Balance Demas A

Departamento de Ingeniería Química – FI – UNSJ INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA Carreras: Ing. Química – Ing. En Alimentos

CAPÍTULO VI BALANCE DE MASA Definición El balance de masa, puede definirse como una contabilidad de entradas y salidas de masa en un proceso o de una parte de éste. No es más m ás que la aplicación de la ley de conservación de la masa que expresa “La masa no se crea ni se destruye”.

La realización del balance es importante para el cálculo del tamaño de los aparatos que se emplean y por ende para evaluar sus costos. Los cálculos de balance de masa son casi siempre un requisito previo para todos los l os demás cálculos, además, las habilidades que se adquieren al realizar los balances de masa se pueden transferir con facilidad a otros tipos de balances.

Realización del balance Para efectuar un balance de masa de un proceso, se debe especificar el sistema al cual se le aplicará dicho balance, en otras palabras delimitar o definir el sistema al que se le realizará el balance. Un sistema se refiere a cualquier porción arbitraria o a la totalidad de un proceso establecido específicamente específicamente para su análisis. Los límites o fronteras del sistema pueden ser reales o ficticios. En la figura Nº 1, donde se representa esquemáticamente una columna de destilación y el condensador, condensador, se puede apreciar, con línea de trazos, los l os límites del sistema, considerado real en este caso en particular ya que coincide con las paredes de la columna de destilación, marcada con una línea negra. En la figura Nº 2 donde se representa esquemáticamente el mismo conjunto de equipos que en la figura Nº 1, se puede apreciar, con línea de trazos, los límites ficticios del sistema, ya que en este caso en particular se ha tomado como sistema a dos unidades, la columna de destilación y el condensador. Es importante tener en cuenta que el sistema puede ser abierto o cerrado. Si es abierto significa que existe transferencia de masa a través de los límites del sistema, entra masa, sale masa ó ambas cosas. Por el contrario un sistema cerrado es aquel en el que no ingresa ó egresa masa a través de las fronteras del mismo.

Figura 1. Sistema con paredes reales.


Figura 2. Sistema con paredes ficticias. Un sistema abierto puede transcurrir en régimen estacionario o transitorio. Un sistema abierto es considerado estacionario si no existe acumulación de masa en el mismo. Por el contrario un sistema abierto es considerado transitorio si se permite acumulación de masa. Resumiendo, los procesos de estado no estacionario (transitorios) implican acumulación en más o en menos de masa, mientras que los procesos de estado estacionario no. El balance de masa no es más que una contabilización de material aplicada al sistema de que se trate. En forma sintética y general podemos expresar que para un sistema abierto:

Teniendo en cuenta que la masa es conservativa, es decir no se crea ni se destruye de la nada, la expresión anterior se reduce a:

Es lógico suponer que la expresión anterior se aplica a un sistema abierto, pues si este fuese cerrado, se verificaría que:

Esto implica que la masa inicial del sistema es constante ya que no hubo acumulación en más (fuente), o en menos (sumidero) En el caso de tratarse de un sistema abierto estacionario se verifica que:


Lo que implica:

Todos los balances de masa pueden ser aplicados a cada componente que conforman las corrientes que intervienen en el proceso en estudio ó en forma global.

Técnica y análisis de los problemas Hemos prestado atención a la forma de escribir los balances de masa y en los requisitos que debemos satisfacer para que las ecuaciones planteadas tengan una solución. Pero para tener éxito en la resolución de un problema es recomendable seguir una determinada estrategia, estrategia que se encuentra resumida en la tabla Nº 1, de forma tal que permite su solución en forma sistemática y ordenada. Esta lista puede utilizarse como una lista mental de verificación cada vez que se comienza a trabajar en un nuevo problema. Los pasos anteriormente indicados no tiene que darse en el orden que tiene la tabla Nº 1, siendo posible repetir algunos pasos cuando ello sea necesario, pero es necesario dejar bien en claro que todos los pasos deben ser cumplidos. Tabla Nº 1 1) Lea el problema y ponga en claro lo que se desea lograr, o sea defina sus objetivos. 2) Haga un dibujo del proceso con cuadrados o círculos. Utilice flechas para los flujos. 3) Rotule con un símbolo cada variable conocida. 4) Indique todos los valores conocidos de composición y flujo. 5) Escoja una base de cálculo. Definiremos brevemente que es lo que se entiende por base de cálculo, y algunas recomendaciones para su elección. Base de cálculo : es la cantidad de cierta variable involucrada en el problema a la que se refieren o transforman las demás, para efectuar los cálculos necesarios. Puede ser real o ficticia. Este concepto es crucial tanto para entender como debe resolverse un problema como así también hacerlo de la manera más expedita posible. Al seleccionar una base de cálculo debemos preguntarnos ¿De que se va a partir? ¿Qué respuesta se requiere? ¿Cuál es la base de cálculo más adecuada? La elección de una base no siempre es sencilla, pero a modo de recomendaciones podemos decir que:  elegiremos como base la corriente que posea mayor información  aquella que pasa por nuestro sistema sin alterarse  un número entero 1, 10; 100  Cuando se comienza con una base mantenerla durante todo el cálculo. 6) Escriba los nombres de los símbolos correspondientes a las variables cuyo valor se desconoce


y cuente cuántas son. 7) Escriba los balances indicando el tipo del mismo (global o particular) junto a cada uno. 8) Determine si el número de variables cuyos valores desconoce es igual al número de ecuaciones independientes. 9) Resuelva las ecuaciones. 10) Verifique las respuestas.

Resolución de problemas de balance en el que no intervienen reacciones químicas Al efectuar balances de masa en estado estacionario para un componente de una mezcla, hay dos formas básicas de expresar los flujos que intervienen en el proceso como variables. Por ejemplo para el sistema constituido por el evaporador representado en la figura Nº 3, supuesto en estado estacionario y sin reacción química, podemos decir que: Una forma de expresar los flujos consiste simplemente en designar el flujo másico de las corrientes que ingresan y egresan del evaporador con un símbolo tal como A, B, C, etc. Para el ejemplo específico de la figura Nº 3 se verifica que: A=B+C Esto se conoce como balance de masa global (BMG) aplicado al sistema en estudio. L a otra forma consiste en usar el producto de una medida de concentración y el flujo como (x i * A), donde x i es la fracción de masa del componente i en A, y A es el flujo másico total entrante al evaporador. Esta forma se conoce como balance de masa particular (BMP). De manera análoga se puede efectuar el tratamiento utilizando el número de moles.

Figura N°3. Plantearemos todas las ecuaciones posibles

Tenga en cuenta que la suma de las dos ecuaciones anteriores (2 + 3) a las que se le denomina balance de masa particular (BMP) da la ecuación (1). Ecuaciones adicionales de la que se dispone son las siguientes:


Seleccionando en forma adecuada las ecuaciones de todas las disponibles, es posible armar nuestro sistema que cumpla con la condición de ser linealmente independiente.

Ejemplo Nº 1 Una planta química destila 10.000 kg/h de una solución al 20% de acetona en agua. Se pierden 50 kg de acetona pura en el residuo acuoso. La acetona destilada contiene 90% de acetona pura y 10% de agua. Calcular los pesos del destilado y del residuo. Solución

Se aplican los pasos 1, 2, 3 y 4 de la Tabla Nº 1. El resultado de esto se puede ver en la siguiente figura

Seleccionamos como base de cálculo a los 10.000 kg/h de alimentación (A), paso 5 de la tabla Nº 1. Pasos 6, 7, 8, 9,10 Balance de masa global (BMG) : A = D + R 10000 = D + R

(1)

Balances de masa particulares (BMP) a) para la acetona A * xacetona,A = D * X acetona,D + R * xacetona,R 10000 * 0,20 = D * 0,90 + 50

(2)

b) para el agua A * xagua,A = D * X agua,D + R * x agua,R 10000*0,80 = D * 0,10 + R – 50

(3)


De la ecuación 2 despejamos el valor de D 10000 * 0,20

D



D





50

0,90 2167 kg / h

De la ecuación (1) despejamos el valor de R 10000 = D + R 10000 = 2167 + R R = 10000 – 2167 R = 7833 kg/h

(1)

Es conveniente que una vez resuelto el problema se complete una tabla donde se contabilicen las entradas y salidas totales y por componentes. Entrada [kg/h]

Salida [kg/h]

Alimentación (A)

Destilado (D)

Residuo (R)

Agua

Acetona

Agua

Acetona

Agua

Acetona

8.000

2.000

217

1.950

7.783

50

TOTAL = 10.000

TOTAL = 10.000

Como puede apreciarse, la confección de la tabla de entradas y salidas permite una rápida solución de este tipo de problemas a la vez que da la posibilidad de controlar si los resultados obtenidos son los correctos o no, ya que debe verificarse que las sumas de las masas de entrada sean iguales a las sumas de las masas de las salidas. Responda: ¿La base elegida fue real o ficticia? ¿Se podría haber tomado otra base?

Resoluciones de problemas de balance en lo que intervienen reacciones químicas Con respecto a la presencia de reacciones químicas cabe recordar que en toda reacción química la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos, de manera tal que en la reacción, por ejemplo, de producción de agua: H 2



1 / 2 O2

 H 2

O

Si se introducen 2 kg/h de hidrógeno, esto es 1 mol/h de hidrógeno, y 16 kg/h de oxígeno, o sea ½ mol/h de dicho elemento, se obtendrán 18 kg/h de agua, equivalente a 1mol/h de esa sustancia; en otras palabras: masa entrante = masa sali ente

En toda reacción química el número de átomos de un elemento debe ser igual al número de átomos salientes. En la ecuación de formación del agua entran dos átomos de hidrógeno y salen otros dos formando parte de la molécula de agua, también entra un átomo de oxígeno y sale otro. átomos entr antes = átomos sali entes


En las reacciones químicas los moles entrantes no son necesariamente iguales a los moles salientes. En el ejemplo señalado entran un mol y medio, y sale un mol. moles entrantes ≠ moles salientes

Sin embargo, se puede utilizar el balance en mol aplicando las relaciones mostrada por la ecuación estequiométrica. En el ejemplo se puede observar que por cada mol de agua formada se requiere siempre medio mol de oxígeno y un mol de hidrógeno y esto se relaciona inmediatamente con las masas necesarias. Es imprescindible contar con la definición de algunos términos que se utilizan comúnmente, y que serán de utilidad para resolver ciertos tipos de problemas como por ejemplo, los que involucran procesos de combustión, y que a continuación pasamos a definir.

1 - Reactivo estequiométrico Es el que está presente en la cantidad estequiométrica de acuerdo a la reacción química balanceada. 2 - Reactivo limitante Es el que está presente en la menor cantidad estequiométrica Aquel reactivo que se ha consumido por completo en una reacción química se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues determina o limita la cantidad de producto formado.

3 - Reactivo en exceso Es aquel reactante que está sobrando con respecto al limitante. Normalmente se expresa en porcentaje

Aunque el reactivo limitante no reaccione totalmente, la cantidad requerida y el porcentaje en exceso se calculan como si el limitante reaccionara todo

4 - Conversión Es la fracción de la alimentación o de algún componente de esta que se convierte en producto. Siempre es necesario aclarar cuales son las sustancias involucradas. Normalmente se expresa en porcentaje Un caso particular de las reacciones químicas que se estudian son las reacciones de combustión , que son reacciones de oxidación rápidas en las que se libera energía luminosa y calorífica. Para problemas en los que están involucrados procesos de combustión se acostumbra a trabajar con los siguientes términos:

Oxígeno teórico Es la cantidad de oxígeno que se debe introducir en el proceso para lograr la combustión completa del combustible en el reactor. Aire teórico Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico. Aire en exceso Es la cantidad de aire en exceso con respecto al teórico o al requerido para una combustión completa. Oxígeno en exceso


Es la cantidad de oxígeno en exceso con respecto al teórico o al requerido para una combustión completa. Note que en los casos en que se utilice aire u oxígeno teórico no habrá presencia de oxigeno en los gases de salida debido a que este se consumirá completamente en la reacción. Si bien el aire está compuesto por un gran número de gases, en la mayoría de los cálculos de combustión es aceptable utilizar la composición simplificada: En base molar: 79 % de N 2 y 21 % de O2 En base másica: 77 % de N 2 y 23 % de O2

Ejemplo Nº 2 Se ha contemplado el uso de propano comprimido como un combustible alternativo a las naftas para los vehículos de motor, porque genera niveles más bajos de contaminantes. Suponga que en una prueba se queman 20 kg/h de C 3H8 (propano) con 400 kg/h de aire para producir 44 kg/h de CO 2 y 12 kg/h de CO ¿Cuál fue el porcentaje de oxígeno en exceso? Solución

Planteando la ecuación para la combustión completa del propano y teniendo en cuenta que el porcentaje de aire en exceso se basa en la combustión completa del propano a CO 2 y agua: C3H8 + 5 O2

3 CO2 + 4 H2O

Adoptaremos como base de cálculo 20 kg/h de propano, que será convertido a velocidad de flujo molar para facilitar los cálculos posteriores: 20

kg h

C 3 H 8



1 kmol C 3 H 8



44 kg

0,45

kmol h

C 3 H 8

Para calcular la cantidad de O 2 requerida para la combustión se recurre a las relaciones estequiométricas: 1 0,45

kmol h kmol h

kmol

C3H8

5

C3H8

x=

h

O2

0,45

kmol C 3 H 8 h

5

kmol O 2 h

1

h kmol C 3 H 8

El O2 requerido será de 2,25 kmol/h. Para los cálculos consideraremos que la composición porcentual másica es: 23% O2 y 77% N2. Por lo tanto, podemos calcular la cantidad de O 2 entrante como: 0,23 * 400 kg/h = 92 kg/h O 2 Esta cantidad, expresada como velocidad de flujo molar es: 92

kg h

O2



1 kmol O2 32 kg



El porcentaje de oxígeno en exceso será:

2,87

kmol h

O2


% O2 en exceso



O2 entrante



O2 teórico

O2 teórico



100





2,87 kmol / h



2,25 kmol / h 

2,25 kmol / h



100



27,5 %

Resolución de problemas en lo que intervienen subsistemas Las plantas en la industria química se componen de muchas unidades interconectadas entre sí. Cada unidad constituye por si sola una unidad de análisis denominada subsistema. La presencia o no de subsistemas, no altera para nada nuestra forma de trabajar con los balances de materia, pudiendo decirse que su tratamiento es similar a cuando se tiene un solo sistema. En la figura Nº 4 se puede observar la presencia de dos subsistemas, uno formado por la columna de destilación y otro formado por el condensador.

Figura N° 4. Sistema con paredes reales. Podemos aplicar las mismas técnicas que utilizamos para la resolución de los problemas en casos anteriores. Es decir procederemos a enumerar y contar el número de variables cuyo valor se desconoce, asegurándonos de no contar la misma variable más de una vez para luego formular y contar los balances independientes que es posible hacer, verificando que los balances para una unidad no conviertan los balances para otra unidad que antes eran independientes en balances dependiente. En muchos casos la mejor estrategia es realizar balances de masa para el proceso global ignorando la información relativa a las conexiones internas entre los distintos subsistemas. Posteriormente se procederá a realizar balance de materia para el/los subsistemas involucrados.

Resolución de problemas con presencia de reciclo, purgado y derivación En algunos problemas de balance de masa interviene el reciclo, la derivación y el purgado. El reciclo se presenta en los casos en que hay retorno de material desde un punto posterior del proceso y se introduce nuevamente al mismo para un procesamiento ulterior. Un esquema de lo anteriormente mencionado puede visualizarse en la figura Nº 5


Figura N° 5. Una derivación es un flujo que pasa por alto una o más etapas del proceso y llega directamente a una etapa posterior, como puede apreciarse en la figura Nº 6

Figura N° 6. En ciertos procesos se utiliza el purgado, entendiéndose que una purga es un flujo que sirve para eliminar una acumulación de inertes o indeseables que, de otra manera, se acumularían en la corriente de reciclo. Lo mencionado se puede apreciar en la figura Nº 7.

Figura N° 7.

Ejemplo Nº 3 Una columna de destilación separa 10.000 kg/h de una mezcla constituida por 50% de benceno y 50% de tolueno. El producto D recuperado del condensador contiene 95 % de benceno, y el residuo W que sale por la parte inferior de la columna contiene 96 % de tolueno. El flujo de vapor V proveniente de la columna entra en el condensador a razón de 8000 kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D) y del reflujo (R) son idénticas porque el flujo V se condensa por completa. Calcule el cociente entre la cantidad de reflujo R y el producto extraído (D).


Solución

Del análisis del enunciado surge que: a) Estamos en presencia de un proceso en estado estacionario en el que no ocurre reacción. b) Se conocen todas las composiciones y las incógnitas son los tres flujos D, W y R. c) Es posible delimitar diferentes subsistemas. Por ejemplo un balance realizado alrededor de la columna de destilación o el condensador implicaría al flujo R. Un balance global implicaría a D y a W pero no a R. La selección de los balances para obtener R es arbitraria. Escogeremos como base de cálculo la alimentación, es decir que: Base de cálculo F = 10.000 kg/h Adoptando como sistema el marcado en la figura con línea de trazos, es posible establecer las siguientes expresiones: Balance de masa global (BMG): F=D+W 10000 = D + W (1) Balance de masa particular (BMP) para el benceno: F . xF = D . xD + W . x W 10000 . 0,50 = D . 0,95 + W . 0,04 (2) Resolviendo el sistema de ecuaciones formado por (1) y (2) se obtiene: W = 4950 kg/h D = 5050 kg/h Tomando ahora como sistema el encerrado por línea de puntos, se pueden plantear las siguientes ecuaciones: BMG: V=R+D 8000 = R + 5050 R = 2950 kg/h Ahora podemos calcular la relación R/D, que es lo solicitado en el enunciado del problema: 2950

R 

D



5050

0,58


EJERCICIOS DE APLICACIÓN 1- Una solución acuosa conteniendo 10 % de ácido acético es mezclada con una solución que contiene 30% de ácido acético y que fluye a razón de 20 kg/min. El producto P de la combinación de ambas soluciones sale a razón de 100 kg/min. ¿Cuál es la composición de P? 2- Un producto cereal conteniendo 55% de agua es fabricado a razón de 5000 kg/h. Se necesita secar el producto de tal manera que el mismo contenga solamente 30 % de agua. ¿Qué cantidad de agua tiene que ser evaporada por hora? 3- Un evaporador, usado para la concentración de jugo de frutas, es alimentado con 4500 kg/día de zumo que tiene una concentración de sólidos del 21%. ¿Cuál será la cantidad de agua que se debe evaporar para obtener un jugo con una concentración del 60% de sólidos? Un esquema del equipo puede observarse en la siguiente figura:

4- Un evaporador se diseña para recibir una alimentación de 11.500 kg/día de jugo de pomelo, obtener 3000 kg/día de agua evaporada y una solución concentrada al 50% ¿Con qué concentración inicial se debe alimentar el jugo de pomelo y que cantidad de solución concentrada se obtiene? 5- La acetona es usada en la manufactura de muchos productos químicos y también como solvente. Es en éste último rol que se han colocado muchas restricciones a las emisiones de vapor de acetona con el objetivo de preservar el medio ambiente. Se ha diseñado un sistema de recuperación de acetona cuyo esquema se muestra a continuación. Todas las concentraciones, las de las corrientes gaseosas y líquidas, están expresadas en porcentaje en peso. Calcule las cantidades de A, F, W, B y D en kg/h.


6- Se carga una columna de destilación con una mezcla que contiene 15% en peso de alcohol metílico y 85% de agua. El destilado contiene 85% en peso de alcohol. El 5% del contenido de alcohol de la corriente de entrada queda en el residuo. Calcular a) kilogramos de producto por cada 100 kg/h de carga; b) composición del residuo expresada como porcentaje en peso. 7- Una columna de destilación se alimenta a razón de 10000 kg/h con una mezcla de propano, butano y pentano en proporciones iguales. Por la parte superior de la columna se obtienen 2800 kg/h de una mezcla que contiene 90 % de propano, 7 % de butano y 3 % de pentano. Por la parte media de la columna sale una corriente de 3500 kg/h de una mezcla formada por 20 % de propano, 70 % de butano y el resto es pentano. a) Realice el diagrama del proceso b) Calcule la velocidad de flujo másica del residuo que sale por la parte inferior de la columna y su composición. 8 - Una corriente conteniendo 75 % de agua y 25 % de sólido es alimentada a un granulador a una relación de 4000 kg/h. La alimentación es premezclada en el granulador con producto reciclado desde el secador. El objetivo de esto es reducir la cantidad de agua en la alimentación que ingresa al granulador al 50%. Al secador ingresa una corriente de aire para reducir la cantidad de humedad de los sólidos. El aire que ingresa al secador contiene 3 % de agua y abandona el mismo con un contenido del 6 % de agua. El producto que abandona el secador tiene 16,7 % de agua. Calcule: a) la cantidad de producto que es recirculada (R) en lb/min b) la cantidad de aire que ingresa al secador (S) en kg/h A continuación se presenta un diagrama del proceso:


9 – Una mezcla es separada en dos fracciones. La primera fracción contiene 50 % del compuesto A y 50 % del compuesto B. La segunda fracción contiene 25 % de A y 75 % de B. El peso de la segunda fracción resulta dos veces mayor que el de la primera ¿Cuál era la composición de la mezcla original? 10- El proceso de activación de los acumuladores de automóviles, más conocidos como baterías, se lleva a cabo por agregado de ácido sulfúrico diluido. Para realizar esta tarea se utiliza una solución al 18,63 % en sulfúrico, que se prepara a partir de una solución de ácido diluida (12,43%) y 200 kg/h de una solución concentrada (77 %), ¿qué cantidad de la solución de ácido sulfúrico diluida será necesaria? 11- Ácido diluido proveniente de un proceso de nitración contiene 33 % de ácido sulfúrico, 36 % de ácido nítrico y 31 % de agua en peso. Este ácido ha de concentrarse por adición de una solución acuosa de sulfúrico concentrado que contiene 95 % de sulfúrico y de una solución acuosa de ácido nítrico concentrado con una riqueza en nítrico de 78 %. El producto (mezcla ácida concentrada) ha de contener un 40 % de sulfúrico y 43 % de nítrico. Calcule las cantidades de ácido diluido y de los concentrados que deben mezclarse para obtener 1500 kg/h de la mezcla deseada.

Acido diluído

Solución acuosa de ácido sulfúrico concentrado

Solución acuosa de ácido nítrico concentrado

Producto (mezcla ácida concentrada)


12 – En una planta de fabricación de gasolina, el isopentano es removido de una corriente libre de butano. El proceso se muestra en el siguiente esquema:

¿Qué fracción de la corriente libre de butano pasa a través de la torre de isopentano? 13- Una solución salina se bombea a un cristalizador donde se depositan los cristales por evaporación del agua. Los cristales se extraen, se pesan, se secan y se vuelven a pesar. Del evaporador no se retira solución concentrada manteniéndose constante el nivel de la solución. Durante un periodo determinado se separan 10.000 kg/h de agua del evaporador. El peso de los cristales húmedos obtenidos es de 6.130 kg/h, luego de secado pesaban 4.920 kg/h. Calcular el peso y la composición de la solución que entró al cristalizador.

Agua Solución salina Aire húmedo Aire seco Cristales húmedos

Cristales secos

14- Para concentrar el jugo de naranja se parte de un extracto que contiene 12,5% de sólidos. El jugo se pasa a los evaporadores que trabajan al vacío y parte se deriva, para luego diluir el jugo concentrado que sale del evaporador con 58% de sólidos hasta la concentración final de 42% de sólidos. La finalidad es mejorar el sabor del jugo, ya que durante la evaporación se pierden ciertos saborizantes volátiles. Calcule la cantidad de agua evaporada por cada 100 kg/s de jugo diluido que entra en el proceso. Calcule además la cantidad de jugo derivada. Un esquema del proceso puede apreciarse en la siguiente figura:


15- Una refinería separa por destilación 50.000 kg/h de una mezcla que contiene 35% de propano y 65% de butano, porcentajes en peso. En el destilado aparecen 100 kg/h de butano y el resto es propano, mientras que en el residuo hay 65 kg/h de propano y el resto es butano ¿Cuáles serán las composiciones del residuo y el destilado? 16 – Una carga de semillas de soja contiene 18% de aceite, 10% de agua y 72% de sólidos. Se realiza una extracción con hexano puro obteniéndose una solución que contiene 25% de aceite y 75% de hexano y un residuo con 0,5% de aceite, 20% de hexano, 9,7% de agua y el resto de sólidos. Todos los porcentajes son en peso. ¿Qué cantidad de semillas de soja se necesitarán para obtener 10.000 kg/h de solución? 17- Considere la siguiente reacción: C4H8 + 6 O2



4 CO2 + 4 H2O

a) ¿Cuántos moles de oxígeno reaccionan para formar 400 moles de anhídrido carbónico? b) El reactor es alimentado con 100 mol/min de C 4H8. Si sólo reacciona el 50% de este reactivo, ¿cuál es la cantidad de agua formada? 18- La oxidación de etileno para producir óxido de etileno procede de acuerdo con la siguiente reacción: 2 C2H4 + O2  2 C2H4O La alimentación al reactor contiene 100 kmol de C 2H4 y 100 kmol de O 2. a) ¿Cuál es el reactivo limitante? b) ¿Cuál es el porcentaje de exceso del reactivo correspondiente? c) Si la reacción se lleva acabo con el 100% de conversión del reactivo limitante, ¿qué cantidad de reactivo en exceso quedará? ¿Cuánto C 2H4O se formará? 19- El acetonitrilo se produce con la reacción del propileno, amoníaco y oxígeno, de acuerdo con la siguiente reacción: C3H6 + NH3 + 3/2 O2  C3H3 N + 3 H2O El reactor es alimentado con 100 moles/h de una mezcla que contiene 10% en mol de propileno, 12% en mol de amoníaco y 78% en mol de aire. Se alcanza una conversión del 30% de reactivo limitante. a) ¿Cuál es el reactivo limitante? b) ¿Cuáles serán las velocidades de flujo molares de los productos? c) Obtenga la composición porcentual másica de la corriente de salida


20- En un reactor se quema metano con oxígeno, de acuerdo con la siguiente reacción: CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O La corriente de alimentación al reactor tiene la siguiente composición porcentual molar: 20 % de CH4, 60 % de O2 y 20 % de CO 2. La conversión del reactivo limitante es del 90 %. Calcular: a) la velocidad de flujo másica de productos obtenidos b) la composición porcentual molar de la corriente de salida. c) la composición porcentual másica de la corriente de salida. 21- Un reactor de combustión se alimenta con 5,8 kg/h de butano (C 4H10) y 5000 mol/h de aire. La reacción química es la siguiente: C4H10 +

13 2

O2



4 CO2 + 5 H2O

a) ¿Cuál es el porcentaje de aire en exceso? b) Determine la composición porcentual másica de la corriente de salida. c) Determine la composición porcentual molar de la corriente de salida. 22- Carbono, en forma de coque libre de hidrógeno, es quemado en presencia de aire. La combustión procede de acuerdo con la siguiente reacción: C + O2 → CO2 Averigüe la composición de los gases que se obtienen cuando la combustión se realiza bajo las siguientes condiciones: a) Empleando aire teórico b) Empleando 50% de aire en exceso 23 - Un gas de uso doméstico tiene la siguiente composición molar: CO2 4,5 % C2H6 26,2 % C3H6 36,0 %

CH4 N2

27,0 % 6,3 %

Las reacciones de combustión para cada uno de los componentes del gas son: 2 C2H6 + 7 O2



4 CO2 + 6 H2O

2 C3H6 + 9 O2



6 CO2 + 6 H2O

CH4 + 2 O2



CO2 + 2 H2O

Calcule: a) La velocidad de flujo molar de oxígeno teórico necesario para la combustión de 1 mol/h de gas. b) La composición de la corriente gaseosa de salida, si el gas se quema en presencia de aire con un 20 % de exceso. 24- La calcinación de la piedra caliza transcurre de acuerdo con las siguientes reacciones: CaCO3  CaO + CO2 MgCO3  MgO + CO2 La composición porcentual másica típica de una piedra caliza es la siguiente:


CaCO3 MgCO3 Impurezas

92,89 % 5,41 % 1,70 %

Calcule: a) ¿Cuántos kg de óxido de calcio se pueden obtener a partir de 1000 kg de piedra caliza? b) ¿Cuántos kg de CO2 se producen de 1 Kg de piedra caliza? c) ¿Cuántos kg de piedra caliza se necesitan para producir 100 kg de CaO? 25 – Uno de los procesos de fabricación de ácido fluorhídrico (HF) consiste en el tratamiento de fluoruro de calcio (CaF2) con ácido sulfúrico (H 2SO4), de acuerdo con la siguiente reacción: CaF2 + H2SO4  2 HF + CaSO 4 El espatofluor, un mineral que contiene 75 % en peso de CaF 2 y 25 % de impurezas, es usado a nivel industrial como fuente de CaF 2. El ácido sulfúrico usado en el proceso está en un 30 % en exceso respecto al teórico requerido. La mayor parte del fluorhídrico abandona las cámaras de reacción como gas, quedando un residuo sólido que contiene el 5 % de todo el HF formado, como así también CaSO 4, inertes y reactivo en exceso sin reaccionar. Se desea conocer: a) la cantidad de residuo producido por cada 100 kg/h de mineral. b) la composición porcentual másica del residuo producido c) la velocidad de flujo másica de la corriente de HF gaseosa 26- El metano gaseoso puede quemarse según las siguientes reacciones: CH4 + 2 O2



CO2 + 2 H2O

(1)

2 CH4 + 3 O2  2 CO + 4 H2O (2) Si a un reactor se lo alimenta con 100 mol/h de metano. a) ¿Cuál sería la velocidad de flujo de O 2 teórico si en el reactor se lleva a cabo la combustión en forma completa (ocurre sólo la reacción 1)? b) ¿Cuál sería la velocidad de flujo de O 2 teórico si el 70% del metano reacciona para formar CO? c) Si se suministra 100% de aire en exceso, y en consecuencia sólo ocurre la reacción 1, ¿cuál será el flujo de aire que entra al reactor? 27- La fabricación de hipoclorito de sodio responde a la siguiente reacción química: Cl2 + 2 NaOH  ClNa + NaOCl + H 2O El cloro gaseoso se burbujea en una disolución acuosa de NaOH y posteriormente se separa el producto deseado del cloruro de sodio. Se hacen reaccionar 1145 lb de NaOH con 851 lb de cloro gaseoso. El NaOCl formado pesa 618 lb. Calcule: a) ¿Cuál es el reactivo limitante? b) ¿Cuál es el porcentaje de exceso del otro reactivo? c) Determine la composición porcentual másica de la corriente de salida del reactor.


d) Determine la composición porcentual molar de la corriente de salida del reactor.

Balance Demas A

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