En lo loss procesos con dos o más equipos se dispone de dos grandes alternativas: La aplicación de un balance global sobre el proceso completo y la aplicación de balances sobre unidades individuales o combinaciones de unidades, tal como se trabajo con la balances de materia sin reacción química en dos o más equipos.
El análisis de un gas natural contiene 4 lbmol de CH 4 por lbmol de N2. Este gas se quema en una caldera y la mayor parte del CO2 producido se emplea en la producción de hielo seco, por lo cual el gas de chimenea se pasa por un sistema de separación para separar la mayor parte de CO 2. El análisis del gas de salida del separador es 1.2% de CO2, 4.9% de O2 y 93.9% de N2. Calcular: a) El porcentaje de CO2 separado. b) El porcentaje de exceso de O2.
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O CO2 4
nCH4,1 nN2,1
=
4 1
1
REACTOR
3
H2O
SEPARADOR
1.2% CO2 5
4.9% O2 93.9% N2
2
21% O2 79% N2
Incógnitas: a) %CO2 separado = b) %EO2
N4 N3
X100
A un reactor se alimenta una mezcla equimolar de CO e H2 con el fin de sintetizar CH3OH, conforme a la reacción: CO + H2
CH3OH
De acuerdo a las condiciones del proceso reacciona 65% del hidrógeno alimentado al reactor, desafortunadamente sólo el 58% d esta cantidad produce CH3OH, mientras que el resto produce CH4 y H2O según la reacción: CO + H2
CH4 + H2O
De acuerdo con el diagrama mostrado y la información complementaria que contiene, determine todos los flujos molares de las corrientes.
Reacciones:
CO + 2H2
CH3OH CO
CO + 3H2
CH4 + H2O
CH4 3
H2
50%n CO 1
REACTOR
2
SEPARADOR
50%n H2 4
CH3OH 150 kmol/día H2O
Cuando una reacción química no se efectúa al 100% de conversión, es recomendable que los reactivos que no se consumieron se separen de los demás materiales para regresarlos (recircularlos) a la corriente de alimentación al reactor. Desafortunadamente no siempre se logra una separación ideal, por lo que en la recirculación los reactivos pueden ir acompañados de impurezas, inertes o productos deseados e indeseados, los cuales se van acumulando en el flujo de recirculación al irse consumiendo los reactivos. Para evitar la acumulación de los materiales que acompañan a los reactivos, es necesario eliminar una parte del flujo de recirculación. A esta fracción se le conoce como PURGA.
Recirculación
Alimentación fresca Purga
REACTOR Nodo de mezclado
Alimentación Combinada
Nodo de división
Cuando se realizan balances de materia con reacción química, aplicando recirculación, derivación y/o purga se manejan dos conceptos de conversión, dado que se tienen dos flujos de alimentación al reactor: a) Conversión Global:
..
=
GR.L.
.
. . . . ó
b) Conversión por paso:
.. =
PR.L.
.
. . . . ó
La alimentación fresca en un proceso de producción de amoniaco contiene 24.75%n de nitrógeno, 74,25%n de hidrógeno y el resto de sustancias inertes. La alimentación se combina con un flujo de recirculación que contiene las mismas especies y el flujo combinado se alimenta al reactor, donde se alcanza una conversión en una sola etapa del 25% de nitrógeno. Los productos pasan a través de un condensador, donde se separa esencialmente amoniaco, mientras que los gases restantes se hacen recircular. Sin embargo, para evitar el aumento de las sustancias inertes, debe extraerse un flujo de purgado. El flujo de recirculación contiene 12.5%n de inertes. Calcule: a) La conversión Global de Nitrógeno. b) Las moles de gas purgadas por moles de gas que salen del condensador. c) Las moles de alimentación fresca por moles de alimentación al reactor.
N2 + 3H2
2NH3 N2
12.5%n I 6
H2
7
I P N2 =
5
25%
24.75%n N2 74.25%n H2
1
2
REACTOR
3
1%n I
Incógnitas: a) G N2 b) N6 /N5 c) N1 /N2
CONDENSADOR
4
NH3
Una calcita que contiene 95%w de CaCO3 y 5%w de SiO2 se va a calcinar de acuerdo al diagrama. El calor para la reacción se suministra por un horno que quema carbón. Los gases calientes que salen del horno A contienen 5%n de CO 2 y los gases que salen del horno B contienen 8.65%n de CO 2. Con el fin de aprovechar parte del calor sensible de estos gases, cierta cantidad de ellos se recircula y la mezcla formada contiene 7%n de CO2. Calcular: a) Las libras de CaO obtenidas por libra de Carbón quemado. b) La relación de libras de gases recirculados por gases no recirculados.
Reacción Horno A: Reacción Horno B:
C + O2 CaCO3
CO2 CO2 + CaO 95%w CaCO3
Calcita
Aire Carbón
1
HORNO A
CO2 5%n O2 N2 3
CO2 7%n O2 N2 4
5 %w SiO2 CO2 8.65%n O2 N2
5
HORNO B
7
9
2
Incógnitas: a) MCaO /1 lb C b) M8 /M9
6
CaO SiO2
CO2 O2 N2
8
CO2 O2 N2
El metano reacciona con cloro para producir cloruro de metilo y cloruro de hidrógeno.
CH4 + Cl2
CH3Cl + HCl
Una vez que el cloruro de metilo se ha formado éste puede clorarse para formar cloruro de metilo (CH2Cl2), cloroformo (CHCl3) y tetracloruro de carbono (CCl4). En un proceso de producción de cloruro de metilo se alimenta metano y cloro a un reactor, en una relación molar de 5:1. Se puede suponer que se alcanza una conversión de cloro del 100% en una sola etapa. El cociente entre los moles de CH3Cl y las moles de CH3Cl2 en el producto es de 4:1 y se producen cantidades despreciables de cloroformo y de tetracloruro de carbono.
El producto gaseoso se enfría, condensando CH3Cl y CH2Cl2 que se separan posteriormente en una columna de destilación. El gas que sale del condensador se manda a una torre de absorción, donde se absorbe HCl. El gas que sale de la torre, que puede considerarse metano puro, se recircula al reactor. Para una velocidad de producción de 1000 kg/h de CH3Cl, calcule:
a) El flujo y la composición de la alimentación fresca. b) La cantidad que debe de eliminarse de HCl en la torre. c) El flujo de recirculación.
Profa. Isaura García Maldonado.
La combustión es una de las reacciones más importantes en la industria química, a pesar de que los productos que se obtienen de ésta no tiene valor alguno. La importancia de la combustión reside en las cantidades de calor tan grandes que se producen: Los gases calientes producidos se utilizan para mover turbinas de gas y para producir vapor de agua, que a su vez se utiliza para operar turbinas de vapor. Ambos tipos de turbinas generan la mayor parte de la energía eléctrica del mundo.
En una reacción de combustión intervienen como reactivos oxígeno y combustibles .
Un combustible es aquélla sustancia que combinada con el oxígeno del aire produce luz, calor y desprendimiento de gases. Los combustibles pueden ser sólidos, líquidos o gases. Alcohol
Carbones lignitos Sólidos
Coques
Petróleo Líquidos
Maderas Residuos combustibles
Productos derivados del petróleo
Gases
Productos obtenidos principalmente del carbón
Los elementos fundamentales de un combustible son: Carbono (C) Hidrógeno (H) Azufre (S) • • •
Carbono + Oxígeno
Azufre + Oxígeno
CO CO2
SO2
CO
Carbono + Hidrógeno + Oxígeno
Azufre + Carbono + Oxígeno
CO2 H2 O
CO CO2 SO2
la reacción de combustión en la que se produce CO2 se conoce como “reacción principal o combustión completa” y la reacción en la que se produce CO se conoce como “reacción secundaria o combustión incompleta” .
Por razones económicas el aire es la principal fuente de oxígeno en la mayoría de las reacciones de combustión. Para asegurar el mayor consumo del combustible, es necesario que el oxígeno se alimente en exceso; por lo que en las reacciones de combustión el reactivo en exceso es el oxígeno.
Si en una reacción de combustión no se alimenta oxígeno o aire en exceso, se corre el riesgo de que el combustible no se queme completamente, por lo que se tendría la formación de CO, resultado de una combustión incompleta.
Cálculo del porciento de exceso de oxígeno: % =
− ó ó
Oxígeno Teórico: Es la cantidad de O 2 que se necesita para efectuar la oxidación completa del combustible alimentado al reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO 2 .y si el combustible contiene azufre que este produzca SO 2 .
% =
…
(1)
Aire Teórico: Es la cantidad de aire le que corresponde a la cantidad de oxígeno teórico. Aire en exceso: Es la cantidad en exceso del aire alimentado al reactor, con respecto a la cantidad de aire teórico.
− ó ó
…
(2)
21%n de O2
Composición del aire
PM aire = 28.84 79%n de N2
= %
…
(3)
Sustituyendo (3) en 1: % =
% − % ó
% =
% ó % − ó
% =
% ó
− ó ó
De (2) tenemos que :
% = %
Un horno se alimenta con 100 mol/h de propano junto con 3500 mol/h de aire. No se quema todo el propano y se forman CO y CO 2. Calcule el porcentaje de aire en exceso suministrado al horno. Reacciones:
C3H8 + 5O2
3CO2 + 4H2O
C3H8 + 3.5O2
3CO + 4H2O CO2
C3H8
CO
N1 = 100 mol/h 1
REACTOR
3
2 N2 = 3500 mol/h
Incógnita: %Eaire = ?
21% n O2 79% n N2
H2O C3H8 O2 N2
Al producto gaseoso de una reacción de combustión se le denomina de diversas formas: Gas de emisión. •
•
Gas de chimenea.
•
Gas húmedo.
•
Gas de salida.
El análisis de un flujo de gas que resulta de una reacción de combustión se puede evaluar de dos formas diferentes:
Análisis en base húmeda.
La composición del gas de chimenea se obtiene tomando en cuenta el agua como componente de la mezcla de gases.
Análisis en base seca o análisis Orsat.
La composición del gas de chimenea se obtiene sin considerar el agua como componente de la mezcla de gases.
Se quema butano con un 30% en exceso de aire. Determinar la composición molar en base húmeda y en base seca (análisis Orsat) del gas de chimenea suponiendo que la conversión es de 80% y que el 90% de Butano que reacciona forma CO2 y el resto forma CO. Reacciones:
C4H10 + 6.5O2
4CO2 + 5H2O
C4H10 + 4.5O2
4CO + 5H2O CO2
C4H10 = 80%
C4H10
1
REACTOR 2
%Eaire = 30
21% n O2 79% n N2
CO 3
H2O C4H10 O2 N2
Reacciones:
Análisis Orsat
C4H10 + 6.5O2
4CO2 + 5H2O
C4H10 + 4.5O2
4CO + 5H2O
Base húmeda
CO2
C4H10 = 80%
C4H10
1
REACTOR 2
%Eaire = 30
CO 3
H2O C4H10 O2 N2
21% n O2 79% n N2
= . = .
Base seca
CO2 CO C4H10 O2 N2
Un gas natural contiene 92% n de metano, 5% n de etano y 3% n de propano. Si 100 kmol/h de este combustible se quema por completo con 125% en exceso de aire: a) ¿Cuál es la alimentación de aire requerida? b) ¿Cómo cambiaría la respuesta si la combustión sólo se efectuará con una conversión del 75%? CO2 92%n CH4 5 %n C2H6
N1 = 100 kmol/h 1
REACTOR
3 %n C3H8 2
Incógnita: N2 = ? %Eaire = 25
21% n O2 79% n N2
3
H2O O2 N2
Reacciones de combustión completa:
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
C2H6 + 3.5O2
2CO2 + 3H2O
C3H8 + 5O2
3CO2 + 4H2O CO2
92%n CH4 5 %n C2H6
N1 = 100 kmol/h 1
REACTOR
3 %n C3H8 2
Incógnita: N2 = ? %Eaire = 25
21% n O2 79% n N2
3
H2O O2 N2
