c
c c
c
c c c c
INGENIERÍA QUÍMICA
Balance de materia y energía
NOMBRE DE LA PROFESOR I.Q. Medina Barrera Rubén
Unidad II
³Balances de materia con reacción´
Tarea: problemas NOMBRE DEL ALUMNO: Andrade Roque Emmanuel Ulises
Entrega: Martes 17 de MAYO del 2011
1.- Se quema cierto gas natural, cuyo análisis es 80% de CH4 y 20% de N2 y el CO2 se elimina por lavado de los productos resultantes para ser utilizado en la manufactura de hielo seco. El análisis de los gases de descarga del lavador es O2, 6% y N2, 94%. Calcular:
%M O2Ͷ6.0
L
(A) La relación del aire a gas. (B) El porcentaje del exceso de aire. %M CH4Ͷ80.0
C
N2Ͷ94.0
G
N2Ͷ20.0
%M CO2Ͷa H20Ͷb O2Ͷc N2Ͷd
Lavador
Horno %M O2Ͷ21.0
A ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ͳͲͲΨ
N2Ͷ79.0
ܪܥସ ܱଶ ՜ ܱܥଶ ܪଶ ܱ a "ɲ% Ex"
CH4
+
80
2O2
*
208.87 160
CO2
+
2H2 O
80
48.87
Sistema I 0) L*M.M+C*M.MC + A* M.MA =D* M.MD + P* M.MP Reactivos 1) 80 - 80 = 0 2) 0.21A ± 160 = 0.06D Productos 3) 0 + 80= xP 4) 0 + 160 = zP
160
%M CO2Ͷx H2OͶy LͶz
Inertes 5) 20 + 0.79A = 0.94 D Adicionales 6) 7) 8) 9)
L= yP x +y+z=1 Į = .06 D 0.21 A = 160 + Į
Sistema II 0ǯ) C* + A* = G* Reactivo 10)
0.21A - 160 = cG
Productos 11) 12)
0 + 80 = aG 0 + 160 = bG
Inertes 13)
20 + 0.79 = dG
Adicional 14)
a+b+c+d=1
Solución: 3. xP = 80 4. zP = 160 7. *P
80 + 160 = 240
P= 240 + L
8. Sustituir Į en ec. 9 y despejar A M Sustituir A en ec. 5
ͲǤͲ ܦ ͳͲ ͲǤʹͳ
Ǥʹͺͷ ܦ ͳǤͻͲͶ
20 + 0.79 (0.2857 D + 761.90) = 0.94 D ܦ
20 + .2257 D + 601.9047 = .94D
ଶଵǤଽସ Ǥଵସଷ
ǤʹͺͷሺͺͲǤͷሻ ͳǤͻͲͶ
Sustituir D en M
8. Į = 0.06 (870.65)
ͺͲǤͷ
moles
ͳͲͳͲǤͶ
Į= 52.240
11. aG= 80 12. bG= 160 Sustituir A en ec. 10
0.21 (1010.64) ± 160 =cGcG=52.2344
Sustituir A en ec. 13
20 + 0.79 (1010.64) = dGdG= 818.40
14. * G 10. ܿ
aG + bG + cG + dG = G ଶǤଶଷସସ ଵଵଵǤଷ
11. ܽ
ଵଵଵǤଷ
12. ܾ
ଵଵଵǤଷ
13. ݀
ଵଵଵǤଷ
G=1110.63 moles
ͲǤͲͶͲ
ͲǤͲʹͲ
ଵ
ͲǤͳͶͶͲ
ଵǤସ
ͲǤ͵Ͳ
Comprobación 100 (.80*16 + .20* 28) + 1010.64 (0.21*32+.79*28) = 870.65 (32*.06+28*.94)+240 (44*.33+18*.66) 30986.85§30923.156 100(.80*16+.20*28) +1010.64 (0.21*32+.79*28)=1110.63 (.0720*44+.144*18 + .0470*32+.7370*28) 30986.85§30986.57 Respuestas ଵଵǤସ୫୭୪ୣୱ
a) Relación aire gas= b) %ex. De aire ቀ
ଶǤଶସ ଵ
ଵ
ቁ ͳͲͲ
ͳͲǤͳͲͶ
͵ʹǤͷ
2.- Un combustible formado por etano(C2H6) y metano (CH4) en proporciones desconocidas, se quema en un horno utilizando aire enriquecidocon oxígeno (50.0 moles por ciento de O2. El análisis Orsat es: CO2, 25%; N2, 60%; y O2, 15%. Determínese: (a) La composición del combustible, esto es, el porcentaje molar de metano en la mezcla metano-etano. (b) Las moles de aire enriquecido con oxígeno que se consumen por mol de combustible.
%M C2H6ͶX
C
CH4ͶY
Horno %M O2Ͷ50.0
%M CO2Ͷ25.0 O2Ͷ60.0 N2Ͷ15.0
P
A
N2Ͷ50.0
ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ͳͲͲΨ
ܥଶ ܪ ܱଶ ՜ ܱܥଶ ܪଶ ܱ ܪܥସ ܱଶ ՜ ܱܥଶ ܪଶ ܱ C2H6
+
7/2 O2
*
xA
2xA
7/2 xA
CH4
CO2
+
3H2O
3xA
Ex
2O2
*
yA
CO2
yA
2yA
+
Ex
+
2H2O
2yA
C2H6 1V V Ͳ CH42 Ͳ O23ͲǤͷ V ʹ N24ͲǤͷ Ͳ ʹͷ CO2 5ʹV 6 V ͳ
ͳͷ
Ͳ ͲǤͷ ͳʹͲ ͲǤͷሺͳʹͲሻ ଶV ʹ ͳͷ Ͷͷ V ʹ ʹʹǤͷ ͳǤͷV ʹʹǤͷ ͳǤͷሺͳͲሻ ͷ
ͷ ͳͷ
Ǥ͵͵ ʹV ͳǤͷV ʹʹǤͷ ʹͷ ʹǤͷ V Ǥ ʹͷ V ͳͲ ͳͲ V ͳͷ V ͲǤ
V ͳͲ ͷ ͳͷ
ͳʹͲ ͳͷ
ͺ
Comprobación ͳͷሾͲǤሺ͵Ͳሻ ͲǤ͵͵ሺͳሻሿ ͳʹͲሾͲǤͷሺ͵ʹሻ ͲǤͷሺʹͺሻሿ ͳͲͲሾͲǤʹͷሺͶͶሻ ͲǤሺʹͺሻ ͲǤͳͷሺ͵ʹሻሿ ͶͲሺͳͺሻ ͵ͻͺͲǤ ͵ͻͺͲ H2O
7
3xA+2yA=W W=40
3.- Una planta industrial lleva a cabo la reacción entre el metanol y el oxígeno para formar formaldehido y agua, y produce cinco millones de kilogramos de formaldehido por año, operando 350 días al año, 24 horas al día. El oxígeno alimentado al reactor se hallaen un 25% de exceso respecto de la cantidad requerida teóricamente para la reacción con la alimentación de metanol, y la conversión global de metanol es de 95%. Calcular la alimentación requerida de oxigeno en Kg/h.
%P CH3OHͶ100
C
P
actor %P O2Ͷ100
%P H2COͶXͶ585.238 H2OͶYͶ357.142 CH3OHͶZͶ33.416 O2ͶWͶ 100.25
A ሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ͻͷΨ
ଶΨா௫
ฏଶ ܪܥଷ ܱ ܪ ܱ
՜ ܪଶ ܱܥ ܪଶ ܱ
"25% Ex"
CH3 OH
+
32
H2 CO
*
16
30
595.238
417.71
668.336 634.920
½O2
33.416 317.459
334.168
+
H2 O 18
357.142
83.542
16.708
qͷͲͲͲͲͲͲ
ͳM ͳ݀Àܽ ݃ܭ qq qq q M ͵ͷͲ݀Àܽʹ ݏͶ݄ݎ
ͷͻͷǤʹ͵ͺ
݃ܭ ݄ݎ
CH3OH)nec 595.23 kg[(64 kg)/(57 kg)]=668.32 CH3OH)si
668.32(0.95)= 634.904
CH3OH)no
668.32(0.05) = 33.416
O2)nec
592.23kg[(32 kg)/(57 kg)]=334.16
O2)ex
334.16(0.25) =
O2)si
334.16(0.95) = 317.7
O2)nec
334.16(0.05) = 16.70
H2CO)
595.23
H2O)
357.13
83.54
Respuesta: A = 417.71 Kg/hr Comprobación
0 ܥM ͺǤ͵͵ ͶʹǤͳ
ͷͺͷǤʹ͵ͺ ͵ͷǤͳͶʹ ͵͵ǤͶͳ ͳͲͲǤʹͷ ͳͲͺǤͲͶ
ͳͲͺǤͲͶ
4.- El yodo puede obtenerse comercialmente a partir de algas marinas tratándolas con MnO2 y 20% de exceso de H2SO4 de acuerdo con la reacción 2NaI + MnO2 + H2SO4*Na2SO4 + MnSO4 +2H2O + I2 Todo el H2O, Na2SO4, MnSO4, y el I2, así como los materiales inertes, se recogen en el separador. Las algas contienen 5% de NaI, 30% de H2O y el resto puede considerarse materiales inertes. El producto contiene 54% de I2 y 46% de H2O. Suponiendo que la reacción se consuma en un 80%, calcúlese lo siguiente: (a) Las libras de I2 producidas por tonelada de algas marinas. (b) La composición en porcentaje de los productos de desperdicio. (c) La composición en porcentaje del material recirculado.
% CH4Ͷa Cl2Ͷb
AF
A
% CH4Ͷc Cl2Ͷd
T
actor
W
% CH4Ͷ100
% CH3ClͶ CH2Cl2Ͷf HClͶg CH4Ͷh
% HClͶi CH4Ͷj
G
% H2OͶ100
Lavador
S
Cond nsador
% HClͶm H2OͶn
% CH3ClͶ100
L
% CH3Cl Ͷk CH2Cl2Ͷl
P Torr d d stilación
D
% CH2Cl2Ͷ100
Estequiometria:
2NaI
+ MnO2 +
2 H2SO4
Na2SO4 +
MnSO4 +
2H2O +
I2 300 Kg
87 Kg
196 kg
142 kg
151 kg
36 kg
154 kg
NaI)TOT
MnO2)TOTͲǤͲͷ ןቂ
0.05(1000+Jr)
୩
ଷ୩
ቃ
ͲǤͲͳͶͷ ן
1000+jR=Į
MnO2)si
0.0145(0.80)=0.0116Į
NaI)si
0.05(0.80)=0.04Į
MnO2)no
0.0145(0.20)=0.0029Į
NaI)no
0.05(0.20)=0.01Į
ଵଽ୩
H2SO4)nec ͲǤͲͷ ןቂ
ଷ୩
H2SO4)ex
ቃ
ͲǤͲ͵ʹ ן
0.0326(0.20)=6.53x10-3Į
H2SO4)TOTͲǤͲ͵ʹ ן6.53x10-3Į=0.0391Į H2SO4)SI
0.0326Į(0.80)= 0.0260Į
H2SO4)no0.0326Į(0.20)= 6.52x10-3Į
ଵସଶ୩
ቃ
ͲǤͲͳͺͻ ן
ଵଵ୩
ቃ
ͲǤͲʹͲͳ ן
ଷ୩
ቃ
ͶǤͺVͳͲିଷ ן
Na2SO4)
ͲǤͲͶ ןቂ
MnSO4)
ͲǤͲͶ ןቂ
H2O)
ͲǤͲͶ ןቂ
ଷ୩
ଷ୩
ଷ୩
Sistema I 0) Af + Mf + Bf = P + D
H2SO4)
Af- 0.0260Į = 0
MnO2)
Mf ± 0.0116Į= 0
NaI)
50 ± 0.04Į = 0
H2O)
800 = 0.46P + XD
Mf= 14.5
Iner)
150= wD
P= 78.24
I2)
0.0338Į= 0.54P
MnSO4)
0.0201Į = yd
Na2SO4)
0.0189Į = zD
9.-
x+ y + z + w = 1
Despejar Į de NaI):
Į = 1250
Sustituir Į y obtener: Af = 32.5
D= 962.75
Comprobación: 1047= 1040.99
Sistema II 0) Af + Mf + Bf + R = T H2SO4)
0.0391Į- 0.0260Į= fT
MnO2)
0.0145Į ± 0.0116Į = gTaT= 42.25
NaI)
(50 + 0.05 jR) ± 0.04Į = 0.05 eTbT= 800
H2O)
800 + 0.80jR = bT + 0.80 eTcT= 25.125
Iner)
150 + 0.15 jR = 0.15 eT + mTdT= 23.625
I2)
0.0338Į= aTeT= 250
MnSO4)
0.0201Į = cTfT= 16.375
Na2SO4)
0.0189Į = dTgT= 3.626
9.-
a+b+c+d+e+f+g+m=1
0.0391Į= Af + hR
Sustituir Į y determinar: mT = 150 T= 1113.50
0.0145Į= Mf + iR 50 + 0.05jR= 0.05Į Obtener: hR= 16.375
R= 270
iR = 3.625 jR = 250
Comprobación: 0) Af + Mf + Bf + R = T 1317 = 1311 Respuestas: =ሻͲǤͷͶ
ͶʹǤʹͶͻ ቂ
ଵ୪ୠ
Ǥସସ୩
ቃ
ͻ͵ǤͲͷb
Se producen 93.05 lb de I2 por cada tonelada de algas marinas.
b) x= 79.35%
c) h= 6.06%
y= 2.6%
i= 1.342%
z= 2.4%
j= 92.59%
w= 15.58%
5.- El CH4 reacciona con Cl2 a fin de producir cloruro de metilo y acido clorhídrico. CH4 + Cl2* CH3Cl + HCl Una vez formado el cloruro de metilo puede sufrir nuevas cloraciones y formar cloruro de metilo, cloroformo, y tetracloruro de carbono CCl4. En un proceso de producción de metilo, se alimenta Cl2 y CH4 a un reactor en una relación molar de 1 a 5. El rendimiento del Cl2 es del 100% en un solo paso. La relación molar del CH3Cl a CH2Cl2 en el producto es de 4 a 1, produciendo cantidades despreciables de CHCl3 y CCl4. Los gases producidos se enfrían y condensando el CH3Cl y el CH2Cl2, los cuales luego se separan en una torre de destilación. El gas que abandona el condensador va a un lavador donde se adsorbe el HCl en aguas, la cual es alimentada en una relación molar de 3:1 de gas. El gas que abandona el lavador, que es CH4 puro se recircula al reactor. Para una producción de 2000kg de CH3Cl/h.Calcular los gastos molares y composición de todas las líneas. W
CH4Ͷ100
H2OͶ100
H2OͶ100
S T
CH4Ͷa Cl2 --b
Af
G
CH3ClͶ CH2Cl2--f Cl2 -- g CH4Ͷh
Ar L
P
D