los balances de materia se pueden aplicar a una amplia variedad de materiales, m ateriales, a muchas escalas de tamaño del sistema y a varios grados de complejidad. En las industrias de los procesos, los balances de materia auxilian en la planeación para el diseño de procesos, en la evaluación económica de procesos propuestos y existentes, en el control de procesos y en la optimización de procesos. A los balances de materia sin reacción química también se dice balances simples de masa, masa, en los que no se necesita alguna ecuación o grafica de equilibrio físico para su resolución y el régimen de operación es permanente. [4] En general, se pueden presentar los siguientes casos de balances simples de masa. a) b) c) d) e) f)

Mezclado Separación Contacto a contracorriente Contacto en paralelo Balance con recirculación Balance con derivación



CAPÍTULO 2 B AL ALANCE ANCE DE MATERIA EN SISTEMAS SISTEMAS REACCIONANTES Cuando se lleva a cabo una reacción química dentro de un proceso, se complican los procedimientos de balance de materia descritos en la sección anterior. Cuando hay reacción química, los compuestos individuales que forman las corrientes cambian en cantidad, y aun pueden llegar a desaparecer mientras se crean otros. En estos casos, el balance gira alrededor de la reacción química. [4] química. [4]

Reacción química Cada reacción se representa por medio de una ecuación que resume la información mínima necesaria de las proporciones relativas de las sustancias que toman parte en una reacción y los productos que de ella se obtienen. La reacción química tiene su base en la ley de la conservación de la materia que dice, “en cualquier reacción química la masa total de los productos es igual a la masa total de los reactivos”.

Toda ecuación química indica la naturaleza de los átomos y la supuesta composición de las moléculas que intervienen en la reacción química, lo mismo que la proporción de las moléculas en los productos, estas relaciones se expresan por medio de formulas.

Fórmula La fórmula de un compuesto expresa el número y la clase de átomos existentes en dicho compuesto. Esta fórmula es una especie de clave diseñada para presentar la información de manera apropiada. La solución de la clave es la masa atómica de los elementos; esta masa atómica (o peso atómico) indica la masa relativa de los átomos.

Peso molecular El peso molecular de una sustancia es igual a la suma de los pesos atómicos de los elementos que la componen.

Mol El mol o gramo mol es una cantidad de sustancia de un sistema que contiene un numero de entidades elementales iguales al número de átomos que hay en 12 g de carbono 12. Un mol de una sustancia, elemento o compuesto contiene siempre un número fijo de átomos y moléculas, cuyo valor se conoce como número de Avogadro igual Avogadro igual a 6.02 x 10 23.

Estequiometría de las reacciones químicas La estequiometría de reacción impone restricciones sobre las cantidades relativas de reactivos y productos en las corrientes de entrada y salida (por ejemplo, si A B, no es posible comenzar con un mol de A puro y terminar con 2 mol de B). Además, el balance de materia de una sustancia reactiva no tiene la forma sencilla entrada = salida, sino que debe incluir un término de generación o uno de consumo o ambos. [1] ambos. [1]

Estequiometría



Es la teoría acerca de las proporciones en las cuales se combinan las especies químicas. La ecuación estequiometríca de estequiometríca de un reacción química indica el numero relativo de moléculas o moles de reactivos y productos que participan en la reacción. Ejemplo: 2 SO2 + O2 2 SO3 Indica que por cada dos moléculas (g-mol, lb-mol) de SO 2 que reaccionan, también reacciona una molécula (g-mol, lb-mol) de O 2 para dar dos moléculas (g-mol, lb-mol) de SO3. Los números que anteceden a las formulas de cada especie son los coeficientes estequiométrícos de los componentes de la reacción. Una ecuación estequiométrica válida debe estar balanceada; es decir, el número de átomos de cada especie atómica debe ser el mismo en ambos lados de la ecuación, ya que los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas. Por ejemplo, la ecuación SO2 + O2

2 SO3

No puede ser válida, ya que indican que se producen tres átomos de oxigeno atómico (O) por cada cuatro átomos que entran a la reacción, con la pérdida neta de un átomo, pero SO2 + 1/2 O2

2 SO3

 1S  1 S    3 O 3 O   

2 SO2 + O2

2 SO3

 2 S  2 S     6 O  6 O 

Si están balanceadas.

Reactivo Re activo li mitante y conversión . Una medida común del progreso de una reacción química es la conversión de una sustancia: Xs = ( Ns ent - Ns sal )/ Ns ent En general, X = (moles entrantes - moles salientes)/moles entrantes. Por definici defin ición, ón, el grado de avance de la rea reacci cción, ón, r, es igual a: r = N sent Xs /(-

s )

Donde s es el coeficiente estequiométrico del reactivo s (por convención negativo para reactivos reactivos y positiv pos itivo o para produc productos). tos). Combinando las ecua ecuaciones ciones ante anteriores: riores:


Ns sal = Ns ent +


sr

Para Pa ra el el reactivo l im imitant itante e la con conversi versión ón es 1.0 1.0 y enton entonces ces r = N s ent /(-

s )

Cuando se Cuando s e investiga cuál es el r ea eactivo ctivo limi limitante, tante, se obtienen los cocientes de los reactivos y el menor de éstos corresponde precisamente al reactivo limitante.



CAPITULO 3 B AL ALANCE ANCE DE ENERGÍA ENERGÍA SIN REACCIÓN QUÍMICA QUÍMICA La energía es cara. Aún no hemos aprendido a emplear de manera eficaz el suministro, en apariencia inagotable, de energía gratuita por el sol, los vientos y las mareas; también es factible generar energía nuclear, pero la necesidad de la eliminación segura de los desechos radioactivos de los reactores nucleares es un problema grave aún por resolver y no se cuenta con suficientes caídas de agua ni presas como para proveer suficiente energía hidroeléctrica y cubrir las necesidades energéticas mundiales. Esto nos deja con la energía de los combustibles, al quemar un aceite, un gas o un solidó combustibles, se puede usar la energía liberada como fuente de energía térmica o (de manera indirecta) eléctrica. [1] Las industrias de los procesos siempre han reconocido que desperdiciar energía reduce las ganancias pero durante la mayor parte del siglo XX el costo de la energía constituyo casi siempre una parte insignificante del costo total del proceso y se toleraban grandes ineficiencias operacionales. En la década de 1970, el drástico aumento del precio del gas natural y el petróleo elevo el costo de la energía en gran proporción e intensificó la necesidad de eliminar el consumo innecesario de la misma. Si una planta utiliza más energía que sus competidores, es posible que sus productos queden fuera de precio en el mercado. Una de las tareas principales del ingeniero al diseñar un proceso consiste en justificar con cuidado la energía que entra y que sale de cada unidad de proceso y determinar los requerimientos energéticos totales de este. Para ello recurre a escribir los balances de energía de manera muy similar a los balances de materia que se describen para explicar los flujos de masa que entran y salen del proceso y de sus unidades. El principio básico de todos los balances de energía es la ley de la conservación de la energía, la cual dice que la energía no se crea ni se destruye. Esta ley también se conoce como la primera ley de la termodinámica. termodinámica. En su forma más general, la primera ley señala que la velocidad a la cual las corrientes de entrada llevan energía (cinética + potencial + interna) a un sistema, más la velocidad a la cual dicha energía entra a este último como calor, menos la velocidad a la cual la energía sale del sistema a través través de las corrientes de salida, menos la velocidad a la cual sale a manera de trabajo, es igual a la velocidad de acumulación de energía en dicho sistema. (Es decir, acumulación = entradas – salidas, como sería de esperarse.) En toda industria química es necesario transmitir o eliminar energía en forma de calor. En un balance total de energía se toman en cuenta las transferencias de energía a través de los límites del sistema.



Rapidez de   Rapide Rapidezz de   Rapidez Rapidez con  Rapidez entrada de  salida de  la que se acumula      la energía   la energía   la energía en el proceso proceso  en el proceso proceso  en el proceso proceso      o equipo  o equipo  o equipo

M1 E1 + Q – W = M2 E2 +

      

d ( ME )

dt E1 = Energía por unidad de masa asociada con la masa entrante 1 E2 = Energía por unidad de masa asociada con la masa saliente 2 Q = Calor neto entrante al proceso o equipo W =  = trabajo neto entrante al proceso o equipo

Ciertos tipos de energía están relacionados con la masa que fluye, otros tipos, como el calor y el trabajo, son solo formas de transmisión de energía. Entre los tipos de energía asociadas con la masa que con más frecuencia se emplean en la ingeniería química están: Ek = Energía cinética Ep = Energía potencial U = Energía interna

ENERGÍA CINÉTICA. Aquella debido al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia (por lo general la superficie terrestre) o a la rotación de un sistema en torno a un eje. [1] La energía cinética E k(J), de un objeto de masa m (kg) que se mueve con velocidad u(m/s) en relación con la superficie de la tierra es 1 2 E k  mu 2 

Si un fluido entra a un sistema con una velocidad de flujo másico m (kg/s) a velocidad uniforme u(m/s), se tiene que  1  2 E k  m u 2 

E k (J/s) se puede considerar como la velocidad a la cual el fluido transporta a la energía cinética al sistema. Ejemplo:

El agua fluye hacia una unidad de proceso a través de una tubería de 2 cm de DI a velocidad de 2.00 m 3/h. Calcule Ek para esta corriente en joules/segundo. Primero calcule la velocidad lineal (que es igual a la velocidad de flujo volumétrico dividida entre el área de corte transversal de la tubería) y la velocidad de flujo masico del fluido:

Solución



 1 h   200 m 3  100 2 cm 2    2 2    1.77m / s u   2 2  3600 h s 1 m 1    cm       200 m 3  1000 kg  1 h     0.556 kg / s m    3 3600 h s m     



Después, con la ecuación E k 

1 2



mu

2

2  1.77  m 2  1 N   0.556 kg / s   E k    2 2  1 kg  m / s   0.870 N  m / s  0.870 J / s 2   s  



ENERGÍA ENERGÍA POTENCIAL POTENCIAL..- la que se debe a la posición del sistema en un campo de potencia (gravitacional o electromagnético). [1] La energía potencial gravitacional de un objeto de masa m es 

E p  mgz donde g es la aceleración de la gravedad y z es la altura del objeto por arriba de un plano de referencia, en el cual E p se define de manera arbitraria como cero. Si el fluido entra a un sistema 

con velocidad de flujo masico m y elevación z en relación con el plano de referencia de energía potencial, entonces 



E p  m gz 

E p (J/s) puede considerarse, en consecuencia, como la velocidad a la cual el fluido transporta a la energía potencial gravitacional hacia el sistema. Como por lo general nos interesa el cambio de energía potencial cuando un cuerpo o fluido de desplaza de una elevación a otra     E p 2  E p1  m g  z 2  z1  , la elevación que se elija como plano de referencia no es importante.  

Incremento de la energía potencial de un fluido en movimiento Se bombea petróleo crudo a razón de 15.0 kg/s desde un punto que se encuentra a 220 metros por debajo de la superficie terrestre hasta un punto que está 20 metros más arriba del nivel del suelo. Calcule la velocidad de incremento de energía potencial concomitante. Solución Los subíndices 1 y 2 denotaran el primer y segundo puntos, respectivamente: 







 E p  E p 2  E p1  m g  z 2  z1    15.0 kg  9.81 m  1 N  20   220m  35 300 N  m / s  35 300 J / s  E p    2  1 kg  m / s 2   s  s 



La respuesta también podría expresarse como 35,300 W o 35.3 kW. Una bomba tendría que proporcionar por lo menos toda esta potencia para elevar el petróleo a la velocidad dada. ENERGÍA INTERNA.- toda la que posee un sistema además de sus energías cinética y potencial; por ejemplo, la debida al movimiento de las moléculas en en relación al centro de masa del sistema, al movimiento rotacional y vibracional, y a las interacciones electromagnéticas de las moléculas, y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos y subatómicos de estas ultimas. [1] Supongamos que un sistema de proceso es cerrado, cerrado, es decir, no hay transferencia de masa a través de sus fronteras mientras el proceso proceso se realiza. La energía que que puede transmitirse entre un sistema de este tipo y sus alrededores de dos maneras: 1.

En forma de calor o energía que fluye como resultado de la diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. La dirección de flujo siempre siem pre es del la temperatura mas alta a la mas baja. El calor se define como positivo cuando se transfiere de los alrededores al sistema.

2. Como trabajo o energía que fluye en respuesta respuesta de cualquier fuerza impulsora que no sea una diferencia de temperatura, temperatura, como una fuerza, a un torque (momento de torción) torción) o un voltaje. Por ejemplo, si un gas se expande dentro de un cilindro y mueve un pistón contra una fuerza restrictiva, el gas realiza el trabajo sobre el pistón (se transfiere energía en forma de trabajo del gas a sus alrededores los cuales incluyen el pistón). pistón). Los términos “trabajo” y “calor” se refiere solo a la energía que se transfiere: puede hablar del calor

o el trabajo que se añade o desprende del sistema. La energía interna no se puede medir directamente porque no existe un instrumento instrumento para medirla, por lo tanto, se calcula a partir de las variables como la presión, el volumen, la temperatura y la composición. Por lo regular los cambios de energía interna se calculan los valores de la Entalpía. 

ENTALPÍA.- ( H ) Esta variable se define como la combinación de dos variables que aparecen con frecuencia en los balances de energía. [4] La entalpía especifica, se define como: 

H  U  PV

P = presión V = volumen U = energía interna A presión constante 

 H  QP  C P T El cambio de entalpía en un sistema es igual al calor solo cuando el proceso se lleva acabo a 

presión constante. En un proceso a presión constante en el cual se desprende calor, el  H es negativo; esto significa que el estado final del sistema tiene menor entalpía que el inicial.       d  ME  L1  E P1  E k 1  H 1   Q  W  L2  E P 2  E k 2  H 2   dt    

Si

L1  L2  L



   L  E k 1   E P   H 1   Q  W  

En donde

 E k   E k 2  E k 1





 H   H 2   H 1

En los balances anteriores hay que tener cuidado con las unidades que se empleen. El sistema mas empleado en la actualidad es el SI. El término Q, que es el calor neto, deberá evaluarse mediante el cálculo del calor entrante al sistema, menos el calor saliente del mismo. El término W =  = trabajo trabajo neto, deberá deberá evaluarse restando restando el trabajo entrante al proceso o equipo, menos el trabajo saliente.

OTROS TÉRMINOS EMPLEADOS Sistema. Cualquier Sistema. Cualquier masa de material o pieza de equipo especifico al cual se dedica la atención, Un sistema rodeado de un limite que evita el intercambio de masa o energía con los alrededores se define con sistema cerrado, o sistema sin flujo, a diferencia del sistema abierto o sistema con flujo, en que se permite tanto el intercambio de materia como de energía. Propiedad. Es Propiedad. Es cualquier característica del material que puede medirse, como la presión, volumen o temperatura. O indirectamente como la energía interna. Propiedad extensiva. Es extensiva. Es aquella que su valor corresponde a la suma de los valores de cada uno de los sub-sistemas que comprenden el sistema total. Como la mas y el volumen. Propiedad intensiva. intensiva. Es aquella cuyos valores no son aditivos y no varían con la cantidad de muestra del sistema. Como la temperatura, la presión, densidad, que no varían si el sistema se divide. Calor. Por Calor. Por lo general se defina como la parte del flujo total de energía que pasa por un límite de sistema y el cual esta provocada por un gradiente de temperatura entre el sistema y los alrededores. Trabajo. Se Trabajo. Se define la energía transferida entre el sistema y los alrededores por medio de un vector de fuerza que actúa sobre un desplazamiento de vector en los límites del sistema. Estado. Materia Estado. Materia con un conjunto determinado de propiedades en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o configuración del sistema sino solo de sus propiedades intensivas. Capacidad calorífica. Es calorífica. Es la cantidad de energía requerida para incrementar la temperatura tem peratura de una sustancia un grado, a volumen constante Cv o a presión constante Cp. Calor especifico. especifico. Es la relación de la capacidad calorífica de una sustancia con la capacidad calorífica de una sustancia de referencia. Proceso Isotérmico. Es Isotérmico. Es proceso de temperatura tem peratura constante. Proceso isobárico. Es isobárico. Es un proceso a presión constante.



Proceso isocórico. Proceso isocórico. Proceso a volumen constante. Proceso adiabático. Proceso adiabático. Proceso sin intercambió de calor. Calor sensible. sensible. Es la diferencia de entalpía entre alguna temperatura de referencia y la temperatura del material en consideración, sin incluir cualquier diferencia de entalpía por cambios de fase. Calor latente. Es latente. Es la diferencia de entalpía a temperatura constante y con cambio de fase. Calor Calor de fusi ón. Es ón. Es el cambio de entalpía desde un sólido hasta un líquido. Calor Calor de evaporación. evaporación . Es el cambio de entalpía para la transición de fase entre líquido y vapor. Calor de sublimación. Es sublimación. Es el cambio de entalpía para la transición de manera directa de solidó a vapor. Calor Calor de co ndensación. Es ndensación. Es el cambio de entalpía de fase de gas a líquido. Potencia. Se Potencia. Se define como el régimen de tiempo durante el cual se efectúa un trabajo. Eficiencia. Es Eficiencia. Es la relación de la potencia entregada entre la potencia recibida.

Conservación Conservación de la energía energía en en lo s pr ocesos de flu jo. Considerando un proceso de estado continuo, como se muestra en la figura, en la que el fluido entra en un conducto redondo de diámetro constantemente decreciente de un punto A, a un punto B. Se supone que se efectúa un trabajo W en kgm sobre el fluido, se añade Q kcal al fluido entre los puntos A y B, y en fricción se consumen F kgf de trabajo.

El balance de energía total es: E A  mXa g / g c  mP AV A  mv A2 / 2 g c  Q  E B  mXb g / g c  mP BV B  mv B2 / 2 g c  F  W

La base para la ecuación es una unidad de tiempo, y que m es la masa que pasa por el proceso o a través del tubo en esa unidad de tiempo. La ecuación debe expresarse normalmente por unidad de masa, y la relación de g/g c. Por ser casi igual a la unidad, por lo tanto la ecuación ecu ación se expresa en términos de energía por unidad de masa.



e A  Xa  P AV A  mv A2 / 2 g c  q  e B  Xb  P BV B  mv B2 / 2 g c  f  w

Conservación Conservación de la energía energía en en lo s p rocesos estáticos. En procesos estáticos o sin flujo como, una reacción química en un recipiente cerrado, un gas expandiéndose dentro de un cilindro, o un fluido calentándose en un recipiente sellado, se presenta un balance de energía entre una condición inicial A y la condición final B. En estos procesos no hay corrientes de entradas ni salidas, por lo tanto los términos de energía cinética es igual a cero, la energía potencial se considera despreciable y supone que hay fricción en el sistema. La ecuación seria:  E  Q  W

 E  E B  E A Cambio de energía interno del sistema Q  Calor añadido al sistema W  Trabajo realizado por el sistema El trabajo hecho por un sistema cerrado es cuando el sistema se expande, y cuando el trabajo es hecho sobre el sistema es cuando el medio que lo rodea causa que el sistema se comprima.

REACTORES QUIMICOS

Clasificación por método de operación

ISOTÉRMICOS ADIABATICOS

SISTEMAS CERRADOS: NO HAY ENTRADA NI SALIDA DE MASA W

Q



SISTEMAS ABIERTOS: SI HAY ENTRADA Y SALIDA DE MASA WS

Q

Entalpia i) energía asociada al flujo ii) energía interna más trabajo necesario para que entre (al) o salga del sistema una corriente



WS

j

i

Q

MOVIMIENTO DE FLUIDOS ESTADO ESTACIONARIO ESTACIONARIO

Z1 V1 P1 T1

Z2 V2 P2 T2



ECUACIÓN DE BERNOULLI

CAPITULO 4 B ALANCE AL ANCE DE ENERGÍA ENERGÍA CON REACCIÓN QUIMICA QUIMICA En cualquier reacción entre moléculas estables se requiere energía para romper los enlaces químicos del reactivo y se libera energía cuando se forman los enlaces del producto. Si el primer proceso absorbe menos energía de la que se libera en el segundo, la reacción es exotérmica: exotérmica: las moléculas del producto a una temperatura y presión dadas tienen energías internas inferiores (y por tanto entalpías menores) que las moléculas del reactivo a las mismas temperatura y presión. Por otra parte, si se libera menos energía al formarse los enlaces del producto de la que tomo romper los enlaces del reactivo, la reacción es endotérmica: endotérmica: es necesario agregar energía como calor o trabajo para evitar que la l a temperatura disminuya. [4] La cantidad de calor absorbido o desprendido es conocido como calor de reacción, y es igual al cambio de entalpía de la reacción. La Termodinámica es la rama de la ciencia que trata los cambios de energía generalmente en forma de calor, que acompañan a las reacciones químicas. Para una reacción de tipo de flujo en el que se supone que los cambios de energía potencial y cinética son despreciables y en el que no se efectué un trabajo eléctrico o mecánico, el calor añadido es igual al cambio de entalpía del sistema. 

Q   H

Para una reacción estática (sin flujo) a presión constante, el calor añadido es igual al cambio de entalpía, y se aplica la ecuación anterior. Para una reacción estática a volumen constante, el calor añadido es igual al cambio de energía interna del sistema. Q   E 

Calor de reacción (o entalpía de reacción),  H r T , P , es el cambio de entalpía para un proceso en el cual las cantidades estequiométricas de reactivos a T y P reaccionan en su totalidad en una reacción única, para para formar productos a las mismas temperatura y presión.

El calor de reacción depende de la naturaleza de los reaccionantes y de los productos formados, es decir, si son elementos, compuestos, etc. Y de sus estados físicos, es decir, si son líquidos, gases o sólidos.





El calor normal de reacción  Hr 25 º C puede ser definido como el cambio de entalpía que resulta de una reacción reacción dada que tenga lugar a una presión tot al de una atmósfera y estando estando tanto los r eaccionantes eaccionantes como los pr oductos a una temperatura temperatura constante de 25ºC. 25ºC. [1] [1] El calor de reacción asociado con un cambio químico depende de la naturaleza y el estado físico de cada uno de los reaccionantes y de los productos. Es necesario especificar la naturaleza y estado físico de cada uno de los materiales que entran en la reacción. Al escribir las ecuaciones de las reacciones químicas, el estado de agregación es mostrado por una letra entre paréntesis siguiendo a la formula química, para sólidos (s), líquidos (l) y gases (g). Por ejemplo: 6 C s   3 H 2 g   C 6 H 6 l  Ocasionalmente se acompaña a estas letras entre paréntesis otra información relacionada con el estado de agregación. S rombicos   O2 g   SO2 g  Cuando se conoce el calor de reacción para un cambio químico dado, este calor siempre esta asociado con la reacción que procede de izquierda a derecha en la ecuación, según esta escrita. Por ejemplo: Fe2 O3 s   2 Als   Al2 O3s   2 Fes  

 H º r  2.030 x105 kcal / mol kg Si la reacción tuviese lugar en dirección inversa, el calor de reacción tendría el signo contrario. La mayoría de las reacciones químicas desprenden calor, y son llamadas exotérmicas. Las reacciones de este tipo tienen valores negativos. Las reacciones químicas a temperaturas normales, son comunes las reacciones de absorción de calor llamadas también endotérmicas. Las reacciones de este tipo tienen valores positivos. 

Calor de formación.  H º f , de una sustancia es el cambio de entalpía que resulta de una reacción en la cual los elementos están inicialmente a alguna temperatura y presión especificadas, y el producto es obtenido a las mismas condiciones de temperatura y presión. El calor normal de formación es cuando las condiciones de temperatura son de 25º C y presión presión de 1 atm. 

Calor estándar de combustión.  H º c , es el calor de la combustión de dicha sustancia con oxigeno para dar productos específicos .Para la gran mayoría de las sustancias orgánicas los productos finales son bióxido de carbono gaseoso y agua liquida, sin embargo, los productos finales de combustión deberán estar siempre acompañados de datos de calor de combustión. Calculo de calor de reacción a partir de los calores de formación. El calor de reacción que resulta de cualquier cambio químico puede ser calculado si se conocen los calores de formación de todos los materiales involucrados. Si se disponen de estos datos a temperatura de 25º C y 1 atm de presión, puede obtenerse el calor normal de reacción. El cambio de entalpía es igual a la suma algebraica de los calores de formación de los reaccionantes. 





 H recc.    H f  pro ductos    H f reactan tes  a 25º C



El calor de formación de todos los elementos que entran en la reacción es cero si su estado de agregaciones el seleccionado sobre de la base de los calores de formación de sus compuestos. Ejemplos:

 1 / 2 O2 g  

CO g 

110.52 

0

CO2 g  

  393.51

 H º f  393.51  110.25  282.48 kj / g mol

H 2  g   1 / 2 O2 g   H 2 Ol 

0

 0



 285.838

 H º f  285.838 kj / g mol

 H 2 O g 

H 2 Ol 

 285.838



 241.826

CH 4  g  

2 O2 g  

74.84 

2 0

 H º f  241.826   285.838 kj / g mol

CO2  g   2 H 2 Ol 

  393.51  2285.838 

 H º f  393.51  2285.838  74.84  890.36 kj / g mol Calculo de calor de reacción a partir de los calores de combustión. Los datos térmicos disponibles para la mayoría de los compuestos orgánicos lo están en la forma de calores de combustión. El calor de reacción es igual a la entalpía de los productos menos las entalpías de los reaccionantes. 

 H recc. 





 H c  pro ductos 





 H c reactan tes 

a 25º C



PROBLEMAS (2.2) Felder Use la tabla de factores de conversión para transformar: a) 760 millas/hora a m/s b) 921 kg/m 3 a lbm/ft3 c) 5.37 X 10 3 kJ/min a hp. d) Cuántos minutos tienen dos años años que no sean sean bisiestos. (2.22) Felder El número de Prandtl, Npr, es un grupo adimensional importante en los cálculos de transferencia de calor y se define como Cpµ/k, donde Cp es la capacidad calorífica del fluido, µ es la viscosidad del fluido y k es la conductividad térmica. Para un fluido dado, Cp = 0.583 J/(g·ºC), k = 0.286 W/(m·ºC), y µ =1936 lbm/(ft·h). Estime el valor de Npr sin emplear calculadora (recuerde: es adimensional), y muestre sus cálculos; después, compruebe con su calculadora. (2.23) Felder El número de Reynolds es Reynolds es un grupo adimensional que se define como sigue para un líquido que fluye por una tubería: Re = Duρ/µ Donde D es el diámetro de la tubería, u es la velocidad del fluido, ρ es su densidad y µ su viscosidad. Cuando el valor del numero de Reynolds es menor de, aproximadamente, 2100, el flujo es laminar – es decir, el líquido líquido se mueve en líneas de flujo suave -. Para números de Reynolds mayores de 2100, el flujo es e s turbulento, caracterizado por considerable agitación. La metil etil cetona (MEK) líquida fluye a través de una tubería con diámetro interno de 2.067 pulgadas a velocidad promedio de 0.48 ft/s. Si la temperatura del fluido es de 20ºC, la densidad de la MEK líquida es 0.805 g/cm 3 y la viscosidad es de 0.43 centipoises [1 cP = 1.00 × 10 -3 kg/(m·s)]. Sin emplear la calculadora, determine si el flujo es laminar o turbulento. Muestre sus cálculos. (2.25) Felder Un cristal iniciador de diámetro D (mm) se coloca en una solución de sal disuelta y se observa la nucleación de nuevos cristales (formación) a velocidad constante r (cristales/min). Los experimentos con cristales iniciadores de diferente tamaño indican que la velocidad de nucleación varía según el diámetro de éstos, como com o sigue: r (cristales/min) = 200 D – 10D2

(D en mm)

a) ¿Cuáles son las unidades unidades de las constantes constantes 200 y 10? (suponga que la ecuación dada es válida y, por tanto, dimensionalmente homogénea.) b) Calcule la velocidad de nucleación en cristales/s que corresponde al diámetro del cristal de 0.050 pulgadas. c) Derive una fórmula para para r (cristales/s) en términos términos de D (pulgadas). (Vea el ejemplo 2.6-1.) Verifique la fórmula con el resultado del inciso b). (2.26) Felder La densidad de un fluido se ob obtiene tiene mediante la siguiente ecuación empírica: 7   70.5 exp(8.2710 P) Donde ρ es la densidad (lb m/ft3) y P es la presión en (lb f /in. /in.2). -7 a) ¿Cuáles son las unidades unidades de 70.5 y 8.27X10 ?



b) Calcule la densidad en g/cm 3 para una presión de 9.00X10 6N/m2 c) Derive una fórmula para ρ (g/cm 3) en función de P(N/m2). (Vea el ejemplo 2.6-1.) Compruebe su resultado empleando la solución del inciso b). (3.18) Felder Una suspensión de partículas de carbonato de calcio en agua fluye por una tubería. Le piden que determine la velocidad de flujo y la composición de esta lechada. Procede entonces a tomar una muestra de la corriente en una probeta graduada durante 1.00 min; después, pesa la probeta, evapora el agua recolectada y vuelve a pesar la probeta, obteniendo los siguientes resultados: Masa de la probeta vacía: 65.0 g Masa de la probeta + la lechada recolectada: 565 g Volumen recolectado: 455 ml Masa de la probeta tras la evaporación; 215 g Calcule: (a) las velocidades de flujo volumétrico y másico de la suspensión. (b) la densidad de la suspensión. (c) la fracción fracción másica de CaCO 3 en la suspensión. (3.2) Felder Determine las densidades de las siguientes sustancias en lb m/ft3: a) Un líquido líquido con una densidad de 995 kg/m 3. Use (i) los factores de conversión de la tabla que se encuentra en la cara interna de la cubierta delantera del libro, y (ii) La ecuación 3.12. b) Un solido con gravedad especifica de 5.7. (3.3) Felder La densidad relativa aproximada de la gasolina es 0.70. a) Determine la la masa (en kg) de 50.0 litros litros de gasolina. b) La velocidad de flujo másico de la gasolina que sale de un tanque de refinería es 1150 kg/min. Estime la velocidad de flujo volumétrico en litros/s. (3.36) Felder La gran inundación de melaza en Boston ocurrió el 15 de enero de 1919. En ella 2.3 millones de galones de melaza cruda fluyeron de un tanque de almacenamiento de 30 ft que se rompió, dando muerte a 21 personas personas y lesionando a otras 150. La gravedad específica estimada de la melaza cruda es de 1.4. ¿Qué masa de melaza había en el tanque en lb m y cuál era la presión en el fondo del tanque en lbf /in /in2? Indique dos posibles causas de la tragedia. (3.4) Felder Suponga que el precio aproximado de la gasolina en Francia es de d e 5 francos franceses por litro y el tipo de cambio es 5.22 francos por dólar estadounidense. ¿Cuánto pagaría, en dólares, dó lares, por 50.0 kg de gasolina en Francia, suponiendo que la gasolina tiene una gravedad especifica de 0.70? (3.6) Felder Una solución acuosa a 25ºC que contiene 35.0% por peso de H 2SO4 tiene una gravedad especifica de 1.2563. Se requiere una cantidad de la solución al 35% que contenga 195.5 kg de H 2SO4.



a) Calcule el volumen necesario (L) de la solución utilizando la gravedad específica que se indica. b) Estime el porcentaje de error que hubiera resultado si se hubieran usado las las gravedades especificas de los componentes puros del H 2SO4 (GE = 1.8255) y del agua para el cálculo, en vez de la gravedad específica de la mezcla indicada. (3.19) Felder Una mezcla contiene 10.0 mol % de alcohol etílico, 75.0 mol % de acetato de etilo (C 4H8O2), y 15.0 mol % de ácido acético. Calcule las fracciones másicas de cada compuesto. ¿Cuál es el peso molecular promedio de la mezcla? ¿Cuál seria la masa (en kg) de una muestra m uestra que contuviera 25.0 kmol de acetato de etilo? (3.32) Felder Lleve a cabo las siguientes conversiones de presión suponiendo, si es necesario, que la presión atmosférica es 1 atm a menos que se indique lo contrario, las presiones dadas son absolutas. (a) 2600 mm Hg a psi (b) 275 ft de H 2O a kPa. (c) 3.00 atm a N/cm 2 (d) 280 cm Hg a dinas/m 2 (e) 20 cm Hg de vacío a atm atm (absolutas) (f) 25.0 psig a mm Hg (manométrica) (g) 25.0 psig a mm Hg (absoluta) (h) 325 mm Hg a mm Hg manométrica (i) 35.0 psi a cm de tetracloruro de carbono. carbono. (2.1) Reklaitis (a) El flujo de alimentación a un secador se especifica como 1000 lb m/h. Calcule el flujo en kg/min. (b) En un proceso de amoniaco se producen producen 10 5 lbmol/día. Calcule la producción equivalente en gmol/h. (2.2) Reklaitis Una planta produce una mezcla de 90 % en mol de etanol (C 2H5OH) y el resto agua. a) Calcule la fracción masa del etanol. b) Si la producción de la planta es 1 000 lbmol/h, calcule la producción producción equivalente en kg/min. c) Para la producción de (b), calcule los flujos molares de los componentes de la corriente en kgmol/h. (2.3) Reklaitis Una corriente contiene H2O 0.4 C2H5OH 0.3 CH3OH 0.1 CH3COOH 0.2 Todo en fracciones peso, se alimenta a una columna de destilación a razón de 1 000 lb m/h. Convierta estas variables de las corrientes a: a) Flujos molares por componente. b) Flujo molar total y fracciones mol. c) Fracciones mol, en base libre de agua.



(2.4) Reklaitis Una solución que contiene Na 2S, NaOH y Na 2CO3 en agua se conoce como “licor blanco” y se usa en la industria del papel para procesar pulpa de madera. Supóngase que el análisis del laboratorio indica 50 g/l de Na 2S, 250 g/ de NaOH y 100 g/l de Na 2CO3. Si la densidad de la solución es 1.05 g/cm3, calcule los flujos molares por componente, correspondientes a un flujo total de la corriente de 1 000 kgmol/h. (2.5) Reklaitis A un proceso de producción de metano a partir de gas de síntesis y vapor de agua, se alimentan 6 kgmol/min de un gas que contiene 50% de H 2, 33 1/3% de CO y el resto CH 4 (todos en base molar), así como 72 kg/min de vapor de agua. agua. Los productos son 3 kgmol/min de agua líquida y 96 kg/min de un gas que contiene 25% de CH 4, 25% de CO y el resto de H 2 (todos en base molar) Determine con tres cifras significativas, si a) Se conserva la masa total. b) Se conservan los moles totales. c) Se conservan conservan los moles de cada tipo de átomo. átomo. (2.6) Reklaitis Un proceso de producción de yoduro de metilo, CH 3I, tiene las corrientes de entrada y de salida que se muestran en la figura. La corriente de desperdicio consiste de 82.6% (en peso) de HI y el resto agua, mientras que la corriente de producto contiene 81.6% (en peso) de CH 3I y el resto CH3OH. Determine con tres cifras significativas, si a) Se conserva la masa total. b) Se conserva el número número total total de moles. c) Se conserva conserva el número de moles de cada tipo de átomo. d) Se conserva conserva la masa de cada tipo de sustancia sustancia química. química. e) ¿Qué puede concluirse que ocurre en este proceso? (2.7) Reklaitis En una planta de acido sulfúrico, se mezclan 100 lbmol/h de una corriente que contiene 90% mol de H 2SO4 en agua, con 200 lbmol/h de una corriente que contiene 95% mol de H 2SO4 en agua y con 200 lbmol/h de una corriente que consiste de 15% mol de SO 3 en N2. El resultado es 480 lbmol/h de una corriente mezclada que contiene 170 lbmol/h de N 2, 62.5% mol de H 2SO4, nada de agua y el resto SO 3. Determine mediante cálculos, si: (a) Se conserva conserva la masa total. (b) Se conserva el número total total de moles. (c) Se conserva el número de moles de cada tipo de átomo. átomo. (d) Se conserva la masa de cada sustancia (e) Si el balance de masa no resulta, ¿Cual ¿Cual es la explicación más probable?

(2.9) Reklaitis Puede recuperarse acetona de un gas portador, disolviéndola en una corriente de agua pura en una unidad llamada absorbedor. En el diagrama de flujo de la figura P2.9 200 lb m/h de una corriente con 20 % de acetona se tratan tratan con 1 000 lb m/h de una corriente de agua pura, lo que produce un gas con descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua. Supóngase que el gas portador no se disuelve en el agua. a) Determine el número de variables de corrientes independientes y de balances de materia que hay en el problema. b) Exprese todas las ecuaciones de balance de materia.



c) Calcule todas las variables de corrientes desconocidas. (4.1) Felder Se introduce agua a un tanque de 2.00 m 3 a una velocidad de 6.00 kg/s y se retira a una velocidad de 3.00 kg/s. en el inicio, el tanque está lleno hasta la mitad. (a) Indique si este proceso es continuo, continuo, intermitente o semicontinuo. ¿Se encuentra en estado estado transitorio o estacionario? (b) Escriba el balance de masa para el proceso proceso (vea el ejemplo 4.2-1 Felder). Identifique los términos de la ecuación general de balance (ecuación 4.2-1 Felder) presentes en su ecuación e indique el motivo para omitir cualquier término. (c) ¿Cuánto tardara tardara el tanque en rebosar? (4.9) Felder Las fresas contienen cerca del 15 % por peso de sólidos y 85 % por peso de agua. Para fabricar jalea de fresas, se combina la fruta molida con azúcar en una proporción 45:55% en masa y la mezcla se calienta para evaporar el agua hasta que el residuo contiene un tercio de agua en masa. a) Dibuje y marque el diagrama de flujo de este proceso. b) Realice el análisis de grados de libertad y demuestre que el sistema tiene cero grados de libertad (es decir, el numero de variables de proceso desconocidas es igual al número de ecuaciones que las relacionan). En caso de que tenga demasiadas incógnitas, piense que olvido hacer. c) Calcule cuantas libras de fresa se requieren para hacer una libra de jalea. (4.12) Felder Se destilan 1000 kilogramos por hora de una mezcla que contiene partes iguales en masa de metanol y agua. Las corrientes corrientes de producto salen por por las partes superior e inferior de la columna de destilación. Se mide la velocidad de flujo del destilado pesado y se ve que es 673 kg/h, y se analiza la corriente de destilado ligero y se encuentra que contiene 96 % por peso de metanol. a) Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso y haga el análisis de grados de libertad. b) Calcule las fracciones másicas y molar de metanol y las velocidades velocidades de flujo molar de metanol y agua en la corriente del producto pesado. c) Suponga que se analiza la corriente de destilado pesado y se determina que la fracción molar de metanol es mucho mayor que el valor calculado en el inciso b). Mencione todas las razones que se le ocurran para esta discrepancia. Incluya en su lista las posibles violaciones o las suposiciones efectuadas en el inciso b). (2.19) La alimentación a un sistema fraccionador de dos columnas es de 30 000 lb m/h de una mezcla que contiene 50% de benceno benceno (B), 30% de tolueno (T) y 20% de xileno (X). La alimentación se introduce en la columna I y resulta en un destilado con 95% de benceno, 3% de tolueno y 2% de xileno. Los fondos de la columna I se alimentan a la segunda columna, de la cual se obtiene un destilado con 3% de benceno, 95% de de tolueno y 2% de de xileno. Supóngase que 52% de la alimentación aparece como destilado en la primera columna y que 75% del benceno alimentado a la segunda columna aparece en el destilado de ésta. Calcular la composición y flujo de la corriente de fondos de la segunda columna. (2.11) Reklaitis En una columna de destilación se separa una mezcla equimolar de etanol, propanol y butanol, 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 1 000 mol/h.



(4.17) Felder Una mezcla de pintura que contiene 25 % de un pigmento y el balance de agua se vende en $18.00/kg, y otra que contiene 12 % de pigmento se vende en $10.00/kg. Si un minorista produce una mezcla de pintura con 17 % de pigmento, ¿en qué precio ($/kg) deberá venderla para obtener una ganancia de 10 %? (4.16) Felder Dos soluciones acuosas de ácido sulfúrico que contienen 20 % por peso de H 2SO4 (GE=1.139) y 60 % en peso de H 2SO4 (GE=1.498) se mezcla para formar una solución 4 molar (GE=1.213). a) Calcula la fracción másica del ácido sulfúrico en la solución de producto. b) Tomando como base 100 kg de la solución de alimentación al 20 %, dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso, marcando masa y volúmenes y haga el análisis de grados de libertad. Calcule la porción de alimentación (litros de solución al 20 %/litro de solución al 60 %). c) Que velocidad de alimentación en la solución al 60% (L/h) se requiere para dar 1250 kg/h del producto. (4.28) Felder El siguiente diagrama de flujo marcado para un proceso de dos unidades en estado estacionario, indicando las fronteras para denotar los subsistemas sobre los cuales pueden hacerse balances. Indique el número máximo de balances que es posible escribir para el sistema y el orden en el cual escribiría dichos balances para determinar las variables desconocidas del proceso.

F4 = 200 C g/s

F1 = 800 g/s X11=0.2 A/g X12=0.8 B/g

F6 = 475 g/s X61 = X62= X63 =

UNIDAD 1

F3= X31 = X32=

F5= X51= X52= X53=

UNIDAD 2

F2= 100 A g/s F7 = X71 = 0.012 A/g X72 = 0.558 B/g X73 = 0.430 C/g (4.60) Felder Se sintetiza metanol a partir de monóxido de carbono e hidrógeno en un reactor catalítico. La alimentación fresca al proceso contiene 32 mol % de CO, 64 % de H 2 y 4 % de N 2. Esta corriente se mezcla con una de recirculación en una proporción de 5 mol de recirculación/1 mol de alimentación fresca para producir la alimentación al reactor, el cual contiene 13 mol de N 2. En el reactor se logra una conversión baja en un paso. El efluente de dicho reactor pasa a un



condensador del cual emergen dos corrientes: una de producto liquido que contiene casi todo el metanol formado en el reactor, y otra de gas que contiene todo el CO, H 2, N2 que salen de este ultimo. La corriente de gas se divide en dos fracciones: una se retira del proceso como purga y la otra es la de la recirculación que se combina con la alimentación fresca al reactor. Para una base de alimentación fresca de 100 mol/h calcule la velocidad de producción del metanol (mol/h), la velocidad de flujo molar y la composición del gas de purga. Las conversiones en un paso y total. (2.20) Reklaitis El flujo de alimentación a una unidad consiste de dos columnas que contiene 30 % de benceno, 55 % de tolueno y 15 % de xileno. Se analizará el vapor del destilado de la primera columna y se encuentra que tiene 94.4 % de benceno, 4.54 % de tolueno y 1.06 % de xileno. Los fondos de la primera columna se alimentan a la segunda columna, en esta segunda columna se planea que 92 % de tolueno original cargada a la primera columna se recupere en la corriente de destilado y que el tolueno constituya el 94 % de la corriente. Se planea además que el 92.6 % de xileno cargado a la columna 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 el análisis de todas las corrientes que salen de la unidad y la recuperación porcentual de benceno en la corriente destilado de la primera columna. Anderson & Wenzel El nitrobenceno se produce por nitración de benceno usando una mezcla de ácidos, la reacción es la siguiente: C6H6 + HNO3

H2SO4

C6H5NO2 + H2O

La conversión del benceno al nitrobenceno es de 97 % se usan 1000 lbm de benceno y 2070 lbm de una mezcla de ácidos; la mezcla de ácidos es del 39 % de HNO 3 y 53 % de H 2SO4 y 8 % de H2O. Cuanto exceso de HNO 3 se usa y cuanto C 6H5NO2 se produce. (4.18) Felder Se hace pasa azúcar húmeda, que contiene la quinta parte en masa de agua en un evaporador en el cual se evapora 85 % del agua en la entrada. a) Tomando como base 10 1000 kg de alimentación calcule: (i) (i) x w la fracción másica del agua en la azúcar húmedo que sale del evaporador, y (ii) la proporción (kg de H 2O evaporada/kg de azúcar húmedo que sale del evaporador). b) Si se alimentan 1000 ton/día de azúcar húmedo al evaporador, ¿qué cantidad adicional de agua deberá retirarse del azúcar de salida para secarla en su totalidad, y que ingresos anuales podrán esperarse si el azúcar seca se vende en $ 0.15/lb m? c) Se construye el evaporador para alcanzar la velocidad de producción del inciso b), se instala y arranca, y se mide el contenido de agua del azúcar parcialmente seca en días sucesivos de operación. Se obtiene los siguientes resultados: Día xw

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.0513 0.0486 0.0500 0.0507 0.0541 0.0498 0.0512 0.0474 0.0511 0.0494

En corridas subsecuentes, es necesario para el evaporador para darle mantenimiento cuando x w descienda más de tres desviaciones estándar respecto a la media de esta serie de corridas. Calcule los puntos finales de este rango. (4.29) Felder Una mezcla líquida que contiene 30 % mol de benceno (B), 25 % de tolueno (T), y el resto de xileno (X) se alimenta a una columna de destilación. El producto pesado contiene 98 mol % de X y



nada de B, y 96 % de X en la alimentación se recupera en esta corriente. El producto ligero se alimenta a una segunda columna. El destilado ligero de la segunda columna contiene 97% de B en la alimentación de esta columna. La composición de esta corriente es 94 mol % de B y el balance de T. a) Dibuje y marque el diagrama de flujo para este proceso y haga el análisis de grados grados de libertad para probar que, para una base de cálculo supuesta, es posible determinar las velocidades de flujo molar y las composiciones de todas las corrientes del proceso a partir de la información dada. Escriba en orden las ecuaciones que resolvería para calcular las variables desconocidas del proceso. Calcule (i) el porcentaje de benceno en la alimentación del proceso (es decir, la alimentación a la primera columna) que emerge en el producto ligero de la segunda columna y (ii) el porcentaje de tolueno en la alimentación del proceso que emerge en el producto pesado de la segunda columna. (4.57) Felder Se produce metanol haciendo reaccionar monóxido de carbono e hidrógeno. La corriente de alimentación fresca contiene CO y H 2 se une a la corriente de recirculación y la corriente combinada se alimenta a un reactor. La corriente de salida del reactor fluye a velocidad de 350 mol/min y contiene 10.6 % por peso de H 2, 64 % por peso de CO y 25.4 % por peso de CH 3OH (obsérvese que estos son porcentajes en masa, no porcentajes molares). Esta corriente entra a un enfriador donde la mayor parte del metanol se condensa. El metanol liquido condensado se retira como producto y la corriente de gas que sale del condensador la cual contiene CO, H 2 y 0.40 % mol de vapor de CH 3OH sin condensar y se recircula y combina con la alimentación fresca. fresca. Sin hacer cálculos, pruebe que tiene suficiente información para determinar: i) la velocidad de flujo molar de CO y H 2 en la alimentación fresca; ii) la velocidad de producción del metanol líquido; iii) la conversión en un paso y la conversión total del CO. Después realice los cálculos. (4.50) Felder El etano se clora en un reactor continuo: C2H6 + C12

C2H5Cl + HCl

Parte del monocloroetano que se produce se clora a un más por una reacción secundaria indeseable: C2H5Cl + Cl2

C2H4Cl2 + HCl

a) Suponga que el objetivo principal sea maximizar la selectividad de producción de monocloroetano respecto a la producción del dicloroetano. ¿Diseñaría el reactor para que realizara una conversión alta o baja de etano? Explique su respuesta. (sugiera que si el contenido del reactor permaneciera en éste el tiempo suficiente para que se consumiera la mayor parte del etanol en la alimentación. ¿Cuál sería el principal constituyente del producto?) ¿Qué pasos adicionales con seguridad se llevaría a cabo para que el proceso fuera razonable desde el punto de vista económico? b) Tome como base una una producción de 100 moles de C2H5Cl. Suponga que la alimentación contiene solo cloro y etano, y que se consume todo el cloro. Haga el análisis de libertad basado en los balances de las especies atómicas. c) El reactor esta diseñado para dar una conversión conversión del 15 % de etano en una selectividad de 14 mol C2H5Cl/mol C2H4Cl2 con una cantidad insignificante de cloro en el gas producido. Calcule la proporción de alimentación mol Cl 2/mol C2H6 y la fracción de rendimiento del monocloroetano. Suponga que el reactor se construye y se arranca, y la conversión es solo del 14 %. El análisis cromatográfico muestra que no hay cloro en el producto, si no otra especie de mayor peso molecular que el dicloroetano. De una explicación posible para estos resultados



(2.13) Spencer Calcule la cantidad de moles y la masa de amoniaco necesario para preparar 3.00 g de óxido de nitrógeno, NO, con la siguiente reacción. 4NH3 (g) + 5O2 (g)

4NO (g) + 6H2O (g)

(3.2) Reklaitis La combustión del C 3H6 (propileno) hasta CO 2 y H2 puede describirse por cualquiera de las reacciones siguientes: C3H6 + 9/2 O 2 2C3H6 + 9 O2

3CO2 + 3H2O 6CO2 + 6H2O

Si se hacen reaccionar 10 mol/h de C 3H6 con 50 mol/h de O 2 obteniéndose la conversión completa de C3H6. ¿Calcular las velocidades de reacción para cada reacción? ¿De que manera se relacionan las 2 velocidades y por que? (3.3) Reklaitis Considera la reacción 3C2H5OH + 2 NaCr 2O7 + 8H2SO4

3CH3COOH + 2Cr(SO 4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O

a) Si una alimentación al reactor tiene la composición (porcentaje en mol) de 20% de C 2H5OH, 20% de NaCr 2O7 y el resto de H 2SO4 ¿Cual es el reactivo limitante? b) Si se alimenta a un reactor 230 kg/h de etanol ¿Qué flujos de alimentación de los otros dos reactivos serian necesarios para tener una mezcla estequeometríca de alimentación? (3.4) Reklaitis Se alimenta a un reactor una muestra equimolar de la sustancia A, B y C para producir el producto D mediante la reacción: A + 2B + 3/2C

2D + E

Si la conversión conversión del reactor es del 50% 50% calcular el número de alimentación al reactor.

D producidos por mol de

(3.10) Reklaitis El superfosfato se produce por la reacción de fosfato de calcio con acido sulfúrico de acuerdo con: Ca3 (PO4)2 + 2 H2SO4

CaH4 (PO4)2 + 2 CaSO 4

Si se hacen reaccionar 20 000 kg/día de fosfato de calcio crudo (que contiene 14% de impurezas impurezas inertes) con 15 000 kg/día de H 2SO4 al 92%, determine la velocidad de producción, suponiendo que la reacción se cumple en 95% ¿Cuál es el reactivo limitante? (3.27) Reklaitis Puede producirse benceno mediante desalquilación de tolueno siguiendo la reacción: C6H5CH3 + H2

C6H6 + CH4



Sin embargo esta reacción ocurre acompañada de la siguiente reacción: 2 C6H5CH3 + H2

(C6H5)2 + 2 C2

Para obtener un subproducto el o subproducto indeseado bifenilo debido a esta reacción paralela debe de mantenerse la conversión de tolueno a bajo del 100 % y deben efectuarse una serie de reparaciones con recirculación de los reactivos no utilizados usando una alimentación al reactor (corriente 3) que contiene 5 mol de hidrógeno/mol de tolueno, se alcanza una conversión global de tolueno del 75 % a) Suponiendo que la corriente de salida 6 contiene 5 % de benceno y 2 % de tolueno calcule el rendimiento fraccional de benceno en el reactor y los moles de H 2 necesarios para reposición por mol de tolueno alimentado. Suponiendo que alternativamente se especifique un contenido de 2 % de tolueno y 58 % de CH 4 en la corriente 6 calcule el funcionamiento fraccional de benceno. 4.7 Reklaitis Si el análisis de un gas de combustión es de 1.0% de CO, 2.6% de O 2, 55% CO 2 y 90.9 de N 2 en base seca, cuando se quema con 20% de exceso de aire. Un combustible que contiene CH 4, CH3OH y N2 ¿Cuál es la composición del combustible?

(3.37) (Antonio Valiente) Se van a destilar 6000 kg/h de una mezcla de metanol y agua que contiene 40 % en peso de metanol. Se espera que el destilado contenga 94 % de metanol y los productos de fondo 1.5 % de metanol en peso. Determinar la cantidad destilada y los fondos obtenidos. 4.56 Felder Se emplea un reactor catalítico para producir formaldehído a partir de metanol por la reacción: CH3OH

HCHO + H2

Se logra una conversión en un paso de 60.0% en el reactor. El metanol del producto del reactor se separa del formaldehído y el hidrógeno por un proceso de unidades múltiples. La velocidad de producción del formaldehído es 900 kg/h. a) Calcule la velocidad de alimentación del del metanol que se requiere en el proceso proceso (kmol/h) si no hay recirculación. Suponga que el metanol recuperado se recircula al reactor y que la conversión en un paso sigue siendo de 60.0 %. Compruebe sin realizar cálculos, que pose suficiente información para determinar la velocidad de alimentación de la corriente fresca del metanol que se requiere (kmol/h) y las velocidades (kmol/h) a las cuales este alcohol entra y sale del reactor. Después haga los cálculos.



RESULTADOS (2.2) Felder a) R = 340 m/s b) R = 57.444 lb m /ft 3 c) R = 120 hp d) R = 1051200 1051200 min mi n (2.22) Felder R = Npr = 1632.85 1632.85 (2.23) Felder R = Re = 14372.86 (2.25) Felder a) R = 200

cristales

min mm min

b) R = r = 3.965 c) R = 3.966

; 10

cristales 2 min mm min

cristales

segundo cristales segundo

(2.26) Felder a) R = 70.5

lbm 3

ft

; 8.27 10

b) R =   1.131

7

pul

2

lb f

g cm

3

(3.18) Felder a) R = 455 ml/min ; 500 g/min b) R = 1.0989 g/ml c) R = 0.3 f. masa de CaCO 3 (3.2) Felder a) R = (i) ρ líquido= ρ líquido= 62.06 lb m/ft3 y ii) ρ líquido= 62.117 lbm/ft3 b) R = ρ sólido= 355.85 lb m/ft 3 (3.3) Felder a) R = 35 kg b) R = 27.3 27.38 8 litro s/ segund o (3.36) Felder Melaza que había en el tanque R = 26 860 236.6 lb m



Presión en el fondo del tanque R = 263.88 lb f / / in 2 (3.4) Felder R = 0.35 0.35 dól ares / litr o (3.6) Felder a) R = 444.62 litros de solución (3.19) Felder Fracciones másicas de cada compuesto. Base 100 kmol Componente kmol Mi alcohol etílico 10.0 46 acetato de etilo 75.0 88 ácido acético 15.0 60 Total 100.0 Peso molecular promedio de la mezcla. R = 79.6 Masa (en kg). R = 2653.33 kg

kg 460 6600 900 7960

Fracción Fracción Masa 0.05779 0.82915 0.113065 1.000

(3.32) Felder (a) R = 5.03 psi (b) R = 821.96 kPa (c) R = 30.4 N/cm 2 (d) R = 3.7 X 10 10 dinas/m2 (e) R =0.737 =0.737 atm atm (abso lut as) (f) R = 1292.5 1292.5 mm Hg (manométri ca) (g) R = 2052.5 mm Hg (h) R = - 435 mm Hg (i) R = 1543.5 cm CCl 4 (2.1) Reklaitis a) R = 7.57 kg/min b) R = 1889958.3 1889958.3 gmol /h (2.2) Reklaitis a) R = 0.958 Componente C2H5OH H2O total

Xi (fracción mol) 0.9 0.1 1.0

Mi 46 18

Mi Xi 41.4 1.8 43.2

Wi (fracción (fracción masa) 0.958 0.042 1.000

b) R = 326.9 326.9 kg/mi n c) R = 408.6 408.6 kmol / h y 45. 4 kmol /h Componente C2H5OH H2O Total

lbmol /h 900 100 1000

kgmol/h 408.6 45.9 454.5



(2.3) Reklaitis a) Base 1000 lbm/h Componente H2O C2H5OH CH3OH CH3COOH Total

Xi (fracción mol) 0.4 0.3 0.1 0.2 1.0

Wi (fracción (fracción masa) 400 300 100 200 1000

Mi 18 46 32 60

Flujos molares 22.222 6.521 3.125 3.333 35.201

b) Componente H2O C2H5OH CH3OH CH3COOH Total

Flujos molares 22.222 6.521 3.125 3.333 35.199

(fracción (fracción mol) 0.63133 0.185 0.0887 0.0946 1.000

c) Componente H2O C2H5OH CH3OH CH3COOH Total

Flujos molares

(fracción (fracción mol) en base libre de agua

6.521 3.125 3.333 12.97

0.502 0.240 0.256 1.0

(2.4) Reklaitis Base de cálculo = 1 000 kgmol/h. Componente Na2S NaOH Na2CO H2O Total Componente Na2S NaOH Na2CO H2O Total

fracción masa 0.050 0.250 0.100 0.650 1.05 fracción masa 0.0476 0.2380 0.0952 0.6190 1.000

Base = 1 litro de solución Mi 78 40 106 18 Mi 78 40 106 18

Ni = kmol 6.4 X 10 -4 6.25 X 10-3 9.4 X 10 -4 0.03611 0.04394 Ni = kmol 6.102 X 10-4 5.95 X 10 -3 8.98 X 10 -4 0.03438 0.04183

Xi 0.0146 0.1422 0.02139 0.8218 1.000 Xi 0.01458 0.1422 0.02146 0.8218 1.000

Flujos molares 14.6 142.2 21.39 821.8 1000.00 Flujos molares 14.58 142.2 21.46 821.8 1000.00



(2.5) Reklaitis a) Base 6 kmoles/min de alimentación. R = Si Si se con serva la masa total Componente Xi Xi Fi Mi H2 0.5 3 2 CO 0.333 2 28 CH4 0.167 1 16 Total 1.000 6 Vapor de H2O Total

18

Componente CH4 CO2 H2 Total

Xi 0.25 0.25 0.5 1.000

H2O líquida Totales

Mi 16 44 2

Xi Mi 4 11 1 16

Wi 0.25 0.688 0.062 1.000

Salida

1

Componente H2 CO CH4 CO2 H2O Totales

Flujo másico (kg/min) 24 66 6 96 + 54 150

18

b) R = No No se cons ervan los moles tot ales Corriente Entrada kmol/min 3 2 1

2

kg/min 6 56 16

4 10

kg/min 6 56 16 78 + 72 150.00

kmol/min 3 1.5 1.5 3 9

72 150

kg/min 6 24 66 54 150

Se conserva No se conserva No se conserva No se conserva No se conserva

(2.6) Reklaitis a) R = Si Si co nserv a la masa total b) R = S i se conserva el número total de moles Componente HI H2O Totales Componente CH3I CH3OH Totales

Xi 0.826 0.174 1.000 Xi 0.816 0.184 1.000

Mi 128 18 Mi 142 32

Fi 6409.76 1350.24 7 760

Ni 50 75 125

Fi Fi 10640.64 2399.36 13040

Ni 75 75 150



c) R = Si Si se cons erva el el número d e moles de cada tipo d e átomo Componente HI CH3OH CH3I H2O Totales

Entradas H O 125 600 150

C 150 150

725

150

Salidas I 125

C

H 50 300 225 150 725

75 75 125

150

O

I 50

75 75 75 150

d) R = Si se conserva la masa de cada tipo de su stancia química Entradas Salidas Componente lbmol/día lbm/día lbmol/día lbm/día HI 125 16 000 50.076 6409.76 CH3OH 150 4 800 74.934 2399.36 CH3I 74.980 10640.64 H2O 75.013 1350.24 Totales 275 20800 275.003 20800

125

No se conserva No se conserva No se conserva No se conserva

e) R = Que Que hay reacción reacción química por eso se con serva la masa pero pero no los moles ENTRADAS SALIDAS Corriente 2

1

Componente lbmol/día lb m/día HI 125 16 000 CH3OH CH3I H2O Totales 125 16 000

lbmol/día 150 150

3

4

lb m/día lbmol/día lb m/día 4 800 4 800

74.934 74.980 149.914

2399.36 10640.64

Corriente H2SO4 H2O SO3 N2 Totales

lbmo l/h 280 20 30 170 500

H 560 40 600

Entradas átomo-lb/h S O 280 1120 20 30 90 310

1230

N

340 340

lbm ol/h 300 10 170 480

75.013 125.089

13 040

(2.7) Reklaitis a) R = Si conserva la masa total ENTRADAS Corriente Componente F1 F2 F3 Mi lbmol/h lb/h lbmol/h lb/h mol-lb/h lb/h H2SO4 98 90 8820 190 18620 H2O 18 10 180 10 180 SO3 80 30 2400 N2 28 170 4760 Totales 100 9000 200 18 800 200 7160 b) R = No se conserva el número t otal de mol es c) R = Si Si se cons erva el el n úmero de moles de cada tipo de átomo Componente

lbm ol/día lb m/día 50.076 6409.76

SALIDA F4 mol-lb/h lb/h 300 29400 10 70 480

Salidas átomo-lb/h H S 600 300 10 600

310

1350.24 7 760

800 4760 34960

O 1200

N

30 1230

340 340



d) R = No se conserva la masa de cada sustancia Componente H2SO4 H2O SO3 N2 Totales

Entradas lbmol/h lb m/h 280 27440 20 360 30 2400 170 4760 500 34960

Salidas lbmol/h lb m/h 300 29400 10 170 480

800 4760 34960

(2.9) Reklaitis a) R = Nd = 8 -3 -1 = 4 b) Balance del componente 1: F 1 X11 = F4 X41………………. (1) Balance del componente 2: F 1 X12 = F2....……………...… (2) Balance del componente 3: F 3 = F4 X43…………...……... (3) c) Corriente Componte Acetona Gas Agua Total

1

Restricciones X41 + X43 = 1.0

X11 + X12 = 1.0

2

f. masa 0.2 0.8 1.0

lb m/h 40 160 200

No se conserva No se conserva No se conserva Si se conserva

3

f. masa 1.0 1.0

lb m/h 160 160

f. masa 1.0 1.0

4

lb m/h 1000 1000

f. masa 0.04 0.96 1.0

lb m/h 41.6 998.4 1040

(4.1) Felder a) R = Continuo, transitorio. b) R = {Entrada} - {Salida} = {Acumulación} {Flujo de entrada} - {Flujo de salida} = {Velocidad de acumulación} 0 0 Entrada da Salida  Generación  Consumo   Acumu Acumula laci ció ó n  Entra 6 kg/s - 3 kg/s +

0

+

0

= 3 kg/s

No deben aparecer por que no hay reacción química, se trata de un balance total de masa, en el balance de masa total no puede llevar esos términos. c) R = 5.5 minutos (4.9) Felder Corriente Componte Sólidos Agua Azúcar Total

1

f. m 0.15 0.85 1.0

2

lb 0.0731 0.414 0.487

f. m 1.0 1.0

3

lb 0.081 0.081

f. m 1.0 1.0

4

lb 0.594 0.594

f. m 0.073 0.333 0.594 1.000

lb 0.073 0.333 0.594 1.000



(4.12) Felder b) Corriente 1

Componente CH3OH H2O Total

f.masa 0.5 0.5 1.0

kg/h 500 500 1000

2

f.masa 15.625 27.778 43.403

kmol /h 0.36 0.64 1.00

f.masa 0.96 0.04 1.00 1.00

kg/h 313.92 13.08 327

f.masa 9.81 0.727 10.537

kmol /h 0.931 0.069 1.000

Corriente 3

Componente

f.masa 0.2765 0.7235 1.000

CH3OH H2O Total

kg/h 186.085 486.915 673

f.masa 5.815 27.051 32.866

kmol /h 0.177 0.823 1.000

(2.19) Corriente Componente Benceno Tolueno Xileno Total

2

1

f. m 0.50 0.30 0.20 1.00

lbm/h 15000 9000 6000 30000

f. m 0.95 0.03 0.02 1.00

3

lbm/h 14820 468 312 15600

f. m 0.0125 0.592 0.395 1.000

lbm/h 180 8532 5688 14400

Corriente 5

4

Componente

f. m 0.03 0.95 0.02 1.00

Benceno Tolueno Xileno Total

lbm/h 135 1275 90 1500

f. m 0.005 0.430 0.565 1.000

lbm/h 49.5 4257 5593.5 9900

(2.11) Reklaitis Corriente Componente Etanol Propanol Butanol Total (4.17) Felder R = $ 14.385 kg

1

2

Al iment im ent ación aci ón f. mol flujo 1/3 333.33 1/3 333.33 1/3 333.33 1.0 1000

Destil Dest il ado f. mol flujo 2/3 333.33 1/3 166.67 166.67 1.0

3

500

Fon do s f. mol flujo 1/3 2/3 1.0

166.667 333.33 500



(4.16) Felder a) R = 0.323 b) R = 2.96 Corriente Componente H2SO4 H2O Total

f. m 0.2 0.8 1.0

kg 20 80 100

(4.28) Felder Corriente Componente A B C Total

2

1

1

f. masa 0.2 0.8 1.0

g/s 160 640 800

f. masa 1.0 1.0

g/s 100 100

f. masa 0.0857 0.9143 1.0

g/s 60 640 200 900

masa 895.39 127.9 1023.29

Corriente

f. masa 0.11558 0.84815 0.03631 1.0000

g/s 60 640 700

f. masa 0.012 0.558 0.430 1.000

masa 2685.2 441.7 1064 4190.9

g/s 200 200

g/s 5.1 237.15 182.75 425

2

f. mol 0.333 0.666 0.999

mol 31.978 63.9557 95.9338

f. masa 0.8544 0.1359 0.0096 0.9999

masa 3580.36 569.6 40.64 4190.6

3

f. masa 0.6407 0.1054 0.2539 1.000

f. masa 1.0 1.0

7

g/s 54.9 402.87 17.25 475

f. mol 0.3089 0.688 0.00307 0.99997

mol 127.87 284.8 1.2720 413.95

f. mol 0.30155 0.6944 0.0040 1.00

mol 95.899 220.85 1.2720 318.02

4

f. mol 0.274 0.631 0.095 1.000

mol 95 95.9 .9 220.85 33.25 350

f. masa 0.8477 0.1394 0.1285 0.9999

Corriente Componente CO H2

4

1

f. masa 0.876 0.124 1.0

kg 46.64 97.76 144.40

6

f. masa 0.0667 0.7111 0.2222 1.000

(4.60) Felder Corriente

f. m 0.323 0.677 1.00

3

5

Componente A B C Total

Componente CO H2 CH3OH Total

kg 26.64 17.762 44.4

2

Corriente

Componente CO H2 CH3OH Total

f. m 0.6 0.4 1.0

3

masa 2685.2 441.7 40.7 3167.6 5

f. masa -

masa -



CH3OH Total (2.20) Reklaitis Corriente

1 1.0 1

Componte Benceno Tolueno Xileno Total

f.masa 0.30 0.55 0.15 1.00

2

kg/h 300 550 150 1000

f.masa 0.944 0.454 0.0106 1.0000

Corriente Componte Benceno Tolueno Xileno Total

3

kg/h 270.09863 12.989913 3.032887 286.12143

f.masa 0.0418858 0.752243 0.2058 0.205871 71 1.0000

4

f.masa 0.038918 0.946 0.015082 1.000

Anderson & Wenzel Corriente

kg/h 29.901375 537.010157 146.9669 713.87857 5

kg/h 20.8166 505.9999 8.06712 534.8837

f.masa 0.050754 0.173246 0.776 1.000

1

Componente f. masa masa lbm C6H6 1.00 1000 HNO3 C6H5NO2 H2SO4 H2O Total 1.00 1000

kg/h 9.0847046 31.010192 138.9 178.99485

2

f.mol 1.0 1.0

mol-lb f. masa masa lbm 12.8205 0.39 807.3 0.53 1097.1 0.08 165.6 12.8205 1.00 2070

Corriente Componente C6H6 HNO3 C6H5NO2 H2SO4 H2O Total

31.978 31.978

f.mol mol-lb 0.386 12.819 0.3371 11.192 0.277 9.20 1.000 33.21

3

f. masa 0.00977 0.00786 0.4982 0.3573 0.12685 0.9999

m asa lbm 30 24.14 1529.6 1097 389.43 3070

(4.18) Felder a) i) R = 0.963855 y ii) R = 0.2048 b) R = $87 600000 600000 por año (4.29) Felder b) i) 97 %; ii) 98.93%

f.mol 8.3556X10-3 0.008324 0.270 0.2431 0.47 0.9997

mol-lb 0.384615 0.383175 12.435885 11.192 21.635055 46.0307

M 78 63 123 98 18


(4.57) Felder Corriente Componente CO H2 CH3OH Total

1

f. masa 0.876 0.124 1.0

masa 895.39 127.9 1023.29

Corriente Componente CO H2 CH3OH Total


2

f. mol 0.333 0.666 0.999

mol 31.978 63.9557 95.9338

f. masa 0.8544 0.1359 0.0096 0.9999

masa 3580.36 569.6 40.64 4190.6

3

f. masa 0.6407 0.1054 0.2539 1.000

masa 2685.2 441.7 1064 4190.9

f. mol 0.274 0.631 0.095 1.000

mol 95 95.9 .9 220.85 33.25 350

Componente

f. masa 0.8477 0.1394 0.1285 0.9999

CO H2 CH3OH Total (4.50) Felder Corriente

(2.13) Spencer R = 0.100 mol-g NH 3

masa 2685.2 441.7 40.7 3167.6

mol 95.899 220.85 1.2720 318.02

masa 31.978 31.978

1

y

f. mol 0.30155 0.6944 0.0040 1.00

5

f. masa 1 1.0

Mi 30 70.9 64.45 98.9 36.45

mol 127.87 284.8 1.2720 413.95

4

Corriente

Componente C2H6 Cl2 C2H5Cl C2H4 Cl2 HCl Total

f. mol 0.3089 0.688 0.00307 0.99997

mol g 714.287 114.286 828.573

1.7 g de NH 3

(3.2) Reklaitis R = 1ra = 10 y 11.11; 11.11; 2da 5 y 5.5. (3.3) Reklaitis a) R = C2H5OH b) R = 5 kmol/h de etanol y 13.333 kmol de H2SO4

2

g 21428.6 8102.9 29531.5

mol g 607.144 100 mol g 7.143 114.2863 828.573

g 18214.3 6445 706.4 4165.7 29531.44



(3.4) Reklaitis R = N Asal  0.2498 N Bsal  0.166 N C  0.20805 sal

sal N D  0.1666

N E sal  0.0833

(3.10) Reklaitis sal R = N Ca  2.774 3 ( PO4 ) 2 sal  35.38 N H 2 SO4

N CaH 4 ( PO4 ) 2  52.72 sal

N CaSO4  105.44 sal

(3.27) Reklaitis 75 a) R = X 100  57.69% 130 75 b) Rendimiento = X 100  56.25% 133.3226 Corriente Componte Tolueno Benceno H2 Metano Bifenilo Total

1

Componte Tolueno Benceno H2 Metano Bifenilo Total

N1 100 100

F1 9200 9200

Corriente

2

F2 312.2 312.2

6

F6 2760 5850 1125 13120 195 24780

3

N2 156.1 156.1

F3 11960 1300 11520 24780

7

N6 30 75 562.5 820 12.5 1500

F7 1125 13120 14245

N7 562.5 820 1382.5

4

N3 130 650 720 1500

F4 2760 2760

5

N4 30 30

F5 987.8 11520 12507.8

N5 493.9 720 1213.9



BIBLIOGRAFÍA

1. Felder, R. M. y Rousseau, Rousseau, R. W. Principios elementa elementales les de los procesos químicos. Ed. químicos. Ed. Limusa Wiley. Tercera edición. 2003. 2. Reklaitis, G. Balances Interamericano. 1996.

de

Materia

y

Energía.. Energía

Ed.

3. Valiente, A. Problemas Probl emas de balances de materia y energía energía.. Ed. Alambra, 1991. 4. Andersen & Wensel, Principios de los procesos químicos . 1991

Apuntes balance de mat y energía.2018.pdf

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