ACADEMIA DE OPERACIONES OPERAC IONES UNITARIAS UNIDAD DE APRENDIZAJE: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
PROGRAMA SINTÉTICO UNIDA UNIDAD D ACAD ACAD MICA: MICA:
ESCUELA SUPERIOR SUPERIOR DE INGENIER INGENIER A QU MICA E INDUSTRIAS INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. EXTRACTIVAS.
PROGRAMA ACADÉMICO: UNIDAD DE APRENDIZAJE:
INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL NIVEL: II
Balance de Materia y Energía
Nº. Nº. UNIDA UNIDAD D TEM TEM TICA: TICA: I
NOMBRE: Introducción a los principios básicos
UNIDAD DE COMPETENCIA Aplica las diversas representaciones de medidas m edidas de concentración en los balances de materia y energía con base en el sistema de conversiones. HORAS Con Docente No. 1.1
HORAS Aprendizaje Autónomo
CONTENIDO
1.2
Importancia de los balances de materia y energía en la Ingeniería Química Composición de mezclas
1.2.1
Gases ideales.
1.2.2
Ley de Amagat.
1.2.3
Ley de Dalton.
Subtotal por Unidad temática: Nº. UNIDAD TEMÁTICA: II TEMÁTICA: II
T 3.0
P
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1B
5.0
2.0
8.0
0.0
1 B, 2 B
2.0
NOMBRE: Balances de materia en sistemas no reaccionantes UNIDAD DE COMPETENCIA
Establece metodologías de solución de unidades simples de procesos, con base en la ley de la conservación de la materia. HORAS Con Docente No.
CONTENIDO T
HORAS Aprendizaje Autónomo
P
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
2.1 2.1.1 2.1.2
Ley de la conservación de l a materia. Ecuación general del balance de materia Balances de materia en sistemas continuos
4.0
1.0
1B, 2B, 5C
2.2 2.2.1 2..2.2
En unidades simples Unidades de mezclado. Unidades de separación.
4.5
1.0
1B, 2B, 5C
2.3 2.3.1 2.3.2. 2.3.3
En sistemas formados por múltiples unidades. Evaporación en multietapas. Extracción en multietapas. Sistemas con dos o mas procesos.
4.5
1.0
1B, 2B, 3C, 4C
ACADEMIA DE OPERACIONES OPERAC IONES UNITARIAS UNIDAD DE APRENDIZAJE: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 2.4 2.4.1 2.4.2
Balances de materia con recirculación y/o derivación y purga. Unidades simples con recirculación. Sistemas formados por múltiples unidades con recirculación y/o purga.
Subtotal por Unidad temática: Nº. UNIDAD TEMÁTICA: III TEMÁTICA: III
4.0
1.0
1B, 2B, 3C, 4C
17.0
0.0 4.0 NOMBRE: Balances de materia en sistemas reaccionantes
UNIDAD DE COMPETENCIA Resuelve problemas de reacciones químicas simultáneas y en serie en procesos con reacción química con base en los principios de balance de materia en sistemas reaccionantes. HORAS Con Docente No.
HORAS Aprendizaje Autónomo
CONTENIDO T
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
P
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5
Estequiometría. Reactivo limitante. Reactivo en exceso. Grado de conversión. Porcentaje en exceso. Análisis Orsat.
4.0
1.0
1B, 3C, 5C
3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
Balances de materia en un reactor. Balances por componentes. Balances por átomos. Reacciones simultáneas. Reacciones en serie. Selectividad y rendimiento.
5.0
1.0
1B, 2B, 3C
3.3
Balances de materia en procesos formados por unidades múltiples.
2.0
1.0
1B, 2B, 4C
3.4
Balances de materia en procesos formados por unidades múltiples con reacción y/o derivación y purga. Purga. Conversión por paso. Conversión global.
4.0
1.0
1B, 2B, 3C
3.4.1 3.4.2 3.4.3
Subtotal por Unidad temática: No. UNIDAD TEMÁTICA: IV TEMÁTICA: IV
15.0 0.0 4.0 NOMBRE: Balances NOMBRE: Balances de materia y energía en Sistemas no reaccionantes UNIDAD DE COMPETENCIA
Establece balances de energía en sistemas múltiples a partir del cálculo y uso de calor, entalpía y flujos en procesos de ingeniería.
CONTENIDO
HORAS Con Docente
No. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3
Conceptos fundamentales de energía Primera ley de la termodinámica. Estados de referencia. Capacidad calorífica y calor sensible
T 6.0
HORAS Aprendizaje Autónomo
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
P 1.0
1B, 2B, 3C
ACADEMIA DE OPERACIONES OPERAC IONES UNITARIAS UNIDAD DE APRENDIZAJE: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 2.4 2.4.1 2.4.2
Balances de materia con recirculación y/o derivación y purga. Unidades simples con recirculación. Sistemas formados por múltiples unidades con recirculación y/o purga.
Subtotal por Unidad temática: Nº. UNIDAD TEMÁTICA: III TEMÁTICA: III
4.0
1.0
1B, 2B, 3C, 4C
17.0
0.0 4.0 NOMBRE: Balances de materia en sistemas reaccionantes
UNIDAD DE COMPETENCIA Resuelve problemas de reacciones químicas simultáneas y en serie en procesos con reacción química con base en los principios de balance de materia en sistemas reaccionantes. HORAS Con Docente No.
HORAS Aprendizaje Autónomo
CONTENIDO T
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
P
3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5
Estequiometría. Reactivo limitante. Reactivo en exceso. Grado de conversión. Porcentaje en exceso. Análisis Orsat.
4.0
1.0
1B, 3C, 5C
3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
Balances de materia en un reactor. Balances por componentes. Balances por átomos. Reacciones simultáneas. Reacciones en serie. Selectividad y rendimiento.
5.0
1.0
1B, 2B, 3C
3.3
Balances de materia en procesos formados por unidades múltiples.
2.0
1.0
1B, 2B, 4C
3.4
Balances de materia en procesos formados por unidades múltiples con reacción y/o derivación y purga. Purga. Conversión por paso. Conversión global.
4.0
1.0
1B, 2B, 3C
3.4.1 3.4.2 3.4.3
Subtotal por Unidad temática: No. UNIDAD TEMÁTICA: IV TEMÁTICA: IV
15.0 0.0 4.0 NOMBRE: Balances NOMBRE: Balances de materia y energía en Sistemas no reaccionantes UNIDAD DE COMPETENCIA
Establece balances de energía en sistemas múltiples a partir del cálculo y uso de calor, entalpía y flujos en procesos de ingeniería.
CONTENIDO
HORAS Con Docente
No. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3
Conceptos fundamentales de energía Primera ley de la termodinámica. Estados de referencia. Capacidad calorífica y calor sensible
T 6.0
HORAS Aprendizaje Autónomo
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
P 1.0
1B, 2B, 3C
ACADEMIA DE OPERACIONES OPERAC IONES UNITARIAS UNIDAD DE APRENDIZAJE: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA 4.1.4 4.1.5
Entalpía específica y calor latente. Tablas de vapor de agua
4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3
Unidades simples de operaciones unitarias. Ecuación general del balance de energía. Calentamiento, enfriamiento Calor suministrado, eliminado y pérdidas de Calor.
4.3
Sistemas formados por unidades múltiples.
4.4
Sistemas formados por unidades múltiples con recirculación y/o derivación.
1B, 2B, 3C, 5C
5.0
2.0
3.0
1.0
4.0
1.0
1B, 2B, 3C, 4C 1B, 2B, 3C, 4C
Subtotal por Unidad temática. No. No. UNID UNIDAD AD TEM TEM TICA: TICA: V
18.0 0.0 5.0 NOMBRE: Balances de materia y energía en Sistemas reaccionantes UNIDAD DE COMPETENCIA Establece balances de energía en sistemas múltiples a partir del cálculo, uso de calor, calor de formación, calor de reacción, entalpía y flujos en procesos de ingeniería.
No.
CONTENIDO
5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4
Conceptos y unidades Estados de referencia. Calor de reacción. Ley de Hess. Calor de formación.
5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3
Balances en unidades simples Ecuación general del balance de energía. Balance de energía con una reacción. Balance de energía con reacciones múltiples.
5.3
Balances en procesos
HORAS Con Docente T P 4.0
4.0
1.0
CLAVE
B
C
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1B, 2B
1B, 2B, 4C, 5C
1B, 2B, 3C, 5C
6.0
Subtotal por Unidad temática.
HORAS Aprendizaje Autónomo 1.0
14.0
2.0
0.0
BIBLIOGRAF BIBLIOGRAF A
4.0
ACADEMIA DE OPERACIONES OPERAC IONES UNITARIAS UNIDAD DE APRENDIZAJE: BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA Felder, R. M., Rousseau R. W. Principios elementales de los procesos químicos México. New York: Noriega-Limusa, 2004, 681 págs. ISBN 968-186169-8.
1. X
,
2.
Himmelblau, D. M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. Sexta Edición. México: Prentice Hall Hispanoamericana, 1997, 716 págs. ISBN 968880-802-4.
X 3.
X
Regina M. Murphy. Introducción a los procesos químicos. Principios, análisis y síntesis. Primera Edición, Mc Graw Hill, México, 2007, 684 págs. ISBN 978-007-284960-8
4.
X
Reklaitis, G. V. Balances de Materia y Energía Primera Edición. México: Interamericana, 1986, 684 págs. ISBN 968-25-1146-1
5.
X
Gashem N., Redhouane H. Principles of CHEMICAL ENGINEERING PROCESSES. Firs Edition, CRC Press, United States of America, 2009, 378 pags. ISBN 978-1-4200-8013-1.
,
Profa. Isaura García Maldonado.
26/08/2014 17:36
•
•
Mezclado
Evaporación •
Separación
•
Secado
Destilación
1
•
•
Mezclado
Evaporación •
Separación
•
Secado
Destilación Absorción
•
•
Filtración
El mezclado es una operación unitaria que consiste en integrar, combinar dos o más sustancias con el fin de obtener un producto o subproducto uniforme. Las operaciones de mezclado se usan con una gran variedad de propósitos. Entre ellos se encuentran la homogeneización de materiales, la transferencia de calor, la dispersión de gases en líquidos, etc.
El mezclado es una operación unitaria que consiste en integrar, combinar dos o más sustancias con el fin de obtener un producto o subproducto uniforme. Las operaciones de mezclado se usan con una gran variedad de propósitos. Entre ellos se encuentran la homogeneización de materiales, la transferencia de calor, la dispersión de gases en líquidos, etc. El mezclado es esencial en la industria para la transformación de materias primas en productos. Esta operación unitaria se puede llevar a cabo en uniones de tuberías o en equipos de mezclado.
El ácido agotado de un proceso de nitración contiene 43% de H2SO4 y 36% de HNO3. La concentración de este ácido diluido se incrementa mediante la adición de ácido sulfúrico concentrado, que contiene 91% de H2SO4 y ácido nítrico concentrado, que contiene 88% de HNO3. El producto deberá contener 41.8% de H2SO4 y 40% de HNO3. Calcular las cantidades de ácido agotado y de ácidos concentrados que deberán mezclarse para obtener 100 lb/h del ácido mezclado reforzado. 43 % de H2SO4 36 % de HNO3
1
3
88 % de HNO3
El ácido agotado de un proceso de nitración contiene 43% de H2SO4 y 36% de HNO3. La concentración de este ácido diluido se incrementa mediante la adición de ácido sulfúrico concentrado, que contiene 91% de H2SO4 y ácido nítrico concentrado, que contiene 88% de HNO3. El producto deberá contener 41.8% de H2SO4 y 40% de HNO3. Calcular las cantidades de ácido agotado y de ácidos concentrados que deberán mezclarse para obtener 100 lb/h del ácido mezclado reforzado. 43 % de H2SO4 36 % de HNO3
1
88 % de HNO3
3
12 % de H2O
21 % de H2O
M4 = 100 lb/h 91 % de H2SO4
MEZCLADOR
4
2
41.8 % de H2SO4 40 % de HNO3 18.2 % de H2O
9 % de H2O
Un gas que contiene 79.1% de N2, 1.7% de O2 y 19.2% de SO2, se mezcla con otro gas que contiene 50% de SO2, 6.53% de O2 y 43.47% de N2, para producir un gas que contiene 21.45% de SO 2, 2.05% de O2 y 76.50% de N2. Todas las composiciones corresponden a porcentaje en mol. Determine en qué proporción deberán mezclarse las corrientes de entrada al proceso. 50 % de SO2 2
6.53 % de O2 43.47 % de N
Un gas que contiene 79.1% de N2, 1.7% de O2 y 19.2% de SO2, se mezcla con otro gas que contiene 50% de SO2, 6.53% de O2 y 43.47% de N2, para producir un gas que contiene 21.45% de SO 2, 2.05% de O2 y 76.50% de N2. Todas las composiciones corresponden a porcentaje en mol. Determine en qué proporción deberán mezclarse las corrientes de entrada al proceso. 50 % de SO2 2
6.53 % de O2 43.47 % de N2
79.1% de N2 1.7% de O2
21.45 % de SO2 1
MEZCLADOR
3
19.2% de SO2
2.05 % de O2
76.50 % de N2
Es una operación unitaria mediante la cual una sustancia pasa del estado líquido al estado vapor, por el suministro de energía calorífica. Aplicaciones Típicas de Evaporación: En los procesos de ingeniería química la evaporación se
Concentración de producto.
•
Pre-concentración de la alimentación al secador.
•
Es una operación unitaria mediante la cual una sustancia pasa del estado líquido al estado vapor, por el suministro de energía calorífica. Aplicaciones Típicas de Evaporación: En los procesos de ingeniería química la evaporación se utiliza generalmente para separar líquido de una solución.
Concentración de producto.
•
Pre-concentración de la alimentación al secador.
•
Reducción de volumen.
•
Recuperación de agua o solvente
•
•
Cristalización.
2
Solvente evaporado
EVAPORADOR
Solución diluida
1
3
Solución concentrada
2
Solvente evaporado
EVAPORADOR
Solución diluida
3
1
Solución concentrada
A un evaporador se alimentan 100 000 kg/día de una solución que contiene 38 %w de azúcar, obteniéndose una solución concentrada con 74 %w. Calcúlese el peso de solución obtenida y la cantidad de agua evaporada. 2
H2O
A un evaporador se alimentan 100 000 kg/día de una solución que contiene 38 %w de azúcar, obteniéndose una solución concentrada con 74 %w. Calcúlese el peso de solución obtenida y la cantidad de agua evaporada. 2
M1=100 000 kg/día 38 %w azúcar
1
H2O
3
74 %w azúcar
El secado se describe como el proceso mediante el cual se elimina líquido de un sólido. Generalmente la cantidad del líquido en el sólido es pequeña, por lo que se dice que el sólido está húmedo.
Esquema del proceso de secado Líquido
El secado se describe como el proceso mediante el cual se elimina líquido de un sólido. Generalmente la cantidad del líquido en el sólido es pequeña, por lo que se dice que el sólido está húmedo.
Esquema del proceso de secado 2
Sólido Húmedo
1
Líquido removido
SECADOR
3
Sólido seco
Por un túnel secador se pasa continuamente papel húmedo que contiene 0.1 lb agua/lb de papel seco y sale con 0.02 lb de agua/lb de papel seco. ¿cuántas lb de agua se evaporan por hora si al secador se introducen 1000 lb de papel húmedo por hora? HO
Por un túnel secador se pasa continuamente papel húmedo que contiene 0.1 lb agua/lb de papel seco y sale con 0.02 lb de agua/lb de papel seco. ¿cuántas lb de agua se evaporan por hora si al secador se introducen 1000 lb de papel húmedo por hora? 2
H2O Papel
Papel H2O
1
SECADOR
3
H2O 0.02 lb H2O/lb papel
0.1 lb H2O/lb papel
Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de agua y después de secarla se determina que se ha eliminado el 55% del agua original de la pulpa. Calcúlese la composición de la pulpa seca y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa húmeda. HO
Una pulpa de madera húmeda contiene 68% en peso de agua y después de secarla se determina que se ha eliminado el 55% del agua original de la pulpa. Calcúlese la composición de la pulpa seca y su peso para una alimentación de 1000 kg/min de pulpa húmeda. 2
pulpa 68%w H2O
H2O
M1=1000kg/min 1
SECADOR
3
Pulpa H2O
La destilación consiste en separar de una mezcla líquida uno o más componentes, basándose en la temperatura de ebullición de cada componente presente en la mezcla. Los componentes de menor
Los componentes menos
temperatura de ebullición se conocen
volátiles (los de mayor temperatura
como componentes más volátiles y
de ebullición) se separan por el
La destilación consiste en separar de una mezcla líquida uno o más componentes, basándose en la temperatura de ebullición de cada componente presente en la mezcla. Los componentes de menor
Los componentes menos
temperatura de ebullición se conocen
volátiles (los de mayor temperatura
como componentes más volátiles y
de ebullición) se separan por el
se separan por el domo (parte
fondo de la torre. A los productos
superior) de la torre de destilación. Al
obtenidos en el fondo se les conoce
producto obtenido en el domo se
como RESIDUOS.
llama DESTILADO.
DOMO
Mezcla líquida A B
1
2
DESTILADO
Componente(s) má(s) volátil(es) A C
DOMO
2
DESTILADO
Componente(s) má(s) volátil(es) A C
Mezcla líquida A B C
1
Componente(s) menos volátil(es) FONDOS
3
A B
RESIDUO
En una columna de destilación se separa una mezcla equimolar de Etanol (E), Propanol (P) y Butanol (B) 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
En una columna de destilación se separa una mezcla equimolar de Etanol (E), Propanol (P) y Butanol (B) 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 1000 mol/h
66.2/3 % Etanol DOMO
Mezcla líquida Etanol, E Propanol, P Butanol, B
N1 = 1000 mol/h 1
2
DESTILADO
33.1/3 % Propanol
66.2/3 % Etanol DOMO
2
DESTILADO
33.1/3 % Propanol
Mezcla líquida Etanol, E Propanol, P Butanol, B
N1 = 1000 mol/h 1
Propanol FONDOS
3
Butanol
RESIDUO
A una columna de destilación se alimenta una mezcla cuya composición es 2% mol de etileno, 3% mol de etano, 5% de propileno, 15% mol de propano, 25% mol de isobutano, 35% mol de n-butano y 15% mol de n-pentano. En el destilado se recupera todo el etileno, etano y propileno, parte del propano y parte del isobutano, el cual representa el 5% del total de moles de destilado.
A una columna de destilación se alimenta una mezcla cuya composición es 2% mol de etileno, 3% mol de etano, 5% de propileno, 15% mol de propano, 25% mol de isobutano, 35% mol de n-butano y 15% mol de n-pentano. En el destilado se recupera todo el etileno, etano y propileno, parte del propano y parte del isobutano, el cual representa el 5% del total de moles de destilado. En el residuo sale todo el n-butano, todo el pentano y el resto de isobutano y propano. La concentración de propano en esta corriente residual es de 0.8% en mol. Calcular las composiciones de producto destilado y de residuo por 100 moles de alimentación.
La absorción es una operación unitaria que consiste en separar de una mezcla gaseosa uno o más componentes con la ayuda de una solvente líquido, con el cual el o los componentes separados forman una solución. el equipo en el que se lleva a cabo el proceso de
La absorción es una operación unitaria que consiste en separar de una mezcla gaseosa uno o más componentes con la ayuda de una solvente líquido, con el cual el o los componentes separados forman una solución. el equipo en el que se lleva a cabo el proceso de absorción se conoce como Torre de absorción y tanto la mezcla gaseosa y el solvente líquido se alimentan a la misma a contracorriente.
Componentes de la A mezcla gaseosa no B separados
4
2
Líquido
Componentes de la A mezcla gaseosa no B separados
Mezcla gaseosa
4
A B C
2
1
3
Líquido
Solución Componente(s) separado(s) C
En una unidad llamada absorbedor se alimentan 200 lb/h de una mezcla gaseosa que contiene 20%w de acetona y el resto de un gas portador. La mezcla gaseosa se trata con una corriente de agua pura en una relación másica de 1 a 5 , lo que produce un gas de descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua. Suponiendo que el gas
En una unidad llamada absorbedor se alimentan 200 lb/h de una mezcla gaseosa que contiene 20%w de acetona y el resto de un gas portador. La mezcla gaseosa se trata con una corriente de agua pura en una relación másica de 1 a 5 , lo que produce un gas de descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua. Suponiendo que el gas portador no se disuelve en agua, calcule todos los flujos totales desconocidos y la composición en todas las corrientes.
Componentes de la Gas mezcla gaseosa no portador separados
4
2
Agua pura
Componentes de la Gas mezcla gaseosa no portador separados
2
4
Agua pura
Solución Mezcla gaseosa
Acetona
20%w acetona 80%w Gas portador
1
3
Agua
M1 = 200 lb/h
El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas que contiene 15% en mol de CS 2, 17.8% de O2 y 67.2% de N2. el gas se alimenta a una torre de absorción continua donde se pone en contacto con benceno que absorbe el CS2, pero no el O 2 y el N2. el benceno líquido se alimenta a la columna en una relación molar
de 2:1 con respecto al gas de
alimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2% de CS
El disulfuro de carbono, CS2, se separa de un gas que contiene 15% en mol de CS 2, 17.8% de O2 y 67.2% de N2. el gas se alimenta a una torre de absorción continua donde se pone en contacto con benceno que absorbe el CS2, pero no el O 2 y el N2. el benceno líquido se alimenta a la columna en una relación molar
de 2:1 con respecto al gas de
alimentación. El gas que sale de la torre de absorción contiene 2% de CS 2 y 2% de benceno. Calcule el porcentaje de CS 2 absorbido y la fracción mol de CS 2 en la corriente de benceno a la salida.
Los procesos químicos industriales se efectúan en una serie de equipos que están interconectados entre sí, tales como unidades de mezclado, intercambiadores de calor, torres de destilación, de absorción, evaporadores, secadores, etc. y cuando hay reacción química también están presentes los reactores. Para realizar el balance de materia en estos procesos se puede
Los procesos químicos industriales se efectúan en una serie de equipos que están interconectados entre sí, tales como unidades de mezclado, intercambiadores de calor, torres de destilación, de absorción, evaporadores, secadores, etc. y cuando hay reacción química también están presentes los reactores. Para realizar el balance de materia en estos procesos se puede considerar como sistema: •
Todo el proceso
•
Un solo equipo del proceso global.
•
Dos o más equipos del proceso global.
•
Un punto de unión de dos o más corrientes.
Sistema: Proceso global
2
1
Mezclador
4
6
Sistema: Proceso global 4
2
1
6
Mezclador 3
5
7
Sistema: Un equipo del proceso global
2
1
Mezclador
4
6
Sistema: Un equipo del proceso global 4
2
1
6
Mezclador 3
5
7
Sistema: Dos equipos del proceso global
2
1
Mezclador
4
6
Sistema: Dos equipos del proceso global 4
2
1
6
Mezclador 3
5
7
Los evaporadores son dispositivos en los cuales se calienta una solución hasta su temperatura de ebullición y se elimina una porción del disolvente evaporado, dejando a la solución más concentrada. Un evaporador de múltiple efecto consiste en una serie de evaporadores conectados entre sí (llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más concentrada en cada unidad. Para producir agua potable a partir de agua de mar,
Los evaporadores son dispositivos en los cuales se calienta una solución hasta su temperatura de ebullición y se elimina una porción del disolvente evaporado, dejando a la solución más concentrada. Un evaporador de múltiple efecto consiste en una serie de evaporadores conectados entre sí (llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más concentrada en cada unidad. Para producir agua potable a partir de agua de mar, se emplea un sistema de evaporación de triple efecto. El agua de mar contiene 3.5% en peso de sal (la sal puede considerarse como formada exclusivamente por NaCl en este problema). Treinta mil libras por hora de agua de mar se alimentan al primer efecto del evaporador.
La composición de la solución que abandona el tercer efecto se mide con un medidor de conductividad eléctrica, calibrado a fin de proveer una lectura de la fracción molar de NaCl de la solución, obteniéndose una lectura de 0.01593. Se elimina por ebullición la misma
La composición de la solución que abandona el tercer efecto se mide con un medidor de conductividad eléctrica, calibrado a fin de proveer una lectura de la fracción molar de NaCl de la solución, obteniéndose una lectura de 0.01593. Se elimina por ebullición la misma cantidad de agua en cada uno de los efectos. Calcular la cantidad de agua eliminada en cada efecto y el porcentaje en peso de NaCl en la solución que abandona el segundo efecto.
M2 = M4 = M6 4
2
M1 = 30000 lb/h
3.5%w NaCl
1
3
6
5
7
0.01593n NaCl
M2 = M4 = M6 4
2
M1 = 30000 lb/h
3.5%w NaCl
1
3
6
5
7
0.01593n NaCl
Incógnitas: M2 = M4 = M6 = ? %xwNaCl,5 = ?
El flujo de alimentación a una unidad que consiste de dos columnas de destilación contiene 30% de benceno (B), 55% de Tolueno (T) y 15% de Xileno (X). Se analiza el destilado de la primera columna y se encuentra que contiene 94.4% de B, 4.54% de T y 1.06% de X. Los fondos de la primera columna se alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna se planea que 92% del T original cargado a la unidad se recupere en la corriente de destilado y que el T constituya el 94.6% la corriente. Se planea, además, que 92.6% del X cargado a la unidad se recupere en los fondos de esta columna y que el xileno
El flujo de alimentación a una unidad que consiste de dos columnas de destilación contiene 30% de benceno (B), 55% de Tolueno (T) y 15% de Xileno (X). Se analiza el destilado de la primera columna y se encuentra que contiene 94.4% de B, 4.54% de T y 1.06% de X. Los fondos de la primera columna se alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna se planea que 92% del T original cargado a la unidad se recupere en la corriente de destilado y que el T constituya el 94.6% la corriente. Se planea, además, que 92.6% del X cargado a la unidad 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: a) El análisis de todas las corrientes que salen de la unidad. b) La recuperación porcentual de benceno en la corriente de destilado de la primera columna.
94.4 % B 2
30% B 55% T 15% X
1
4.54% T 1.06% X
4
f T,4 = 92% f T,1 94.6% T
94.4 % B 4.54% T 1.06% X
2
30% B 55% T 15% X
4
f T,4 = 92% f T,1 94.6% T
1
3
5
f X,5 = 92.6 % f X,1 77.6% X
Una recirculación es una corriente de flujo que se toma de la descarga de una UNIDAD y se regresa como alimentación a la misma o a otra UNIDAD colocada anteriormente.
Recirculación
Una recirculación es un proceso que consiste de tres
Una recirculación es una corriente de flujo que se toma de la descarga de una UNIDAD y se regresa como alimentación a la misma o a otra UNIDAD colocada anteriormente. Una recirculación es un
Recirculación
proceso que consiste de tres unidades: Unidad 1
Unidad 2
1. Nodo de Mezclado. 2. Unidad interna. 3. Nodo de División.
Alimentación fresca
Unidad interna
Unidad
Alimentación fresca
Unidad interna
Unidad Nodo de mezclado
Alimentación Combinada
3
A B C
1
Nodo de división
A B C 2
A B C
Un nodo de mezclado se considera como un equipo donde se lleva a cabo el proceso de mezclado; por lo que el balance se realiza como en un mezclador.
3
A B C
1
A B C 2
A B C
Un nodo de mezclado se considera como un equipo donde se lleva a cabo el proceso de mezclado; por lo que el balance se realiza como en un mezclador. Balance global: Balance del componente A:
F1 + F3 = F2 f A1 + f A3 = f A2
Un DIVISOR es un dispositivo mediante el cual se divide el flujo de entrada de una corriente en dos o más corrientes menores. Como la división se hace únicamente con base al flujo, la COMPOSICIÓN en todas las corrientes en las que se divide la corriente de alimentación es la misma, por lo que en un nodo de división sólo se puede realizar el balance global. A B
xwA,1 = xwA,2 = xwA,3 xwB,1 = xwB,2 = xwB,3
Un DIVISOR es un dispositivo mediante el cual se divide el flujo de entrada de una corriente en dos o más corrientes menores. Como la división se hace únicamente con base al flujo, la COMPOSICIÓN en todas las corrientes en las que se divide la corriente de alimentación es la misma, por lo que en un nodo de división sólo se puede realizar el balance global.
xwA,1 = xwA,2 = xwA,3
A B C
xwB,1 = xwB,2 = xwB,3 xwC,1 = xwC,2 = xwC,3
3
A B C
1
2
A B C
O bien:
xnA,1 = xnA,2 = xnA,3 xnB,1 = xnB,2 = xnB,3 xnC,1 = xnC,2 = xnC,3
La derivación consiste en pasar el flujo de una corriente a una unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad interna.
Unidad interna
La derivación consiste en pasar el flujo de una corriente a una unidad situada más adelante. Al igual que en la recirculación, en este caso se presentan tres etapas: Nodo de mezclado, nodo de división y la unidad interna.
Unidad interna
Unidad Nodo de división
Nodo de mezclado
Se utiliza un sistema de purificación con recirculación para recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF. Calcule la fracción de recirculación suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad.
Se utiliza un sistema de purificación con recirculación para recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF. Calcule la fracción de recirculación suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad.
DMF 55% Aire
Unidad De purificación
DMF Aire 90%
Un flujo de 0.126 kg/s de arena que contiene 20% en peso de agua se va a secar hasta un contenido de 5% de agua. La presión parcial del vapor de agua en el aire ambiente es de 10 mmHg y la presión parcial del vapor de agua en el aire que sale del secador es de 200 mmHg. A fin de lograr esto, se recircula y se mezcla una porción de aire de salida con el aire de entrada, de manera que la presiónbparcial del vapor de agua en el aire alimentado al secador es de 50.26 mmHg. Si la presión atmosférica es
Un flujo de 0.126 kg/s de arena que contiene 20% en peso de agua se va a secar hasta un contenido de 5% de agua. La presión parcial del vapor de agua en el aire ambiente es de 10 mmHg y la presión parcial del vapor de agua en el aire que sale del secador es de 200 mmHg. A fin de lograr esto, se recircula y se mezcla una porción de aire de salida con el aire de entrada, de manera que la presiónbparcial del vapor de agua en el aire alimentado al secador es de 50.26 mmHg. Si la presión atmosférica es de 760 mmHg, calcular: a) La masa de aire fresco alimentado al secador. b) La masa de aire recirculado.
PT = 760 mmHg Pagua = 200 mmHg
Pagua = 50.26 mmHg Pagua = 10 mmHg
SECADOR
PT = 760 mmHg Pagua = 200 mmHg
Pagua = 50.26 mmHg Pagua = 10 mmHg
SECADOR
0.126 kg/s de arena húmeda 20% agua 80% Sólidos
Producto 5 % agua 95 % sólidos
Una mezcla líquida que está constituida por 40% mol de benceno (B) y 60% mol de tolueno (T), se separa en una columna de destilación. El vapor que sale por la parte superior de la columna (contiene 95% mol de benceno), se condensa completamente y se divide en dos fracciones iguales, una se toma como producto destilado y la otra se retorna a la parte superior de la columna (reflujo). El destilado contiene 90% del benceno que se alimentó a la columna. El líquido que sale por la parte
Una mezcla líquida que está constituida por 40% mol de benceno (B) y 60% mol de tolueno (T), se separa en una columna de destilación. El vapor que sale por la parte superior de la columna (contiene 95% mol de benceno), se condensa completamente y se divide en dos fracciones iguales, una se toma como producto destilado y la otra se retorna a la parte superior de la columna (reflujo). El destilado contiene 90% del benceno que se alimentó a la columna. El líquido que sale por la parte superior de la columna alimenta a un hervidor parcial donde se evapora el 45% del líquido. El vapor generado en este hervidor regresa a la parte inferior de la columna y el líquido residual constituye la cola de la destilación.
Las composiciones de los flujos que salen del hervidor están determinadas por la relación:
− − ,
,
=
,
Donde
y
.
,
son las fracciones molares del benceno
Las composiciones de los flujos que salen del hervidor están determinadas por la relación:
− − ,
,
=
,
Donde
y
.
,
son las fracciones molares del benceno
en los flujos de vapor y líquido respectivamente. Para una base de 100 mol/h alimentadas a la columna, calcular el flujo molar de destilado (corriente 6), residuo (corriente 8) y corriente 3, así como, sus respectivas fracciones molares.
0.95 B 0.05 T
Condensador
2
3 6
40% B 60% T
1
6
0.95 B 0.05 T
Condensador
2
3 6
40% B 60% T
6
1
7
8
3
Hervidor
Un flujo de 4251 kg/h de solución de NaNO 3 al 30% en peso se alimenta a un evaporador, donde la solución es concentrada hasta la saturación a 100
C.
°
Posteriormente la solución saturada se enfría hasta 20 C y los cristales de NaNO 3 °
formados se separan por filtración, quedando humedecidos con una solución que tiene una masa equivalente al 10% de la masa de cristales. Suponiendo que la solubilidad del nitrato a 100 C es de 1.76 lb/lb de agua y a 20 C es de 0.88 lb/lb de agua, calcular: °
°
Un flujo de 4251 kg/h de solución de NaNO 3 al 30% en peso se alimenta a un evaporador, donde la solución es concentrada hasta la saturación a 100
C.
°
Posteriormente la solución saturada se enfría hasta 20 C y los cristales de NaNO 3 °
formados se separan por filtración, quedando humedecidos con una solución que tiene una masa equivalente al 10% de la masa de cristales. Suponiendo que la solubilidad del nitrato a 100 C es de 1.76 lb/lb de agua y a 20 C es de 0.88 lb/lb de agua, calcular: °
°
a) La cantidad de agua que se requiere evaporar para que la solución alcance la saturación a 100 C. °
b) La masa total de la solución fresca alimentada al sistema.
H2O evaporada
M2 = 4251 kg/h
1 Alimentación fresca
4
30 %w NaNO3
2
msolución,6 = 0.10 m Cristales,6
3 Evaporador Solución a 100 °C
6 Cristales
Cristales
Enfriador 5
Solución a 20°C
Filtro Solución
H2O evaporada
M2 = 4251 kg/h
1 Alimentación fresca
msolución,6 = 0.10 m Cristales,6
3 4
30 %w NaNO3
2
Evaporador Solución a 100 °C
7
6 Cristales
Cristales
Enfriador 5
Solución a 20°C
Filtro Solución
Solución
Solubilidad a 100 C =1.76 lb nitrato/lb de agua. Solubilidad a 20 C = 0.88 lb nitrato/lb de agua. °
°
Se requiere destilar 1000 mol/h de una mezcla con la siguiente composición: 25%n de benceno (B), 30% n de Tolueno (T) y 45% n de Xileno (X). Para ello se utiliza un tren de separación constituido por 2 columnas de destilación. Se analiza el producto de fondos de la primera columna y se determina que contiene 3%n de B, 34.5%n de T y el resto de X. Los fondos de la primera columna alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna, se obtiene un producto destilado con 10%n de B, 80%n de T y en la
Se requiere destilar 1000 mol/h de una mezcla con la siguiente composición: 25%n de benceno (B), 30% n de Tolueno (T) y 45% n de Xileno (X). Para ello se utiliza un tren de separación constituido por 2 columnas de destilación. Se analiza el producto de fondos de la primera columna y se determina que contiene 3%n de B, 34.5%n de T y el resto de X. Los fondos de la primera columna alimentan a la segunda columna. En esta segunda columna, se obtiene un producto destilado con 10%n de B, 80%n de T y en la corriente de fondos sólo hay T y X. Si se cumplen estas condiciones, determine los flujos molares y las composiciones de todas las corrientes del tren de destilación.
4 2
CI
25%n B 30%n T 45%n X
CII
1
3.0%n B
B 10%n T 80%n X
B 10%n T 80%n X
4 2
CI
25%n B 30%n T 45%n X
CII
1
3.0%n B 34.5%n T X 3
5
6
5 2
CI 1
CII
CIII
6
5 2
CI
CIII
CII
1
3
C2 2% n C6 32% n C7 33% n C8 33% n
4
7
N7 = 36.14 Kmol/h
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
La energía es de suma importancia en la industria de los procesos químicos, debido a dos razones principales: •
La energía representa uno de los más importantes costos de operación. Algunos procesos en los que todos los demás aspectos resultan muy atractivos, pueden resultar inviables debido a sus necesidades energéticas.
1
La energía es de suma importancia en la industria de los procesos químicos, debido a dos razones principales: •
•
La energía representa uno de los más importantes costos de operación. Algunos procesos en los que todos los demás aspectos resultan muy atractivos, pueden resultar inviables debido a sus necesidades energéticas. Las reacciones químicas y los cambios de fase requieren generalmente que se suministren, o bien, que se liberen grandes cantidades de energía.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
Los balances de energía se basan en el principio de conservación de la energía, denominado primera ley de la termodinámica, la cual enuncia que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma; por lo que la cantidad total de energía que entra en un sistema debe ser exactamente igual a la que sale más cualquier aumento dentro del sistema. Como la energía se conserva en cualquier proceso de un
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Los balances de energía se basan en el principio de conservación de la energía, denominado primera ley de la termodinámica, la cual enuncia que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma; por lo que la cantidad total de energía que entra en un sistema debe ser exactamente igual a la que sale más cualquier aumento dentro del sistema. Como la energía se conserva en cualquier proceso de un sistema, se puede escribir:
− = ∆ Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
Para un sistema en estado estacionario no aislado:
=
+
2
Ejemplo:
E
1
PROCESO
é
E2
3
Para un sistema en estado estacionario no aislado:
=
+
E1
E2
2
Ejemplo:
1
é
PROCESO
3
E3
Balance de energía:
= + + é
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
A presión constante la energía que requiere un proceso para poder calentar o enfriar una corriente, se determina en forma de calor. Para un proceso abierto a presión constante:
Y:
= = = = = ∆
4
A presión constante la energía que requiere un proceso para poder calentar o enfriar una corriente, se determina en forma de calor. Para un proceso abierto a presión constante:
= = = = = ∆
Y:
Donde F representa el flujo molar o másico, H la entalpía específica o molar, Cp es la capacidad calorífica a presión constante y ΔT es la diferencia de temperaturas.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
Para el siguiente proceso: 2
Ejemplo:
E1
1
Balance de energía:
PROCESO
E2
3
E3
Esuministrada
+ = + +
é
5
Para el siguiente proceso: 2
Ejemplo:
E1
1
Balance de energía:
PROCESO
E2
3
E3
Esuministrada
+ = + + é
Aplicando la expresión de calor en cada término de energía:
+ = + + é
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 15:53
El cálculo de las entalpías en cada corriente de flujo, depende del estado de la materia y de las condiciones energéticas de la misma. Las condiciones energéticas de la materia en cada flujo de entrada y de salida de un proceso, se evalúan en base a los siguientes 5 casos: Materia presente como Líquido Subenfriado o Comprimido: Se llama líquido subenfriado o comprimido a la
6
El cálculo de las entalpías en cada corriente de flujo, depende del estado de la materia y de las condiciones energéticas de la misma. Las condiciones energéticas de la materia en cada flujo de entrada y de salida de un proceso, se evalúan en base a los siguientes 5 casos: Materia presente como Líquido Subenfriado o Comprimido: Se llama líquido subenfriado o comprimido a la sustancia que se encuentra completamente en fase líquida. El líquido subenfriado o comprimido está por debajo de su temperatura de ebullición o saturación, por lo que es un líquido que no está a punto de evaporarse.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
Materia presente como Líquido Saturado: Es una sustancia que ha alcanzado su temperatura de ebullición o saturación. En este punto la sustancia sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor (no de temperatura) causará algo de evaporación. Este líquido que está a punto de evaporarse, se llama líquido saturado. Materia presente como Mezcla Líquido - Vapor: Es una sustancia que coexiste en dos fases: líquido y vapor a la temperatura de saturación o ebullición. Conforme se aumenta el
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Materia presente como Líquido Saturado: Es una sustancia que ha alcanzado su temperatura de ebullición o saturación. En este punto la sustancia sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor (no de temperatura) causará algo de evaporación. Este líquido que está a punto de evaporarse, se llama líquido saturado. Materia presente como Mezcla Líquido - Vapor: Es una sustancia que coexiste en dos fases: líquido y vapor a la temperatura de saturación o ebullición. Conforme se aumenta el calor (no la temperatura) se tiene una mayor cantidad de vapor que de líquido. Para determinar la fracción de vapor que contiene una mezcla líquido – vapor se utiliza el concepto de calidad, . Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 17:49
Calidad, : =
Materia presente como Vapor Saturado: Es una sustancia que se encuentra en la fase vapor a la temperatura de saturación y que está a punto de condensarse.
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Calidad, : =
Materia presente como Vapor Saturado: Es una sustancia que se encuentra en la fase vapor a la temperatura de saturación y que está a punto de condensarse. Materia presente como Vapor Sobrecalentado: Es una sustancia que se encuentra completamente en la fase vapor y que no está a punto de condensarse.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 17:50
T Líquido saturado Tebullición = Tsaturación
Vapor sobrecalentado Mezcla Líquido - vapor
Vapor
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T Líquido saturado Tebullición = Tsaturación
Vapor sobrecalentado Mezcla Líquido - vapor
Líquido subenfriado o comprimido
Vapor saturado
Q=H Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
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Temperatura de saturación, Tsat: A una cierta presión, es la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase. Presión de saturación, Psat : A una cierta temperatura, es la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase.
Temperatura de saturación, Tsat: A una cierta presión, es la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase. Presión de saturación, Psat : A una cierta temperatura, es la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase.
Calor sensible, Qs: Es el calor que recibe un cuerpo o una sustancia y hace que aumente su temperatura sin cambiar de fase.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
Calor latente, : Es el calor que recibe un cuerpo o una sustancia para cambiar de fase sin cambio de temperatura. Calor latente de fusión, f : Es el calor que se requiere para pasar del estado sólido al líquido.
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Calor latente, : Es el calor que recibe un cuerpo o una sustancia para cambiar de fase sin cambio de temperatura. Calor latente de fusión, f : Es el calor que se requiere para pasar del estado sólido al líquido.
Calor latente de vaporización, v: Es el calor que se requiere para pasar del estado líquido al vapor.
Profa. Isaura García Maldonado.
= −
− = − +
19/02/2015 12:44
12
= − = − +
= −
= −
− = − +
= − +
= − + + − Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
1. Suponiendo que para las condiciones dadas, la capacidad calorífica del agua es constante e igual a 1 BTU/lb °F, calcule la entalpía específica del agua a 150 °F y 1 atmósfera con respecto a: a) 32 °F y 1 atm. b) 100 °F y 1 atm.
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1. Suponiendo que para las condiciones dadas, la capacidad calorífica del agua es constante e igual a 1 BTU/lb °F, calcule la entalpía específica del agua a 150 °F y 1 atmósfera con respecto a: a) 32 °F y 1 atm. b) 100 °F y 1 atm. c) 212 °F y 1 atm. d) 250 °F y 1 atm.
Profa. Isaura García Maldonado.
T
Tsaturación = 212 °F
T = 150 °F
19/02/2015 12:44
Líquido saturado
Mezcla Líquido - vapor
Líquido subenfriado
Vapor sobrecalentado
Vapor saturado
14
T
Líquido saturado
Tsaturación = 212 °F
T = 150 °F
Mezcla Líquido - vapor
Líquido subenfriado o comprimido
Vapor sobrecalentado
Vapor saturado
Q Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
15
2. Calcule la entalpía del vapor de zinc a 1000°C y presión de 1 atm, relativa al sólido a 0°C, si se dispone de la siguiente información:
Compuesto
Zinc
Tfusión °C
Tebullición °C
Cp(s) cal/g°C
Cp(l) cal/g°C
Cp(v) cal/g°C
Cal/g
Cal/g
419
907
0.105
0.109
0.076
25
412
fusión
vaporización
2. Calcule la entalpía del vapor de zinc a 1000°C y presión de 1 atm, relativa al sólido a 0°C, si se dispone de la siguiente información:
Compuesto
Zinc
Tfusión °C
Tebullición °C
Cp(s) cal/g°C
Cp(l) cal/g°C
Cp(v) cal/g°C
Cal/g
Cal/g
419
907
0.105
0.109
0.076
25
412
fusión
vaporización
NOTA: Temperatura de referencia 0°C.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
16
3. Se desean obtener 50 kg de agua a 38°C. Para ello se tiene un recipiente con agua a 90 °C y otro con agua a 14 °C. Determine las cantidades necesarias de agua caliente y fría.
T = 90 C °
1
T3 = 38 C °
3. Se desean obtener 50 kg de agua a 38°C. Para ello se tiene un recipiente con agua a 90 °C y otro con agua a 14 °C. Determine las cantidades necesarias de agua caliente y fría.
T1 = 90 C °
T3 = 38 C °
1
3
T2 = 14 C °
M3 = 50Kg
2
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
17
CALENTADOR: T1
1
Balance de materia:
=
T2
2
3
4
T4
T2
T1
T3
Balance de Energía:
CALENTADOR: T1
1
Balance de materia:
= =
T2
2
3
4
T4
T2
T1
T3
Balance de Energía: T3
+ = + − = − − = T4
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
4. Fluye petróleo crudo a razón de 2000 lb/h a través del tubo interior de un intercambiador de calor de tubos concéntricos y se calienta de 90 a 200 °F. El calor es proporcionado por queroseno que entra al equipo a 400 °F. Si la temperatura de salida del queroseno es de 220 °F, determinar el flujo requerido de éste. Datos adicionales:
18
4. Fluye petróleo crudo a razón de 2000 lb/h a través del tubo interior de un intercambiador de calor de tubos concéntricos y se calienta de 90 a 200 °F. El calor es proporcionado por queroseno que entra al equipo a 400 °F. Si la temperatura de salida del queroseno es de 220 °F, determinar el flujo requerido de éste. Datos adicionales: Cppetróleo = 0.56 BTU/lb°F Cpqueroseno = 0.60 BTU/lb°F
Profa. Isaura García Maldonado.
Qp
19/02/2015 12:44
Vapor saturado
2
líquido 1 comprimido
3
líquido saturado
19
Balance global de materia:
= + =
Balance de Energía:
+ = + + + 4
5
+ = + + +
Qp
Vapor saturado
2
líquido 1 comprimido
3
líquido saturado
Balance global de materia:
= + =
Balance de Energía:
+ = + + + 4
5
Profa. Isaura García Maldonado.
+ = + + + − = + − + − = + − + = + − + 19/02/2015 12:44
5. Un proceso de evaporación se utiliza para obtener una solución concentrada de sulfato de potasio a partir de una disolución acuosa de esta sal. La alimentación al evaporador contiene 18.5%w de K 2SO4 y se encuentra a 45 °C. La solución que abandona el evaporador sale a 90°C, consiste en una solución en la que por cada Kg de K 2SO4 hay 1.5 kg de H2O. El evaporador tiene una capacidad máxima de evaporación de 185 kg de H2O/min. Calcule el flujo másico necesario del medio de calentamiento para alcanzar la capacidad máxima evaporativa, considerando:
20
5. Un proceso de evaporación se utiliza para obtener una solución concentrada de sulfato de potasio a partir de una disolución acuosa de esta sal. La alimentación al evaporador contiene 18.5%w de K 2SO4 y se encuentra a 45 °C. La solución que abandona el evaporador sale a 90°C, consiste en una solución en la que por cada Kg de K 2SO4 hay 1.5 kg de H2O. El evaporador tiene una capacidad máxima de evaporación de 185 kg de H2O/min. Calcule el flujo másico necesario del medio de calentamiento para alcanzar la capacidad máxima evaporativa, considerando: a) Que no existen pérdidas de calor. b) Que se pierde 7.5% del calor suministrado en el evaporador, además considere que las disoluciones de K 2SO4 tienen las mismas propiedades físicas del agua..
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
2
21
M2 = 185 kg/min
P = 530 mmHg 18.6 % w K2SO4 T1 = 45 C °
mK2SO4,3
1 3
=
mH2O,3
1 1.5
T3 = 90 C °
Incógnita:
M2 = 185 kg/min
2
P = 530 mmHg 18.6 % w K2SO4
mK2SO4,3
1
T1 = 45 C °
=
mH2O,3
3
1 1.5
T3 = 90 C °
Incógnita: 4 Vapor de H 2O T4 = 100 C °
P = 760 mmHg
Profa. Isaura García Maldonado.
= −
5
M4 = M5 = ? H2O T5 = 95 C °
19/02/2015 12:44
22
= −
= − + − = − +
= −
= −
= − + − = − + ,
= − + + − Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
= ,
=
=
23
= ,
=
= =
Donde Zi son las composiciones en fracción peso o fracción mol Vi es
el calor latente de vaporización del componente i.
nc: es el número de componentes en la mezcla. Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
24
= + + = + + ,
,
,
Cuando se trabaja con mezclas no se toma como
= + + = + + ,
,
,
Cuando se trabaja con mezclas no se toma como referencia el punto de ebullición para determinar en que estado de agregación se encuentra ésta. En este caso se considera el punto de burbuja o de rocío.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
La temperatura de burbuja es la temperatura a la cual inicia la vaporización de una mezcla líquida con una composición conocida. La presión asociada a esta temperatura se conoce como presión de burbuja.
La temperatura de rocío es la temperatura a la
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La temperatura de burbuja es la temperatura a la cual inicia la vaporización de una mezcla líquida con una composición conocida. La presión asociada a esta temperatura se conoce como presión de burbuja.
La temperatura de rocío es la temperatura a la cual inicia la condensación de una mezcla de vapor al enfriarla con una composición conocida. La presión asociada a esta temperatura se conoce como presión de rocío.
Profa. Isaura García Maldonado.
T
TBurbuja
19/02/2015 12:44
Mezcla de Líquido saturado
Mezcla Líquido - vapor
Mezcla de Líquido
Mezcla de Vapor sobrecalentado
Mezcla de Vapor saturado
26
Mezcla de Líquido saturado
T
TBurbuja
Mezcla Líquido - vapor
Mezcla de Líquido subenfriado o comprimido
Mezcla de Vapor sobrecalentado
Mezcla de Vapor saturado
Q Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
27
Balance global de materia: Qp
2
Vapor saturado
= + =
Balance de Energía: líquido comprimido
4 1
5
+ = + + + + = + + +
Balance global de materia: Qp
Vapor saturado
2
= + =
Balance de Energía: líquido comprimido
4 1
5
3
líquido saturado
Profa. Isaura García Maldonado.
+ = + + + + = + + + − = + − + − = + − + = + − + 19/02/2015 12:44
6. En una columna de destilación se desea separar una mezcla formada por benceno y tolueno. La alimentación contiene 70%n de benceno y entra a la columna a 150°F y la corriente de vapor que sale por el domo lo hace a 184.9 °F con un 90%n de benceno, mientras que el producto de fondos lo hace a 230 °F y está formado por 98.5%n de tolueno. Calcule el calor que debe de suministrar el medio de calentamiento si la columna opera a 1 atm y no existen pérdidas de calor.
28
6. En una columna de destilación se desea separar una mezcla formada por benceno y tolueno. La alimentación contiene 70%n de benceno y entra a la columna a 150°F y la corriente de vapor que sale por el domo lo hace a 184.9 °F con un 90%n de benceno, mientras que el producto de fondos lo hace a 230 °F y está formado por 98.5%n de tolueno. Calcule el calor que debe de suministrar el medio de calentamiento si la columna opera a 1 atm y no existen pérdidas de calor. Considere los siguientes datos adicionales: Compuesto
Tebullición °F
Cp(s) BTU/lbmol°F
BTU/lbmol
Benceno
176.18
36.66
13423.38
Tolueno
231.17
43.24
15793.68
Profa. Isaura García Maldonado.
v
19/02/2015 12:44
90 % n Benceno
Qp= 0
10 % n Tolueno
2
T2 = 184.9 F °
70 % n Benceno 30 % n Tolueno T1 = 150 F °
4 1
5
29
90 % n Benceno
Qp= 0
10 % n Tolueno
2
T2 = 184.9 F °
70 % n Benceno 30 % n Tolueno
4 1
T1 = 150 F °
5
98.5 % n Benceno 3
1.5 % n Tolueno T3 = 230 F °
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
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7. Se utiliza un evaporador de doble efecto para producir agua pura a partir de agua de mar que contiene 0.01117 moles de sal por mol de agua. El agua de mar entra al primer evaporador a 300 K y a 5000 kg/h y el vapor saturado a una presión de 4 bar alimenta a un conjunto de tubos en el primer evaporador. El vapor se condensa a 4 bar y el condensado se extrae a la temperatura de saturación que corresponde a esta presión. El calor liberado por el vapor que se condensa en los tubos ocasiona que el agua de la salmuera se evapore a una presión
7. Se utiliza un evaporador de doble efecto para producir agua pura a partir de agua de mar que contiene 0.01117 moles de sal por mol de agua. El agua de mar entra al primer evaporador a 300 K y a 5000 kg/h y el vapor saturado a una presión de 4 bar alimenta a un conjunto de tubos en el primer evaporador. El vapor se condensa a 4 bar y el condensado se extrae a la temperatura de saturación que corresponde a esta presión. El calor liberado por el vapor que se condensa en los tubos ocasiona que el agua de la salmuera se evapore a una presión de 0.6 bar, constante en el evaporador. La salmuera a la salida del primer efecto tiene 5.5 %w de sal. El vapor generado en el primer evaporador alimenta a un conjunto de tubos en el segundo evaporador.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
32
Continuación… El condensado de los tubos y el vapor generado en el segundo evaporador a una presión de 0.20 bar constituyen el agua pura que se produce durante el proceso. Si las disoluciones de salmuera, en ambos evaporadores tienen las propiedades físicas del agua pura y si éstos operan adiabáticamente,, calcule: adiabáticamente a) La temperatura y la entalpía específica de cada flujo. b) La velocidad a la que debe entrar el vapor al primer
Continuación… El condensado de los tubos y el vapor generado en el segundo evaporador a una presión de 0.20 bar constituyen el agua pura que se produce durante el proceso. Si las disoluciones de salmuera, en ambos evaporadores tienen las propiedades físicas del agua pura y si éstos operan adiabáticamente,, calcule: adiabáticamente a) La temperatura y la entalpía específica de cada flujo. b) La velocidad a la que debe entrar el vapor al primer evaporador. c) La velocidad de producción de agua pura a la concentración de sal de la disolución final de salmuera. NOTA: Considere a la sal como NaCl Profa. Isaura García Maldonado.
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33
6
H2OV H2OV
5 P=0.2 bar
P=0.6 bar
9 H2OV saturado
2
7
P2 = 4 bar
3
Salmuera 5.5 %w
4
10
6
H2OV H2OV
5 P=0.2 bar
P=0.6 bar
9 H2OV saturado
2
7
P2 = 4 bar
3
10
Salmuera 5.5 %w
4
H2Ol saturada
0.01117 mol NaCl/mol H 2O
1
P3 = 4 bar
8
H2O de mar T1 = 300 K
M1 = 5000 Kg/h
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
34
Se utiliza vapor de agua a 60 bar como medio de transferencia de calor entre una corriente vapor de benceno a 500 °C y una corriente fría de gas metano a 100 °C mediante el sistema ilustrado en la figura. El metano va a calentarse hasta 260 °C y el benceno va a enfriarse hasta 300 °C. Si el condensado que sale del intercambiador 1 es agua saturada a 60 bar, el vapor que sale del intercambiador 2 tiene una calidad del 10% a 60 bar y se alimenta benceno a razón de 200 mol/h. Calcule el flujo de metano que puede procesarse y los flujos de circulación del agua.
Se utiliza vapor de agua a 60 bar como medio de transferencia de calor entre una corriente vapor de benceno a 500 °C y una corriente fría de gas metano a 100 °C mediante el sistema ilustrado en la figura. El metano va a calentarse hasta 260 °C y el benceno va a enfriarse hasta 300 °C. Si el condensado que sale del intercambiador 1 es agua saturada a 60 bar, el vapor que sale del intercambiador 2 tiene una calidad del 10% a 60 bar y se alimenta benceno a razón de 200 mol/h. Calcule el flujo de metano que puede procesarse y los flujos de circulación del agua. Supóngase que todas las unidades operan en forma adiabática y que todos los flujos de agua están a 60 bar. Datos adicionales: Cpbenceno = 0.1685 kJ/mol K, Cpmetano = 0.0443 kJ/mol K Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
Vapor saturado
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Incógnitas: a) N8 = N9
2
b) N1, N2, N3, N4, N5
Metano
9
T9 = 260 C °
IC-1 Metano 8
T8 = 100 C °
T a n q u e d e
S e p a r a c i ó n
H2 O L-V 1
Vapor saturado
Incógnitas: a) N8 = N9
2
b) N1, N2, N3, N4, N5
Metano
9
T9 = 260 C °
S e p a r a c i ó n
T a n q u e
IC-1 Metano 8
d e
T8 = 100 C °
H2 O L-V 1
3
Líquido saturado
4
IC-2
5
7
Benceno Profa. Isaura García Maldonado.
T7 = 300 C °
= 10%
6
N6 = 200 mol/h Benceno T6 = 500 C °
Se desean rectificar 5000 lb/h de una mezcla bencenotolueno conteniendo 54%n de benceno a 80 °F. el proceso se efectuará a la presión de una atmosfera para producir un destilado a 180.5 °F, conteniendo 94.967 %w de benceno y un residuo a 229.6 °F, conteniendo 1.5%n de benceno. La alimentación se precalienta en un intercambiador de calor utilizando el residuo, el cual saldrá a 150 °F. El destilado se
Se desean rectificar 5000 lb/h de una mezcla bencenotolueno conteniendo 54%n de benceno a 80 °F. el proceso se efectuará a la presión de una atmosfera para producir un destilado a 180.5 °F, conteniendo 94.967 %w de benceno y un residuo a 229.6 °F, conteniendo 1.5%n de benceno. La alimentación se precalienta en un intercambiador de calor utilizando el residuo, el cual saldrá a 150 °F. El destilado se condensará totalmente regresando el reflujo a la columna como líquido saturado. Si para el proceso se recirculan 1.215 moles por mol de producto destilado, calcule:
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
a) Las cantidades de producto destilado y de residuo. b) Entalpías de la alimentación y productos. c) Temperatura de alimentación a la entrada de la columna. d) Si se introduce agua al condensador a una temperatura de 59 °F y sale a 86 °F, determínese la masa de agua necesaria para efectuar la condensación total del vapor destilado. Datos complementarios:
38
a) Las cantidades de producto destilado y de residuo. b) Entalpías de la alimentación y productos. c) Temperatura de alimentación a la entrada de la columna. d) Si se introduce agua al condensador a una temperatura de 59 °F y sale a 86 °F, determínese la masa de agua necesaria para efectuar la condensación total del vapor destilado. Datos complementarios: Compuesto
PM
Tebullición °C
Cp BTU/lb°F
BTU/lb
v
Benceno
78
80.1
0.47
172.1
Tolueno
92
110.6
0.47
161.13
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 12:44
39
Condensador Incógnitas: a) N6 , N8
3
H2O
b) H1, H6, H8 c) T2 d) M9 = M10
10
T10 = 86 F
9
T9 = 59 F
5
7
7
°
94.967 %w Benceno
6 = 1.215
°
5.033 % w Tolueno T6 = 180.5 F °
6
M1 = 5000 lb/h T = 80 F °
Condensador
3
Incógnitas: a) N6 , N8
H2O
b) H1, H6, H8 c) T2
10
T10 = 86 F
9
T9 = 59 F
5
d) M9 = M10
7
7
°
°
94.967 %w Benceno
6
5.033 % w Tolueno T6 = 180.5 F °
= 1.215
6
M1 = 5000 lb/h T1 = 80 F 54 %n Benceno 46 %n Tolueno °
1 2 T4 = 229.6 F 1.5 %n Benceno °
4
Profa. Isaura García Maldonado.
8
T8 = 150 F °
19/02/2015 12:44
40
Profa. Isaura García Maldonado.
01/10/2014 1:30
REACTIVOS
REACTIVOS
1
REACTOR
2
INERTES
INERTES PRODUCTOS
1
REACTIVOS
REACTIVOS
1
REACTOR
2
INERTES
INERTES PRODUCTOS
REACTIVOS
REACTIVOS
1
REACTOR
2
INERTES
INERTES PRODUCTOS
REACTIVOS
REACTIVOS
1
REACTOR
2
INERTES
INERTES PRODUCTOS
SALE = ENTRA - REACCIONA + PRODUCE
Reacción química:
MnO2 + 4HCl
MnCl2 + Cl2 + 2H2O
Los coeficientes estequiométricos de los reactivos y de los productos representan el número de moles que reaccionan y que se producenen la reacción; por lo que se tiene: 1 mol de MnO2 reaccionan con 4 moles de
Reacción química:
MnO2 + 4HCl
MnCl2 + Cl2 + 2H2O
Los coeficientes estequiométricos de los reactivos y de los productos representan el número de moles que reaccionan y que se producenen la reacción; por lo que se tiene: 1 mol de MnO2 reaccionan con 4 moles de HCl para producir 1 mol de MnCl2 , 1 mol de Cl2 y 2 mol de H2O. Esto indica que:
=1
=1
≠
Si la reacción anterior se lleva a cabo en un reactor, el número de moles que entran al reactor, no necesariamente es igual al número de moles que sale del reactor.
MnO2 + 4HCl 1 mol de MnO2
MnCl2 + Cl2 + 2H2O 1 mol de MnCl2
Si la reacción anterior se lleva a cabo en un reactor, el número de moles que entran al reactor, no necesariamente es igual al número de moles que sale del reactor.
MnO2 + 4HCl
MnCl2 + Cl2 + 2H2O 1 mol de MnCl2
1 mol de MnO2
1
2
REACTOR
4 mol de HCl
1 mol de Cl2 2 mol de H2O.
N1 = 5 m o l N2 =4mol Flujo molar de entrada
Flujo molar de salida
Las masas estequiométricas de los reactivos y productos se obtienen multiplicando el peso molecular del reactivo o del producto por su respectivo coeficiente estequiométrico.
MnO2 + 4HCl Pesos Moleculares 86.938
36.453
MnCl2 + Cl2 + 2H2O 125.844
70.906
18
Las masas estequiométricas de los reactivos y productos se obtienen multiplicando el peso molecular del reactivo o del producto por su respectivo coeficiente estequiométrico.
MnO2 + 4HCl Pesos Moleculares 86.938
36.453
Masas 1(86.938) estequiométricas
4(36.453)
86.938
MnCl2 + Cl2 + 2H2O 125.844
70.906
1(125.844) 1(70.906)
145.812
125.844
232.75
232.75
70.906
18 2(18) 36
Si la reacción anterior se lleva a cabo en un reactor, el flujo másico a la entrada del reactor es igual al flujo másico que sale del reactor.
MnO2 + 4HCl
MnCl2 + Cl2 + 2H2O
86.938
125.844
86.938 kg de MnO2
145.812
70.906
36 125.844 kg de MnCl2
Si la reacción anterior se lleva a cabo en un reactor, el flujo másico a la entrada del reactor es igual al flujo másico que sale del reactor.
MnO2 + 4HCl
MnCl2 + Cl2 + 2H2O
86.938
125.844
145.812
86.938 kg de MnO2
1
2
REACTOR
36
70.906
145.812 kg de HCl
125.844 kg de MnCl2 70.906 kg de Cl2 36 kg de H2O.
M1 = 232.75 kg = M2 = 232.75 kg Flujo másico de entrada = Flujo másico de salida
El balance de una reacción química consiste en tener la
misma cantidad de átomos como reactivos y como productos.
C8H12S2 +
O2
CO2 + H2O Carbono: C
El balance de una reacción química consiste en tener la
misma cantidad de átomos como reactivos y como productos.
C8H12S2 +
O2
CO2 + H2O
Átomos presentes en la reacción:
Carbono: C Hidrógeno: H Azufre: S Oxígeno: O
C8H12S2 +
O2
CO2 + H2O + SO2
REACTIVOS:
PRODUCTOS:
8 átomos de C
1 átomo de C
12 átomos de H
2 átomos de H
C8H12S2 +
O2
CO2 + H2O + SO2
REACTIVOS:
PRODUCTOS:
8 átomos de C
1 átomo de C
12 átomos de H
2 átomos de H
2 átomos de S
1 átomo de S
2 átomos de O
5 átomos de O
La reacción no está balanceada en ninguno de los átomos que participan en la misma.
Para balancear una reacción se alteran sólo los coeficientes estequiométricosde reactivos y/o productos.
+ 13O2 REACTIVOS:
8 átomos de C
8CO2 + 6H2O + 2SO2 PRODUCTOS:
8 átomos de C
Para balancear una reacción se alteran sólo los coeficientes estequiométricosde reactivos y/o productos.
+ 13O2 REACTIVOS:
8CO2 + 6H2O + 2SO2 PRODUCTOS:
8 átomos de C
8 átomos de C
12 átomos de H
12 átomos de H
2 átomos de S
2 átomos de S
26 átomos de O
26 átomos de O
Ejemplo: Balancear la siguiente reacción con el método algebraico
K4Fe(CN)6 + H2SO4 + H2O → K2SO4 + FeSO4 + (NH4)2SO4 + CO El balance consiste en encontrar los coeficientes estequiométricos de la reacción, los cuales son las incógnitas a las que nombraremos con las letras A, B, C, D, E, F y G. De tal forma que:
Ejemplo: Balancear la siguiente reacción con el método algebraico
K4Fe(CN)6 + H2SO4 + H2O → K2SO4 + FeSO4 + (NH4)2SO4 + CO El balance consiste en encontrar los coeficientes estequiométricos de la reacción, los cuales son las incógnitas a las que nombraremos con las letras A, B, C, D, E, F y G. De tal forma que:
AK4Fe(CN)6 + BH2SO4 + CH2O → DK2SO4 + EFeSO4 + F(NH4)2SO4 + GCO Ahora se plantean los balances para cada átomo presente en la reacción
AK4Fe(CN)6 + BH2SO4 + CH2O → DK2SO4 + EFeSO4 + F(NH4)2SO4 + GCO Balance de potasio: 4A = 2D ·····(1) Balance de hierro:
A= E
·····(2)
Balance de hidrógeno: 2B + 2C = 8F ·····(5) Balance de azufre:
AK4Fe(CN)6 + BH2SO4 + CH2O → DK2SO4 + EFeSO4 + F(NH4)2SO4 + GCO Balance de potasio: 4A = 2D ·····(1) Balance de hierro:
A= E
Balance de hidrógeno: 2B + 2C = 8F ·····(5)
·····(2) Balance de carbono: 6A = G ·····(3)
Balance de azufre: B = D + E + F ·····(6)
Balance de nitrógeno: 6A = 2F ·····(4)
4B + C = 4D + 4E + 4F + G
Suponiendo que : A=1 De la ecuación (2): E=1
Balance de oxígeno: ·····(7)
De la ecuación (6): B = 2+1+3=6 De la ecuación (5): C 4F B
Suponiendo que : A=1 De la ecuación (2): E=1 De las ecuaciones (1) , (3) y (4): D = 2A = 2 G=6 F = 3A = 3
De la ecuación (6): B = 2+1+3=6 De la ecuación (5): C = 4F- B C = 4(3)- 6 C= 6
Por lo que: A = 1, B = 6, C = 6, D = 2, E = 1, F = 3, G = 6 1K4Fe(CN)6 + 6H2SO4 + 6H2O → 2K2SO4 + 1FeSO4 + 3(NH4)2SO4 + 6CO
Por lo que: A = 1, B = 6, C = 6, D = 2, E = 1, F = 3, G = 6 1K4Fe(CN)6 + 6H2SO4 + 6H2O → 2K2SO4 + 1FeSO4 + 3(NH4)2SO4 + 6CO
O bien: K4Fe(CN)6 + 6H2SO4 + 6H2O → 2K2SO4 + FeSO4 + 3(NH4)2SO4 + 6CO
Por lo general, en los procesos químicos, los reactivos no se alimentan en proporción estequiométrica, ya que comúnmente alguno de ellos se alimenta en mayor cantidad a la cantidad necesaria, con el fin de asegurar que se consuma el reactivo de interés o el más costoso (reactivo limitante). El reactivo limitante es el que se alimenta en menor proporción a la requerida estequiométricamente.
Por lo general, en los procesos químicos, los reactivos no se alimentan en proporción estequiométrica, ya que comúnmente alguno de ellos se alimenta en mayor cantidad a la cantidad necesaria, con el fin de asegurar que se consuma el reactivo de interés o el más costoso (reactivo limitante). El reactivo limitante es el que se alimenta en menor proporción a la requerida estequiométricamente. El reactivo en exceso es aquel que se encuentra presente en mayor cantidad a la necesaria para que se consuma todo el reactivo limitante.
Para una reacción donde participan los reactivos A y B, el reac re actitivo vo lilimi mita tant ntee se pu pued edee de dete term rmin inar ar de la si sigu guie ient ntee ma mane nera ra::
= é = é á
á
Para una reacción donde participan los reactivos A y B, el reac re actitivo vo lilimi mita tant ntee se pu pued edee de dete term rmin inar ar de la si sigu guie ient ntee ma mane nera ra::
= é = é á
á
Si RmásicaA RmásicaB el Re Reac acttiv ivoo lilimi mittan antte es A Si RmásicaA RmásicaB el Re Reac acttiv ivoo lilimi mittan antte es B NOTA: Esto también aplica si se trabaja con flujos molares. En las relaciones mola mo lare ress se ut utililiz izar aría íann la lass mo mole less al alim imen enta tada dass y la lass es estteq equi uiom omét étri riccas de lo loss re reac acttiv ivos os
El porciento del reactivo en exceso se calcula de la siguiente manera:
− ó = ó
%
− − ó
El porciento del reactivo en exceso se calcula de la siguiente manera:
− ó = ó
%
− − ó = ó
%
Donde la cantidad teórica es la cantidad requerida para que todo el reactivo limitant limitantee aliment alimentado ado reac reaccion cionee o se cons consuma. uma.
Si pa para ra la si sigu guie ient ntee re reac acci ción ón::
O3 + NO
O2 + NO2
Se hacen reaccionar 175 Kg de O3 con 170 Kg de NO determine:
Si pa para ra la si sigu guie ient ntee re reac acci ción ón::
O3 + NO
O2 + NO2
Se hacen reaccionar 175 Kg de O3 con 170 Kg de NO determine: a) Cu Cuál ál es el re reac acttiv ivoo lilimi mittan antte b) Cuá uáll es el re reaact ctiv ivoo en ex exce cesso c) % de Reactivo en exceso
Si a un horno se alimentan 12 moles de O2 y un mol de C7H16 efectu efe ctuándo ándose se la sigu siguient ientee reac reacción ción::
C7H16 + 11 O2
7CO2 + 8H2O
Determine: a) ¿C ¿Cuá uáll es el re reac acttiv ivoo lilimi mittan antte?
Si a un horno se alimentan 12 moles de O2 y un mol de C7H16 efectu efe ctuándo ándose se la sigu siguient ientee reac reacción ción::
C7H16 + 11 O2
7CO2 + 8H2O
Determine: a) ¿C ¿Cuá uáll es el re reac acttiv ivoo lilimi mittan antte? b) ¿Cuá uáll es el re reac acttivo en ex exce ceso so?? c) % de Reactivo en exceso
El grado de conversión cuantifica la fracción o el porcentaje de la cantidad alimentada de algún reactivo, que reacciona para transformarseen productos. Se puede expresar un grado de conversión para cada uno de los reactivos que intervienen en una reacción y como éste está referido a la cantidad alimentada de cada reactivo, el valor del grado de conversión no es el mismo para todos los reactivos participantes.
El grado de conversión cuantifica la fracción o el porcentaje de la cantidad alimentada de algún reactivo, que reacciona para transformarseen productos. Se puede expresar un grado de conversión para cada uno de los reactivos que intervienen en una reacción y como éste está referido a la cantidad alimentada de cada reactivo, el valor del grado de conversión no es el mismo para todos los reactivos participantes.
Es importante enfatizar que para realizar los balances de materia con reacción química, el grado de conversión debe estar referido al reactivo limitante.
Para Pa ra el re reac acttiv ivoo i:
= Paraa el rea Par react ctivo ivo lilimit mitant ante: e:
Para Pa ra el re reac acttiv ivoo i:
= Paraa el rea Par react ctivo ivo lilimit mitant ante: e:
=
El flfluo uoru ruro ro de hi hidr dróg ógen enoo se pr prep epar araa me medi dian ante te la re reac acci ción ón::
+ → + Si en la reacción se tratan 10 Kg de CaF2 con 15 Kg de H2SO4 el cual se encuentra en exceso y se producen 4.767 kg de HF, calcule las conver con versi sion ones es de Ca CaFF2 ydelH2SO4 .
El flfluo uoru ruro ro de hi hidr dróg ógen enoo se pr prep epar araa me medi dian ante te la re reac acci ción ón::
+ → + Si en la reacción se tratan 10 Kg de CaF2 con 15 Kg de H2SO4 el cual se encuentra en exceso y se producen 4.767 kg de HF, calcule las conver con versi sion ones es de Ca CaFF2 ydelH2SO4 . PM CaF2 = 78 kg/k /kmo moll PM H2SO4 = 98 kg kg//km kmol ol PM CaSO4 = 13 1366 kg/ g/kkmo moll PM HF = 20 kg/ g/km kmool
+ → + 10 Kg de CaF 2 1
REACTOR
2
4.767 kg de HF CaSO4 CaF = ?
+ → + 10 Kg de CaF 2 1
15 Kg de H 2SO4
REACTOR
2
4.767 kg de HF CaSO4 CaF2 = ? H2SO4 = ?
Incógnitas: CaF2 = ? H2SO4 =
?
Se pueden preparar pequeñas cantidades de O2 mediante la desc scoomp mpoosició iónn de KClO3 por calentamiento, a través de la siguiente reacción:
→ + Si en una prueba de laboratorio se calientan 5 g de KClO3 y e n e l análisis de los productos se encuentran 1 8 g de O calcule el grado de
Se pueden preparar pequeñas cantidades de O2 mediante la desc scoomp mpoosició iónn de KClO3 por calentamiento, a través de la siguiente reacción:
→ + Si en una prueba de laboratorio se calientan 5 g de KClO3 y e n e l análisis de los productos se encuentran 1.8 g de O2, calcule el grado de conversión. PM KClO3 = 12 122. 2.55 g/ g/mo moll PM O2 = 32 g/mol PM KCl = 74 74..5 g/ g/m mol
→ + KCl 5 g KClO3
1
REACTOR
2
→ + KCl 5 g KClO3
1
REACTOR
2
1.8 g O2 Incógnita: KClO3= ?
La reacción entre el etileno y el bromuro de hidrógeno se efectúa en un reactor continuo. El flujo de productos se analiza y se encuentra que contiene 50% mol de C2H5Br, 33% mol de HBr. La alimentación al reactor contiene sólo etileno y bromuro de hidrógeno. Calcular:
La reacción entre el etileno y el bromuro de hidrógeno se efectúa en un reactor continuo. El flujo de productos se analiza y se encuentra que contiene 50% mol de C2H5Br, 33% mol de HBr. La alimentación al reactor contiene sólo etileno y bromuro de hidrógeno. Calcular: a) El grado de conversióndel reactivo limitante. b) El porcentaje de exceso del reactivo en exceso.
+ →
1
REACTOR
INCÓGNITAS:
2
?
?
+ →
1
REACTOR
INCÓGNITAS: a)
RL
2
?
= ?
b)%ERE = ?
En el proceso Deacon para la fabricación de cloro, reaccionan H C l y O2 para formar Cl2 y H2O. El reactor se alimenta con suficiente aire para proporcionar 25% de oxígeno en exceso. Si la conversión del HCl es de 70%, calcular las fracciones molares de los componentes del flujo a la salida.
?
En el proceso Deacon para la fabricación de cloro, reaccionan H C l y O2 para formar Cl2 y H2O. El reactor se alimenta con suficiente aire para proporcionar 25% de oxígeno en exceso. Si la conversión del HCl es de 70%, calcular las fracciones molares de los componentes del flujo a la salida. Respuestas: HCl = 0.13, Cl2 = 0.15, H2O = 0.15, O2= 0.06, N2 = 0.51
+ → RL
+
= 70%
HCl
%ERE = 25% HCl
1
REACTOR
3
O2 N2 Cl2 HO
+ → RL
+
= 70%
HCl
%ERE = 25% HCl
REACTOR
1
2
INCÓGNITA: Composición molar flujo 3 Aire
3
O2 N2 Cl2 H2O
21% n O2 79% n N2
El sulfato de aluminio (utilizado en el tratamiento de agua y en muchos procesos químicos) se puede preparar haciendo reaccionar bauxita triturada con ácido sulfúrico al 77 % en peso. El mineral de bauxita contiene 55.4% en peso de óxido de aluminio, siendo el resto impurezas. Para producir 2000 lb de sulfato de aluminio se emplean 1080 lb de bauxita y 2510 lb de solución. a) Determinar el reactivo en exceso.
El sulfato de aluminio (utilizado en el tratamiento de agua y en muchos procesos químicos) se puede preparar haciendo reaccionar bauxita triturada con ácido sulfúrico al 77 % en peso. El mineral de bauxita contiene 55.4% en peso de óxido de aluminio, siendo el resto impurezas. Para producir 2000 lb de sulfato de aluminio se emplean 1080 lb de bauxita y 2510 lb de solución. a) Determinar el reactivo en exceso. b) Calcular el % en exceso. c) Calcular el grado de conversiónde la reacción Reacción:
+ → +
+ → + mAl2(SO4)3, 3 = 2000 lb
Al2(SO4)3 55.4%w Al2O3 44.6% w Imp.
H2O
M1 = 1080 lb 1
REACTOR
3
H2SO4 Al2O3
+ → + mAl2(SO4)3, 3 = 2000 lb
Al2(SO4)3 55.4%w Al2O3
H2O
M1 = 1080 lb 1
44.6% w Imp.
REACTOR
3
H2SO4 Al2O3
2 M2 = 2510 lb
INCÓGNITAS: a) Reactivo en exceso b)%ERE c) RL
Imp.
77% w H2SO4 33% w H2O
Bajo ciertas condiciones el N2 e H2 reaccionan de acuerdo a la siguiente reacción:
+
→
Suponiendo que 280 lb de N2 y 64.5 lb de H2 reaccionan a 515 °C y 3 atmosferas de presión y que después de obtener el equilibrio existen38 lb de gas, determinar:
Bajo ciertas condiciones el N2 e H2 reaccionan de acuerdo a la siguiente reacción:
+
→
Suponiendo que 280 lb de N2 y 64.5 lb de H2 reaccionan a 515 °C y 3 atmosferas de presión y que después de obtener el equilibrio existen38 lb de gas, determinar: a) Reactivo limitante y reactivo en exceso. b) % en exceso. c)lbmoldeN 2, H2 y NH3 en el equilibrio. d) Grado de conversiónde la reacción.
+
→ T = 515 °C P = 3 atm.
mN2,1 = 280 lb mH2,1 = 64.5 lb
1
REACTOR
N2 = 38 lbmol
N2
2
H2 NH3
INCÓGNITAS:
+
→ T = 515 °C P = 3 atm.
mN2,1 = 280 lb
REACTOR
1
mH2,1 = 64.5 lb
N2 = 38 lbmol
N2
2
H2 NH3
INCÓGNITAS: a)RLyRE b)%ERE. c) nN2,2, nH2, 2 y nNH3, 2 d)
RL.
En la mayoría de los procesos químicos los reactivos interactúan entre sí de muy diversas formas, promoviendo la presencia de más de una reacción química (reacciones múltiples) para su transformación. La reacciones múltiples se clasifican en dos tipos:
En la mayoría de los procesos químicos los reactivos interactúan entre sí de muy diversas formas, promoviendo la presencia de más de una reacción química (reacciones múltiples) para su transformación. La reacciones múltiples se clasifican en dos tipos: 1. Reacciones sucesivas o reacciones en serie. 2. Reacciones simultáneas o reacciones en paralelo.
En este tipo de reacciones un determinado producto generado en una reacción, actúa como reactivo para consumirse en otra. Ejemplos:
+ → + + →
El
producto C obtenido en la primera reacción, actúa como reactivo en la segunda reacción.
En este tipo de reacciones un determinado producto generado en una reacción, actúa como reactivo para consumirse en otra. Ejemplos:
+ → + + →
El
producto C obtenido en la primera reacción, actúa como reactivo en la segunda reacción.
→
+ +
→ +
Este tipo de reacciones se presentan cuando además de generarse el producto de interés mediante alguna reacción, puede generarse algún otro producto en otra reacción con los mismos reactivos. Ejemplos:
+ → + →
Este tipo de reacciones se presentan cuando además de generarse el producto de interés mediante alguna reacción, puede generarse algún otro producto en otra reacción con los mismos reactivos. Ejemplos:
+ → + → + → + + → +
Tanto en las reacciones sucesivas (en serie) como en las
simultáneas (en paralelo), se obtiene algún
producto de interés mediante una reacción que se conoce como reacción principal y también se obtiene un producto i d
bl
di
ió
Tanto en las reacciones sucesivas (en serie) como en las
simultáneas (en paralelo), se obtiene algún
producto de interés mediante una reacción que se conoce como reacción principal y también se obtiene un producto indeseable mediante una reacción que se conoce como reacción secundaria.
Cuando se realizan balances de materia con reacciones químicas múltiples, debe de tenerse en cuenta lo siguiente: •
•
•
•
Cada reacción química tendrá su propio reactivo limitante. Cada reacción química tendrá su propio grado de conversión. Si el reactivo en exceso participa en varias reacciones, el cálculo de la cantidad teórica total será la suma de las cantidades teóricas en cada reacción. Como en las reacciones múltiples se obtienen productos deseados
Cuando se realizan balances de materia con reacciones químicas múltiples, debe de tenerse en cuenta lo siguiente: •
•
•
•
Cada reacción química tendrá su propio reactivo limitante. Cada reacción química tendrá su propio grado de conversión. Si el reactivo en exceso participa en varias reacciones, el cálculo de la cantidad teórica total será la suma de las cantidades teóricas en cada reacción. Como en las reacciones múltiples se obtienen productos deseados e indeseados surge un nuevo concepto conocido como selectividad (no siempre se utiliza en los balances) , el cual se expresa como:
=
Es posible obtener acetaldehído (CH3CHO) por la deshidrogenacióncatalítica de etanol (C2H5OH) mediante la reacción:
→ + Sin embargo también ocurre una reacción paralela que produce acetato de etilo (CH3COOC2H5) : 2
→ +
Es posible obtener acetaldehído (CH3CHO) por la deshidrogenacióncatalítica de etanol (C2H5OH) mediante la reacción:
→ + Sin embargo también ocurre una reacción paralela que produce acetato de etilo (CH3COOC2H5) : 2
→ +
Supóngase que las condiciones de operación del reactor se ajustan de modo que reacciona el 95% del etanol alimentado y que la relación molar de CH3CHO producido con respecto al C2H5OH alimentado es de 0.8, Calcule la composición del producto del reactor, suponiendoque la alimentación es etanol puro.
→ + 2
→ + Composición = ? C2H5OH = 95%.
C2H5OH
1
REACTOR
CH3CHO 2
CH3COOC2H5 H
→ + 2
→ + Composición = ? C2H5OH = 95%.
C2H5OH
1
REACTOR
= .
CH3CHO 2
CH3COOC2H5 H2 C2H5OH
,
,
El etanol se produce comercialmente por medio de la hidratación de etileno:
+ → Una parte del producto se convierte en dietil éter en la reacción secundaria : → ( ) +
El etanol se produce comercialmente por medio de la hidratación de etileno:
+ → Una parte del producto se convierte en dietil éter en la reacción secundaria : → ( ) +
La alimentación a un reactor contiene etileno y vapor de agua en una relación molar 3:2 y 10 % en mol de sustancias inertes. La conversión del etileno es de 5% y la selectividad de la producción de éter es de 18.0 mol/mol. Calcule la composición molar del flujo de salida del reactor.
+ → → ( ) +
C2H4 ,1
3 = 2 H O,
C2H4 HO
C2H4 = 5%.
REACTOR
C2H5OH 3
(C2H5)2O
+ → → ( ) +
C2H4 ,1
3 = 2 H2O,1
C2H4 H2O
C2H4 = 5%.
REACTOR
1
In 10% n =
, ,
C2H5OH 3
(C2H5)2O H2 O C2H4
=
El bióxido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza con H2SO4 diluido (12%w de ácido). La caliza usada en el proceso contiene CaCO3 y MgCO3, además de material insoluble. El residuo del proceso tiene la siguiente composición: 8.56%w de CaSO 4, 5.23%w de MgSO4, 1.05%w de H2SO4, 0.53%w de inertes, 0.125%w de CO2 y 84.51%w de H2O. Durante el proceso se calienta la masa reaccionante desprendiéndose parte del CO2 ydelH2O. Suponiendo una conversión del 100%, calcular: a) El análisis de la caliza. b) El porcentaje en exceso del reactivo usado. c) La masa y el análisis de los gases que se desprendieron de la masa
El bióxido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza con H2SO4 diluido (12%w de ácido). La caliza usada en el proceso contiene CaCO3 y MgCO3, además de material insoluble. El residuo del proceso tiene la siguiente composición: 8.56%w de CaSO 4, 5.23%w de MgSO4, 1.05%w de H2SO4, 0.53%w de inertes, 0.125%w de CO2 y 84.51%w de H2O. Durante el proceso se calienta la masa reaccionante desprendiéndose parte del CO2 ydelH2O. Suponiendo una conversión del 100%, calcular: a) El análisis de la caliza. b) El porcentaje en exceso del reactivo usado. c) La masa y el análisis de los gases que se desprendieron de la masa reaccionante por cada 1000 kg de caliza usada. Las reacciones que se llevan a cabo son:
+ → + + + → + +
+ → + + + → + + CO2 4
CaCO3 MgCO3 Inertes
1
H2O
REACTOR
3
8.56 %w CaSO4 5.23 %w MgSO4 1.05 %w H2SO4 0.53 %w Inertes 0.125 %w CO2
+ → + + + → + + CO2 4
CaCO3 MgCO3
1
H2O
REACTOR
Inertes
INCÓGNITAS: a) Composición flujo 1 Solución de b)%EH2SO4 H2SO4 c) RL
2
12% w H2SO4 88% w H2O
3
8.56 %w CaSO4 5.23 %w MgSO4 1.05 %w H2SO4 0.53 %w Inertes 0.125 %w CO2 84.51 %w H2O
En los 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 combinación de unidades, tal como se trabajó con la balances de
En los 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 combinación de unidades, tal como se trabajó con la balances de materia sin reacción química en dos o más equipos.
El análisis de un gas natural contiene 4 lbmol de CH4 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:
El análisis de un gas natural contiene 4 lbmol de CH4 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 2
3
H2O
SEPARADOR
1.2% CO2 5
4.9% O2 93.9% N2
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 =
N4 N3
X100
b) %EO2
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 CH 3OH, mientras que el resto produce CH4 y H2O según la reacción:
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 CH 3OH, 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
50%n H2
REACTOR
2
SEPARADOR
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
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
REACTOR
Purga
Recirculación
Alimentación fresca Purga
REACTOR Alimentación Combinada
Nodo de mezclado
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
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:
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
CONDENSADOR
4
NH3
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
CONDENSADOR
4
1%n I
Incógnitas: a) G N2 b) N6 /N5 c) N1 /N2
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:
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 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
1
HORNO A
CO2 5%n O2 N2 3
CO2 7%n O2 N2 4
5 %w SiO2 5
HORNO B
CO2 8.65%n O2 N2 7
9
CO2 O
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
6
CaO SiO2
b) M8 /M9
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).
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:
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.
23/01/2015 20:14
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.
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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.
Sólidos
Carbones
Alcohol
lignitos
Petróleo
Coques
Líquidos
Maderas Residuos combustibles
Productos derivados del petróleo
Gases
Productos obtenidos principalmente del carbón
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.
Sólidos
Carbones
Alcohol
lignitos
Petróleo Líquidos
Coques Maderas
Residuos combustibles
Productos obtenidos principalmente del carbón
Gases
Productos derivados del petróleo
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
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
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 .y si el combustible
(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,
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
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 C3H8 + 3.5O2
3CO2 + 4H2O 3CO + 4H2O CO2
N1 = 100 mol/h
CO HO
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
REACTOR
1
3
2 N2 = 3500 mol/h
Incógnita: %Eaire = ?
H2O C3H8 O2 N2
21% n O2 79% n 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:
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 C4H10 = 80%
CO2 CO HO
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
CO
REACTOR
1
3
C4H10 O2 N2
2
%Eaire = 30
21% n O2 79% n N2
Reacciones:
Análisis Orsat
C4H10 + 6.5O2
4CO2 + 5H2O
C4H10 + 4.5O2
4CO + 5H2O
Base húmeda
CO2
C4H10 = 80%
C4H10
H2O
1
REACTOR 2
CO 3
H2O C4H10 O2 N2
Base seca
CO2 CO 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
Base seca
CO2
CO 3
CO
H2O
C4H10
C4H10 O2 N2
O2 N2
21% n O2 79% n 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
N1 = 100 kmol/h
H2O
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
N1 = 100 kmol/h
5 %n C2H6
REACTOR
1
H2O
3
O2
3 %n C3H8
N2
2
Incógnita: N2 = ?
21% n O2
%Eaire = 25
Reacciones de combustión completa:
79% n N2
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
C2H6 + 3.5O2 C3H8 + 5O2
2CO2 + 3H2O 3CO2 + 4H2O CO2
92%n CH4 5 %n C2H6 3 %n C H
N1 = 100 kmol/h 1
REACTOR
3
H2O O2
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
REACTOR
1
3
O2
3 %n C3H8
N2
2
Incógnita: N2 = ?
H2O
21% n O2
%Eaire = 25
79% n N2
Se quema carbono puro en oxígeno, el análisis del gas de chimenea es: 75%n de CO2, 14% n de CO y 11% n de O 2. ¿Qué porcentaje de oxígeno en exceso se usó? Reacciones:
C + O2 C + 0.5 O2
CO2 CO 75%n CO2
C puro
1
REACTOR
3
14%n CO
Se quema carbono puro en oxígeno, el análisis del gas de chimenea es: 75%n de CO2, 14% n de CO y 11% n de O 2. ¿Qué porcentaje de oxígeno en exceso se usó? Reacciones:
C + O2
CO2
C + 0.5 O2
CO 75%n CO2
C puro
1
REACTOR
3
14%n CO 11%n O2
2
Incógnita: %EO2 = ?
O2
puro
Algunas reacciones químicas requieren que se les suministre energía para que éstas se lleven a cabo y otras liberan energía durante su transcurso; por lo que de esto se derivan: •
REACCIONES QUÍMICAS ENDOTÉRMICAS: Son aquellas que requieren de suministro de calor para que se lleven a cabo.
Algunas reacciones químicas requieren que se les suministre energía para que éstas se lleven a cabo y otras liberan energía durante su transcurso; por lo que de esto se derivan: •
•
REACCIONES QUÍMICAS ENDOTÉRMICAS: Son aquellas que requieren de suministro de calor para que se lleven a cabo. REACCIONES QUÍMICAS EXOTÉRMICAS: Son aquellas que liberan calor al llevarse a cabo.
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
La propiedad que cuantifica la cantidad de calor que se debe de suministrar o eliminar, al llevarse a cabo una reacción química en condiciones estándar de temperatura y presión (P = 1 atm y T=25°C), es el calor estándar de reacción, °HR. Si °HR = [ - ], la reacción es exotérmica (libera
2
La propiedad que cuantifica la cantidad de calor que se debe de suministrar o eliminar, al llevarse a cabo una reacción química en condiciones estándar de temperatura y presión (P = 1 atm y T=25°C), es el calor estándar de reacción, °HR. Si °HR = [ - ], la reacción es exotérmica (libera energía en forma de calor). Si °HR = [ + ], la reacción es endotérmica (requiere energía en forma de calor). Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
Para cuantificar el °HR, se requiere conocer las entalpías estándar de formación, °Hf , de los reactivos y productos que participan en la reacción química. El °Hf es el calor que se requiere para formar un mol de compuesto, en condiciones estándar, a partir de sus elementos constituyentes.
3
Para cuantificar el °HR, se requiere conocer las entalpías estándar de formación, °Hf , de los reactivos y productos que participan en la reacción química. El °Hf es el calor que se requiere para formar un mol de compuesto, en condiciones estándar, a partir de sus elementos constituyentes. Ejemplo:
→ → → +
+
+
Profa. Isaura García Maldonado.
.
19/02/2015 18:41
El °Hf de los elementos químicos y de las sustancias puras es igual a cero. Por lo que para los compuestos que se encuentran estables en la naturaleza, como el O2, H2, N2 y Cl2 el °Hf = 0.
4
El °Hf de los elementos químicos y de las sustancias puras es igual a cero. Por lo que para los compuestos que se encuentran estables en la naturaleza, como el O2, H2, N2 y Cl2 el °Hf = 0. Los valores del °Hf dependen del estado de agregación del compuesto y se encuentran reportados en Tablas. Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
El calor estándar de ´reacción se calcula a partir de:
=
=
∆° = ∆° − ∆° Donde:
5
El calor estándar de ´reacción se calcula a partir de:
=
=
∆° = ∆° − ∆° Donde:
son los coeficientes estequiométricos de los productos i. pi
son los coeficientes estequiométricos de los reactivos i. ri
Profa. Isaura García Maldonado.
Ejemplo:
6
1. Calcule el calor de reacción a 77 °F (25 °C) y 1 atmósfera de presión para las siguientes reacciones: a)
b)
19/02/2015 18:41
→ ( )
( )
+
( )
→ ( )
+
+
( )
( )
+
( )
Ejemplo:
1. Calcule el calor de reacción a 77 °F (25 °C) y 1 atmósfera de presión para las siguientes reacciones:
→
a) b)
( )
( )
+
( )
→ ( )
+
+
( )
( )
+
( )
2. Calcule el calor de reacción a condiciones estándar (T = 25 °C y P=101.3 kPa) para 1 mol de HCl (g) de la siguiente reacción:
→ ( )
+
( )
( )
+
( )
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
QR/S
Qp REACTIVOS
2 REACTIVOS
REACTOR
PRODUCTOS
1 INERTES
E1 T1 Reactivos a condiciones estándar
INERTES
E2 T2 aA + bB
sS + rR
Productos a condiciones estándar
7
QR/S
Qp REACTIVOS
2 REACTIVOS
INERTES
REACTOR
PRODUCTOS
1 INERTES
E1 T1 Reactivos a condiciones estándar
E2 T2 aA + bB
sS + rR
Q°R
Productos a condiciones estándar
Ecuación del balance de energía con reacción química
+
/
=
° +
+
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
∆ ∆ − ∆
Donde:
/
° =
./
°
/
O bien:
° =
°
=
F
°
=
= Flujo másico o molar de reactivo o
8
∆ ∆ − ∆
Donde:
/
° =
./
°
/
O bien:
° =
°
°
=
=
FR/P reacc/produce = Flujo másico o molar de reactivo o producto que reacciona o se produce. f i productos = Flujo másico o molar del producto i. f i reactivos = Flujo másico o molar del reactivo i. Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
− =
,
,
=
Donde:
E j = Energía de la corriente j f i, j = Flujo molar o másico del componente i en la corriente j.
9
− =
,
,
=
Donde:
E j = Energía de la corriente j f i, j = Flujo molar o másico del componente i en la corriente j. Cpi, j = Cp del componente i en la corriente j. T j = Temperatura en la corriente j. T ref = Temperatura de referencia (Tref = 25 °C). Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
10
El trióxido de azufre se produce mediante la siguiente reacción:
→ ( )
+
( )
( )
A un reactor se alimenta SO2 y aire en forma estequiométrica a 300°C, los gases que abandonan el reactor lo hacen a 350 °C, además, se encuentra que existen 180 mol/h de SO 3. Calcular el calor que debe suministrarse o retirarse para que se lleve a cabo la reacción, si la conversión es del 90%.
El trióxido de azufre se produce mediante la siguiente reacción:
→ ( )
+
( )
( )
A un reactor se alimenta SO2 y aire en forma estequiométrica a 300°C, los gases que abandonan el reactor lo hacen a 350 °C, además, se encuentra que existen 180 mol/h de SO 3. Calcular el calor que debe suministrarse o retirarse para que se lleve a cabo la reacción, si la conversión es del 90%. Datos adicionales: Compuesto
SO2(g)
SO3(g)
O2(g)
N2(g)
Cp [J/mol K]
48.601
62.419
32.264
30.222
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
QR/S = ? E1
SO2(g) Aire
1
N2(g)
T1= 300 °C
2,1
2,1
=
1 0.5
Qp = 0 E2
O2(g)
REACTOR Q°R
11
2
T2 = 350 °C
180 mol/h SO3 SO2(g) O2(g) N2(g)
QR/S = ? E1
SO2(g) Aire
E2
O2(g)
1
N2(g)
T1= 300 °C
2,1
2,1
=
Qp = 0
2
REACTOR
T2 = 350 °C
Q°R
1
180 mol/h SO3 SO2(g) O2(g) N2(g)
0.5
Ecuación del balance de energía con reacción química
+
/
=
°
Profa. Isaura García Maldonado.
+
19/02/2015 18:41
12
En un proceso de producción de ácido nítrico, primeramente se produce óxido nítrico por oxidación de amoniaco con aire mediante la siguiente reacción: () + . () → () + . ()
∆ − ° =
.
/
A un reactor catalítico se alimenta amoniaco mezclado con aire teórico necesario para que reaccione todo el amoniaco, los reactivos se alimentan a 340 °K. Calcule la temperatura a la que saldrán los gases del reactor, si en el reactor no existe intercambio de
En un proceso de producción de ácido nítrico, primeramente se produce óxido nítrico por oxidación de amoniaco con aire mediante la siguiente reacción: () + . () → () + . ()
∆ − ° =
.
/
A un reactor catalítico se alimenta amoniaco mezclado con aire teórico necesario para que reaccione todo el amoniaco, los reactivos se alimentan a 340 °K. Calcule la temperatura a la que saldrán los gases del reactor, si en el reactor no existe intercambio de calor con los alrededores y el grado de conversión es del 90%.
Datos adicionales: Compuesto
NH3(g)
O2(g)
N2(g)
NO(g)
H2O(g)
11.83
8.11
7.68
7.98
9.56
Cp [Cal/mol K]
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
QR/S = 0 NH3(g)
Qp = 0 E2
E1
O2(g)
1
N2(g)
T1= 340 K
REACTOR
2
T2 = ? Q°R
NH3 O2(g) N2(g) NO H2O
13
QR/S = 0 NH3(g)
Qp = 0 E2
E1
O2(g)
1
N2(g)
T1= 340 K
REACTOR
2
T2 = ? Q°R
NH3 O2(g) N2(g) NO H2O
Ecuación del balance de energía con reacción química
=
Profa. Isaura García Maldonado.
°
+
19/02/2015 18:41
El ácido nítrico se fabrica industrialmente por la oxidación de amoniaco con aire y la posterior oxidación del óxido formado y su absorción en agua. La primera parte del proceso aparece representada por el diagrama adjunto. Determinar la composición del gas de alimentación para que se cumplan las condiciones del proceso y la temperatura de los gases de salida, después de precalentar la alimentación.
Datos adicionales:
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El ácido nítrico se fabrica industrialmente por la oxidación de amoniaco con aire y la posterior oxidación del óxido formado y su absorción en agua. La primera parte del proceso aparece representada por el diagrama adjunto. Determinar la composición del gas de alimentación para que se cumplan las condiciones del proceso y la temperatura de los gases de salida, después de precalentar la alimentación.
Datos adicionales: Compuesto Cp [Cal/mol K]
NH3(g)
O2(g)
N2(g)
NO(g)
H2O(g)
11.83
8.11
7.68
7.98
9.56
() + . () → () + . ()
∆ − ° =
Profa. Isaura García Maldonado.
°
1
/
19/02/2015 18:41
5
NH3 O2 N2 T1 = 50 C
.
Q=0
NH3 O2
2
N2 T2 = 200 C °
Quemador
N2 O2
Vapor saturado 3
NO H2O T3= 850 C °
N2
15
Agua
5
NH3 O2 N2 T1 = 50 C
1
°
NH3 O2
Q=0 Quemador
2
N2 T2 = 200 C °
N2 O2
Vapor saturado 3
NO H2O T3= 850 C
Agua
°
N2 O2 NO H2O T4= 300 C
4
°
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
16
En el proceso de obtención de óxido de etileno, como el que se muestra en el siguiente diagrama de flujo simplificado, el reactor opera a 300 °C y presión de 1.2 atm. En la entrada al reactor se tiene 1 mol de C2H4/ mol de O2. Si la capacidad de producción es de 5 ton de C2H4O/día y las reacciones que se efectúan simultáneamente son las siguientes:
En el proceso de obtención de óxido de etileno, como el que se muestra en el siguiente diagrama de flujo simplificado, el reactor opera a 300 °C y presión de 1.2 atm. En la entrada al reactor se tiene 1 mol de C2H4/ mol de O2. Si la capacidad de producción es de 5 ton de C2H4O/día y las reacciones que se efectúan simultáneamente son las siguientes:
= + → = % ( )
( )
( )
→ =
( )
+
Profa. Isaura García Maldonado.
( )
( )
+
( )
= %
19/02/2015 18:41
17
Calcular: a) La composición a la salida de la segunda columna b) La masa de agua necesaria para mantener la temperatura de 300 °C en el reactor, si entra a una temperatura de 15°C y sale a 35 °C. NOTA: Las conversiones son con respecto al total de etileno alimentado al reactor.
Calcular: a) La composición a la salida de la segunda columna b) La masa de agua necesaria para mantener la temperatura de 300 °C en el reactor, si entra a una temperatura de 15°C y sale a 35 °C. NOTA: Las conversiones son con respecto al total de etileno alimentado al reactor.
Datos adicionales: Compuesto
CH2=CH2(g)
O2(g)
C2H4O(g)
CO2(g)
H2O(g)
(Kcal/mol)
10.6
0
-14.8
-94.1
-58.5
Cpa 300 °C [Cal/mol K]
17.1
7.67
20.62
11.31
8.68
Δhf a 300 °C
Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
H2 O T10= 35 C T9= 15 C °
O2 T2 = 20 C °
8
10
1 C2H4
4
°
6
9
2
REACTOR
18
3
O2 CO2 H2O
H2 O T10= 35 C T9= 15 C °
O2 T2 = 20 C °
8
°
10
6
O2 CO2 H2O
9
2 1 C2H4 T1 = 20 C
4
REACTOR
3
°
5
7 M5= 5 ton/día C 2 H4 O Profa. Isaura García Maldonado.
19/02/2015 18:41
I NSTITUT O POLI TÉCNICO NACIONAL ESCUEL A SUPERI OR DE I NGENI ERÍA QUÍM ICA E I NDUSTRIAS EXTRACTI VAS
DEPARTAMENTO DE I NGENI ERÍA QUÍMI CA I NDUSTRI AL Primera evaluación escrita Academia de Operaciones Unitarias Balance de Materia y Energía Alumno: Firma:
jueves, 18 de septiembre de 2014
Grupo:
L ea todo el texto antes de resol verl o. No cambi e las bases de cálcul o dadas. Tema 1. En la producción de aceite de frijol se alimentan a un extractor frijoles triturados (1) que contienen 10% en masa de aceite y 90% de sólidos y una corriente combinada (4) de hexano líquido fresco (2) y hexano líquido recirculado (3). La relación de las corrientes que alimentan el extractor (M4y M1) es de 3 a l. El hexano extrae todo el aceite de los frijoles. El flujo de salida del extractor (5) pasa a un filtro, de donde se obtiene una torta (6) y una solución hexano-aceite (7). La torta contiene todos los sólidos humedecidos con una disolución aceite-hexano, en donde los sólidos representan el 75% masa. Esta torta se desecha y la solución se alimenta a un evaporador a vacío en donde se evapora todo el hexano para su recirculación (pasando previamente por un condensador ) y se recupera el aceite (8). Considere que la relación de aceite a hexano en la corriente 5 es la misma que en la corriente 6. a) Elabore el diagrama de flujo, etiquetando todas las corrientes con los compuestos y relaciones proporcionadas en el texto. b) Sin efectuar los balances de materia, calcule la composición completa de las corrientes (5) y (6).
19
I NSTITUT O POLI TÉCNICO NACIONAL ESCUEL A SUPERI OR DE I NGENI ERÍA QUÍM ICA E I NDUSTRIAS EXTRACTI VAS
DEPARTAMENTO DE I NGENI ERÍA QUÍMI CA I NDUSTRI AL Primera evaluación escrita Academia de Operaciones Unitarias Balance de Materia y Energía Alumno: Firma:
jueves, 18 de septiembre de 2014
Grupo:
L ea todo el texto antes de resol verl o. No cambi e las bases de cálcul o dadas. Tema 1. En la producción de aceite de frijol se alimentan a un extractor frijoles triturados (1) que contienen 10% en masa de aceite y 90% de sólidos y una corriente combinada (4) de hexano líquido fresco (2) y hexano líquido recirculado (3). La relación de las corrientes que alimentan el extractor (M4y M1) es de 3 a l. El hexano extrae todo el aceite de los frijoles. El flujo de salida del extractor (5) pasa a un filtro, de donde se obtiene una torta (6) y una solución hexano-aceite (7). La torta contiene todos los sólidos humedecidos con una disolución aceite-hexano, en donde los sólidos representan el 75% masa. Esta torta se desecha y la solución se alimenta a un evaporador a vacío en donde se evapora todo el hexano para su recirculación (pasando previamente por un condensador ) y se recupera el aceite (8). Considere que la relación de aceite a hexano en la corriente 5 es la misma que en la corriente 6. a) Elabore el diagrama de flujo, etiquetando todas las corrientes con los compuestos y relaciones proporcionadas en el texto. b) Sin efectuar los balances de materia, calcule la composición completa de las corrientes (5) y (6). Valor :1.5 puntos
Tema 2 Desea recuperar un componente B de una mezcla ternaria en una unidad de destilación que consiste en dos columnas de destilación. La corriente de alimentación a la unidad contiene 45% mol de A, 35. 5% mol de B y el resto de componente C . Se ha encontrado que en la primera columna se logra separar como destilado el 42.152% de la alimentación a la unidad. Los fondos de la primera columna se alimentan a la segunda columna, donde se recupera como destilo el 65.68% de la alimentación a dicha columna.
destilado
destilado
2
N1=100 mol/h 1 A
45 %n
B
35.5 %n
e I d n a ó C-II n i c a m l u i s l o e C D
4 A
A
B
B
C
C
e I d I n a ó n i c m a u l i l o s e C D
A B
C 19.5 %n
C
3
5
En el destilado de la primera columna se ha determinado que tiene 7.453% mol de B ; la corriente de fondos de la segunda columna contiene 73.22% mol de C y una relación de 1.433 mol de B por mol de A. El destilado de la segunda columna contiene 6.568% mol de C . Con la información anterior, calcule: a) El flujo molar de las corrientes que abandonan la unidad destilación. b) La composición de fondos de la primera columna en fracción mol. c) El porcentaje de recuperación de B en la corriente de destilado de la segunda columna. Valor:3.0 puntos
Tema 3.Para producir hidróxido de potasio en cristales, se alimentan 7800 kg/h de una solución acuosa diluida de KOH al 20% masa a un evaporador de doble efecto. El flujo de vapor de agua que abandona el primer efecto es 1.5 veces el flujo de vapor que sale del segundo evaporador. La solución concentrada que sale del segundo evaporador contiene 32.49% mol de KOH y 67.51% mol de H2O y alimenta a un cristalizador-filtro, donde se separa una solución de KOH, la cual se recircula y se mezcla con la alimentación fresca. La corriente de recirculación contiene 180 kg de KOH/h, los cuales representan el 30% masa. Calcular el flujo másico y la composición de todas las corrientes.
Valor:3.5 puntos
Pr obl emas pr opuestos
1. Suponiendo que para las condiciones dadas, la capacidad calorífica del agua líquida es constante e igual a 1 Btu/lb °F, calcule la entalpía específica del agua a 150 °F y 1 atmósfera con respecto a: a) 32 °F y 1 atm y b) 100 °F y 1 atm. 2. ¿Cuál es el cambio de entalpía que se requiere para transformar 3 libras de agua líquida a 32 °F en vapor de agua sobrecalentado a 1 atmósfera y 300 °F? 3. Calcule la calidad de 15 lb de vapor de agua a 120 psia cuando la entalpía de vapor se ha determinado en 12, 000 Btu (respecto al agua líquida a 3 °F la cual tiene un valor de 0 Btu). 4. El valor de calor latente de vaporización del agua es 539.4 cal/g en el punto de ebullición normal. a) Muchas bacterias pueden sobrevivir a 100ºC formando esporas. La mayor parte de las bacterias mueren a 120ºC. Por lo tanto, en las autoclaves empleadas para esterilizar instrumentos médicos y de laboratorio, se aumenta la presión para alcanzar el punto de ebullición del agua a 120ºC ¿A qué presión hierve el agua a 120ºC? b) ¿Cuál es el punto de ebullición del agua en lo alto de una montaña donde la presión atmosférica es de 446 torr. 5. Calcule la entalpía del vapor de cinc a 1 000 °C y presión de 1 atmósfera, relativa al sólido a 0 °C, si se dispone de la siguiente información Compuesto Cinc
Tfusión, °C 419
Tebullición, ºC 907
Cp(s), cal/g °C 0.105
Cp(l), cal/g °C 0.109
Cp (v), cal/g °C 0.076
Compuesto f, cal/g v, cal/g Cinc 25 412 NOTA: Temperatura de referencia 0 °C.
6. Por una tubería de acero circula vapor de agua saturado y seco a una presión absoluta de 5 bar. Este vapor se hace pasar por un dispositivo aislado hasta reducir su presión a 1.1 bar absolutos, con lo que ocurre un sobrecalentamiento del mismo. Determine la temperatura del vapor sobrecalentado. NOTA: Temperatura de referencia 0 °C.
Cp(l)
Presión (bar) Temperatura (°C) 1.1 102.3 5.0 151.8 = 4.184 kJ/kg K ; CP(V) = 1.883 kJ/kg K
vaporización
( kJ/kg) 2250.81 2107.53
7. Se desean obtener 50 kg de agua a 38°C. Para ello se tiene un recipiente con agua a 90°C y otro con agua a 14°C. Determine las canti dades necesarias de agua caliente y fría.
8. Un flujo de aire de 1 kg/s a 24°C debe calentarse en un intercambiador de calor de coraza y haz de tubos, empleando vapor saturado a 1.4 kg/cm 2. El caudal de vapor es de 0.01 kg/s y el condensado sale a 88 °C a través de una trampa de vapor. Si el calor específico medio del aire es de 0.24 kcal/kg °C, ¿cuál es la temperatura de salida del aire? Despreciar las pérdidas de calor. 9. Fluye petróleo crudo a razón de 2 000 lb/h a través del tubo interior de un cambiador de calor de tubos concéntricos y se calienta de 90 a 200 °F. El calor es proporcionado por queroseno que entra al equipo a 450 °F. Si la temperatura de salida del queroseno es de 220 °F, determinar el flujo requerido de éste. Datos adicionales: C P petróleo = 0.56 Btu/(lb)(°F) ; C P queroseno = 0.60 Btu/(lb)(°F) 10. Un fluido líquido (Cp=1.9 cal/g °C)) debe enfriarse desde 328 ºC hasta 30 ºC, para ello se tiene planeado emplear un sistema de dos intercambiadores de calor, tal como se muestra en la figura
Agua de enfriamiento
32 º C
2
Fluido caliente
Agua helada
1
10 º C
5
4
7
30 º C
100 º C
3
6
15 º C
46 º C
Determine la proporción de la corriente de agua de enfriamiento a agua helada.
11. Un proceso de evaporación se utiliza para obtener una solución concentrada de sulfato de potasio a partir de una disolución acuosa de esta sal. La alimentación al evaporador contiene 18.6%w de K 2SO4 y se encuentra a 45 °C. La solución que abandona el evaporador sale a 90 °C, consiste en una solución en la que por cada kg de K 2SO4 hay 1.5 kg de agua. El evaporador tiene una capacidad máxima de evaporación de 185 kg de agua/min. Calcule el flujo másico necesario del medio de calentamiento para alcanzar la capacidad máxima evaporativa, considerando: a) que no existen perdidas de calor, b) que se pierde 7.5% del calor suministrado en el evaporador, además considere que las disoluciones de K 2SO4 tienen las mismas propiedades físicas que las del agua pura. M 2 =185 kg/mi n
2 1
Evaporador P=530 mm d e Hg
4 Vapor de H 2 O T ° C 4=100 P=760 mm de H g
3
5 H 2 O T ° C 4=95
12. Los directivos de un ingenio desean optimizar el proceso de refinación de azúcar. Para este propósito, se dispone de un evaporador de simple efecto a nivel experimental, el cual trabaja a una presión de 0.35 bar; se pretende concentrar jugo de caña constituido básicamente por 20% masa de azúcar y 80% masa de agua hasta una solución que debe contener 0.5385 kg de azúcar/kg de H 2O. Para minimizar el consumo de energía, se propone precalentar el jugo de caña en dos pasos: primeramente se usa la corriente ( 3) de producto concentrado y posteriormente la corriente ( 6) de evaporado como se indica en la figura. Con la información proporcionada, determine, a) La cantidad de calor que debe suministrar el vapor de calentamiento, si en el evaporador se pierde 5% del calor suministrado, además suponga que los intercambiadores de calor (IC-1 y IC-2) operan adiabáticamente. b) ¿Cuál es el costo de producción por kilogramo de producto concentrado, si el costo del vapor de calentamiento es de $ 0.35/kJ? Datos complementarios Compuesto Presión, bar H2O 0.35 Azúcar -
Tebullisión, ºC 72.87 -
v,
kJ/kg
2327.2 -
Cpazúcar , kJ/kg K 1.259
CpH2Oliq, kJ/kg K 4.184 -
CpH2Ovap, kJ/kg K 1.966 -
6
Vapor de calentamiento
Evaporador P=0.35bar
4
3
IC-2
65 ºC H2O 6
2
Producto concentrado 5
47 ºC 0.5385 kg azúcar kg H2O
IC-1
1
25 ºC 20%w azúcar 80%w H2O
13. Se utiliza un evaporador de doble efecto para producir agua pura a partir de agua de mar que contiene 0.01117 moles de sal/mol de agua. El agua de mar entra al primer evaporador a 300 K a 5 000 kg/h, y el vapor saturado a una presión de 4 bar alimenta a un conjunto de tubos en el primer evaporador. El vapor se condensa a 4 bar, y el condensado se extrae a la temperatura de saturación que corresponde a esta presión. El calor liberado por el vapor que se condensa en los tubos ocasiona que el agua de la salmuera se evapore a una presión de 0.60 bar, constante en el evaporador. La salmuera a la salida del primer efecto tiene 5.5%w de sal. El vapor generado en el primer evaporador alimenta a un conjunto de tubos en el segundo evaporador. El condensado de los tubos y el vapor generado en el segundo evaporador a una presión de 0.20 bar constituyen el agua pura que se produce durante el proceso. Si, las disoluciones de salmuera en ambos evaporadores tienen las propiedades físicas del agua pura, y que éstos operan adiabáticamente. Calcule, la temperatura y la entalpía específica de cada flujo. La velocidad a la que debe entrar el vapor al primer evaporador, la velocidad de producción de agua pura y la concentración de sal de la disolución final de salmuera. Nota: considere a la sal como NaCl.
14. Del problema anterior, supongamos que se utiliza un solo evaporador, y se trabaja a P = 0.20 bar. Calcule el flujo de alimentación de vapor saturado a P = 4 bar que se requiere para alcanzar la misma de producción de agua pura. ¿Qué otros datos necesitarías conocer para determinar cuál proceso es más económico? 15. Se desea concentrar una solución acuosa de azúcar del 10% al 50% en masa en un sistema de evaporación de doble efecto. Para lo cual, se emplea como medio de calentamiento al primer evaporador vapor de agua sobre calentado a 160 °C, La solución que abandona el primer efecto contiene 17. 428% masa de azúcar; con la información mostrada en el diagrama, calcule la energía pérdida en cada efecto.
5
Vapor de agua M2=1650 kg/h P=211.4 kPa T=160 °C
Evaporado T5= 84 ºC
Evaporado 8
55.57 kPa
19.92 kPa
2
agua T=120 °C
6
3
Alimentación 3,000 kg/h 10 %w azúcar T1= 20 ºC
5
1
Vapor de agua Calidad = 10%
6
50 %w azúcar T= 60 ºC
Considere que la capacidad calorífica de las soluciones, pueden estimarse mediante C P 4.184 2.35xw ; C P kJ x = fracción masa de azúcar kg °C ; w
16. En la figura se muestra un sistema de evaporación para concentrar una solución de sosa del 4.762% mol al 25% en masa. La alimentación fresca (M 1 ) se mezcla con una corriente de recirculación (M 2 ) para alimentarse a un cambiador de calor donde eleva su temperatura de 60 a 62°C (sin que ocurra cambio de fase). Esta corriente se alimenta a un separador donde se reduce la presión para provocar una vaporización instantánea de agua (M 5 ) y una corriente líquida de solución concentrada, de la cual una parte se recircula (M 2 ) y otra sale como producto (M 7 ). Calcular la cant idad de solución al 25% de NaOH que se obtiene como producto, la cantidad de masa recirculada y el calor suministrado (Qs) en el cambiador de calor (suponiendo que las pérdidas de calor Q p representan el 20% de Qs).
Datos adicionales: Temperatura de referencia = 0°C, Vagua a 60°C = 563 kcal/kg. Las entalpías de las corrientes 2, 3, 4 y 7 se calculan con la ecuación: h = 0.9T -3.44 La entalpía de la corriente 1 se calcula con la ecuación: h = 0.8798T + 0.6253 En las ecuaciones anteriores T está en °C y h en kcal/kg.
17. Se utiliza vapor de agua a 60 bar como medio de transferencia de calor entre una corriente vapor de benceno a 500 °C y una corriente fría de gas metano a 100 °C mediante el sistema ilustrado en la figura. El metano va a calentarse hasta 260 °C y el benceno va a enfriarse hasta 300 °C. Si el condensado que sale del intercambiador 1 es agua saturada a 60 bar, el vapor que sale del intercambiador 2 tiene una calidad de 10% a 60 bar, y se alimenta benceno a razón de 200 mol/h. Calcule el flujo del metano que puede procesarse y los flujos de circulación del agua. Supóngase que todas las unidades operan en forma adiabática y que todos los flujos de agua están a 60 bar. Datos adicionales: C P benceno = 0.1685 kJ/mol K ; C P metano = 0.0443 kJ /mol
18. Se va a enfriar hasta 200 °C una corriente de proceso que contiene vapor de benceno a 500 °C y 2 bar, produciendo al mismo tiempo vapor de 50 bar, mediante el sistema de dos intercambiadores que se ilustra en la siguiente figura, el agua de alimentación a calderas, que esta inicialmente a 75 °C y 50 bar primero se calienta hasta la saturación en el intercambiador 2. El agua saturada se evapora parcialmente en el intercambiador 1. La mezcla de vapor-líquido del intercambiador 1 se mezcla con el agua saturada del intercambiador 2 y se separan las fases en el tanque de separación. Si se ajusta el flujo de agua a través del intercambiador 1, de manera que sea 12 veces mayor al del intercambiador 2, calcule la calidad del vapor en el intercambiador 1 y la masa de vapor producida por mol de la corriente de proceso.
19. Se desea calentar un producto X de 30 °C a 80 °C mediante el sistema que se muestra en el diagrama. Para una presión total de operación de 1 atmósfera en el proceso, determine: a) El flujo del producto X, el flujo de agua recirculada,b) las entalpías de las corrientes 1, 2, 3, 4, 5, y 8.
Datos complementarios: Compuesto
PM
Tebullición, ºC
CP (l), J/mol °C
Producto X Agua
103 18
103 100
451 75
CP (v) ), J/mol °C 243 35
V, J/mol
32 000 41 000
20. En una columna de destilación se desea separar una mezcla formada por benceno y tolueno, la alimentación contiene 70 %n de benceno y entra a la columna a 150 °F, la corriente de vapor que sale por el domo lo hace a 184.9 °F con un 90 %n de benceno, mientras el producto de fondos lo hace a 230 °F y está formado por 98.5% mol de tolueno. Calcule el calor que debe suministrar el medio de calentamiento si la columna opera a 1 atm y no existen pérdidas de calor. Datos complementarios: Compuesto Tebullición, ºF Benceno Tolueno
176.18 231.17
CP, Btu/lbmol °F
v , Btu/lbmol 13423.38 15793.68
36.66 43.24
21. Se desean rectificar 5000 lb/h de una mezcla benceno-tolueno conteniendo 54% mol de benceno a 80 °F. El proceso se efectuará a la presión de 1 atmósfera para producir un destilado (a 180.5 °F) conteniendo de benceno y un residuo (a 229.6 °F) conteniendo 1.5% en mol de benceno. La alimentación 94.967% masa se precalienta en un intercambiador de calor utilizando el residuo, el cual saldrá a 150 °F. El destilado se condensará totalmente regresando el reflujo a la columna como líquido saturado. Sí para el proceso se recirculan 1.215 moles por mol de producto destilado. Calcule: a) Las cantidades de producto destilado y residuo. b) Entalpías de la alimentación y productos. c) Temperatura de la alimentación a la entrada de la columna. d) Si se introduce agua al condensador a una temperatura de 59 °F y sale a 86 °F, determínese la masa de agua necesaria para efectuar la condensación total del vapor destilado.
Datos complementarios: Compuesto PM Benceno Tolueno
78 92
Tebullición, ºC
Cp, Btu/lb °F
80.1 110.6
0.47 0.47
v , Btu/lb 172.1 161.13
22. Una mezcla que contiene 46% en masa de acetona (CH 3COCH 3 ), 27%w de ácido acético (CH 3COOH), 27%w de anhídrido acético (CH 3CO)2O se destila a la P = 1 atm. La alimentación entra a una columna de destilación a 348 K con un flujo másico de 15 000 kg/h. El destilado (la cabeza de la destilación) es esencialmente acetona pura, y el producto de la parte inferior contiene 1% de la acetona presente en la alimentación. El vapor de salida de la cabeza de la columna entra a un condensador a 329 K y sale como líquido a 303 K. La mitad del condensado se extrae en la cabeza de la destilación, y el resto se pone en reflujo de la columna. El líquido a la salida de la parte inferior de la columna va a un hervidor, donde es parcialmente evaporado. El vapor vuelve a la columna a una temperatura de 398 K, y el líquido residual, también a 398 K, constituye el producto inferior. a) Calcule las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos de productos. b) Calcule el calor retirado en el condensador Q c (kJ/h). c) Utilice un balance de energía global para determinar el calor suministrado Q c(kJ/h) por el hervidor. d) Si el calor que suministrado en el hervidor lo proporciona la condensación de vapor saturado a 10 bar (manométrica), ¿a qué velocidad debe suministrarse el vapor?
Datos Termodinámicos Compuesto Acetona (A) Ácido acético (B) Anhídrido acético (C) H2O @ 11.013 bar
PM
Tebullición, K
CP (l), kJ/kg K
18
329.0 391.1 413.2 457.25
2.30 2.18 2.26 4.184
v , kJ/kg 520.6 406.5 1998.5
23. Calcule el calor de reacción a 77 °F (25 °C) y una atmósfera para las siguientes reacciones: a) CH4 (g) C (s) + 2H2 (g) b) 2CaO (s) + 2MgO (s) + 4H2O (1) 2Ca(OH)2 (s) + 2Mg(OH)2 (s) 24. Las reacciones de combustión son de gran interés en la industria química, debido a la cantidad de calor que generan. Calcule el calor estándar de reacción para la combustión completa del propano. C3H8 (g) + 5O2 (g)
3CO2 (g) + 4H2O (g)
25. Calcule el calor estándar de reacción para la de oxidación de amoniaco. 4NH3 (g) +
5 O2 (g)
4 NO (g) +
6 H2O (g)
26. Calcule el calor de reacción a condiciones estándar (T = 2 °C y P = 101.3kPa) para 1 mol de HCl (g) de la siguiente reacción: 4HCl(g) + O2 (g) 2 H2O(g) + 2Cl2(g) 27. Calcular el calor que debe suministrarse o eliminarse si los materiales entran y salen a 500 °C y si la conversión es del 100%. CO2 (g) + 4H2 (g) CH4 (g) + 2 H2O (g) Datos adicionales: Compuesto CP, (cal/mol K)
CO2 11.97
H2 7.12
CH4(g) 10.46
H2O(g) 8.32
28. El trióxido de azufre se puede producirse mediante la reacción: SO2 (g) + ½O2 (g) SO3 (g) A un reactor se alimenta SO 2 y aire en forma estequiométrica a 300°C, los gases que abandonan el reactor lo hacen a 350°C, además, se encuentra que existen 180 mol/h de SO 3. Calcular el calor que debe suministrarse o retirarse para que se lleve a cabo la reacción, si la conversión es del 90%. Datos adicionales: Compuesto CP (J/mol K)
SO2(g) 48.601
SO3(g) 62.419
O2(g) 32.264
N2(g) 30.222
29. Se quema CO a 200 °C con aire seco a 500 °C y con un 90% en exceso del teórico requerido. Los productos de combustión salen del reactor a 1,200 °C. Calcular el calor que desarrolla esta reacción suponiendo combustión completa. Datos adicionales: Compuesto CP (cal/mol °C)
CO(g) 7.017
CO2(g) 11.92
O2(g) 7.941
N2(g) 7.507
La reacción que se lleva a cabo es: CO (g) + ½ O2 (g)
CO2(g)
hºR =
– 67.636 kcal/mol
30. En un proceso de producción de ácido nítrico, primeramente se produce óxido nítrico por oxidación de amoniaco con aire mediante la reacción:
NH3(g) +
1.25 O 2(g)
NO(g)
+
1.5 H 2O(g)
hºR =
– 54,055.6 cal/mol
A un reactor catalítico se alimenta amoníaco mezclado con aire teórico necesario para que reaccione todo el amoníaco, los reactivos se alimentan a 340 K, calcule la temperatura a la que saldrán los gases del reactor, si en el reactor no existe intercambio de calor con los alrededores y el grado de conversión del amoníaco es del 90%.
Datos adicionales: Compuesto CP cal/(mol K)
NH3(g)
O2(g)
N2(g)
NO(g)
H2O(g)
11.83
8.11
7.68
7.98
9.56
31. Se produce hidrógeno mediante la reacción de propano con vapor sobre un catalizador de níquel en un reactor de tubos y coraza. C3H8(g)
+
3 H2O(g)
3 CO(g)
+
7 H2(g)
Un gas que contiene propano y vapor de agua en proporción estequiométrica se alimenta al reactor a 25 °C mientras que el producto gaseoso sale a 800°C. Se agrega calor a la mezcla de reacción mediante el paso de un gas caliente por fuera de los tubos que contienen el catalizador; este gas penetra a unidad a 2,000 °C y la abandona a 1,000 °C. El gas de calentamiento se alimenta con un flujo de 298.5 litros normales/mol de C 3H8 alimentado. Suponiendo que las capacidades caloríficas de todas las especies reactivas y productos son constantes e iguales a 7.17 cal/mol °C, y la del gas de calentamiento es de 9.56 cal/mol °C. Calcule la composición molar del producto gaseoso, así como la conversión.
32. El ácido nítrico se fabrica industrialmente por la oxidación del amoníaco con aire, y la posterior oxidación del óxido formado y su absorción en agua. La primera parte de proceso aparece representada por el diagrama adjunto. Determinar la composición del gas de alimentación para que se cumplan las condiciones del proceso y la temperatura de l os gases de salida, después de precalentar la ali mentación.
Datos adicionales: Compuesto
NH3(g)
O2(g)
N2(g)
NO(g)
H2O(g)
CP cal/(mol K)
11.83
8.11
7.68
7.98
9.56
NH3(g) +
1.25 O2(g)
NO(g)
+
1.5 H2O(g)
hºR =
– 54,055.6 cal/mol
33. Una piedra caliza formada de carbonato de calcio (CaCO 3 ) puro, se calcina completamente para producir CaO y CO2 en un horno vertical continuo, mediante la combustión completa de un gas pobre en contacto directo con la carga (CaCO 3 ). Los productos gaseosos de la combustión y calcinación suben verticalmente atravesando la carga que desciende y salen a 200 °C. La caliza se carga a 25 °C y, la cal (CaO) producida se recoge a 900 °C. El gas pobre (presenta el siguiente análisis en volumen: CO 2 = 9.21%; O2 = 1.62%; CO = 13.6%; N 2 = 75.57%) se alimenta al horno a 600 °C y se quema con la cantidad de aire seco teóricamente necesario a 25 °C. Calcúlese el número de metros cúbicos (a 0 °C y 760 mmHg) de gas pobre que se necesitan para calcinar 100 kg de caliza, si se asume que la calcinación se llevó a cabo con 100% de conversión, así mismo, considere que no existe intercambio de calor con los alrededores y se puede despreciar el contenido de humedad del gas pobre. Datos adicionales: Compuesto
CaCO3(s)
CaO(s)
CO(g)
CO2(g)
O2(g)
N2(g)
20
13.44
7.58
11.9
6.2
7.4
CP cal/(mol oC)
CaCO3 25°C 100 kg
1 200°C CO2 5 N2
Gas pobre
CO2 9.21%n 600°C O2 1.62%n 2 CO 13.6%n N2 75.57%n
HORNO 4 CaO
34. En el proceso de obtención de óxido de etileno, como el que se muestra en el siguiente diagrama de flujo simplificado, el reactor opera a 300°C y presión de 1. 2 atmósferas. En la entrada al reactor se tiene 1 mol de C de O 2H /mol 4 2. Si la capacidad de producción es de 5 ton de C 2 H 4O/día y, las reacciones que se efectúan simultáneamente son: CH 2=CH 2 (g) + ½ O2 (g) CH 2=CH 2 (g) + 3 O2 (g)
C 2 H 4O (g) 2 CO2 (g) + 2 H 2O (g)
= 35% = 15%
Calcular: a) la composición a la salida de la segunda columna, b) la masa de agua necesaria para mantener la temperatura de 300°C en el reactor, si entra a una temperatura de 15°C y sale a 35°C. Nota: Las conversiones son con respecto al total del etileno alimentado al reactor.
Datos Adicionales. Compuesto
hf a 30 0C (kcal/mol) CP a 300 °C cal/(mol K)
CH2=CH2(g) 10.6
O2(g) 0
C2H4O(g) – 14.8
CO2(g) – 94.1
H2O(g) – 58.5
17.1
7.67
20.62
11.31
8.68
31. En una modificación del proceso producción de amoniaco, se utilizan tres etapas de reacción adiabáticas mediante la reacción: N2(g) + H2(g) NH3(g) Las conversiones del N 2 en los dos primeros reactores se mantienen en 5% y las temperaturas de entrada a los reactores se mantienen a 425 °C; en el segundo y tercer reactor, esto se logra mezclando unas corrientes adicionales más frías (2 y 7) con las corrientes provenientes de los reactores 1 y 2. La descarga del tercer reactor se encuentra a 509 °C y la corriente de producto líquido (NH 3) se refrigera a - 40 °C. Suponga que: 1) el N 2 y el H2 están en proporción estequiométrica en la corriente 4, 2) la composición molar de las corrientes de entrada y salida de unidad de separación 1 es la misma, 3) que la composición de la corriente 9 es 24 %n de N 2, 72 %n de H2 y 4 %n de NH 3 y 4) que se alimentan 0.2 moles de la corriente 7 por mol de la corriente 8. Considere que los mezclados se llevan a cabo de forma adiabática.
Con la información anterior, determine: la conversión del N 2 en el reactor 3, la cantidad de NH 3 obtenido como producto, el calor retirado en la US1, la composición (porcentaje mol) y temperatura del efluente del reactor 1. Datos complementarios: CP N2(g) = 7.5 cal/mol K, C P NH3(g) = 14 cal/mol K, C P H2(g) = 7 cal/mol K
A PÉND I CE A
En este apéndice se presenta algunos conceptos y métodos matemáticos utilizados con más frecuencia en cálculos en Ingeniería Química
INTERPOLACIÓN. Muchas veces en ingeniería química se requiere de interpolar valores de una serie de datos, un método muy utilizado es la interpolación de primer orden. Dicho método se basa en trazar una línea recta entre los puntos en los cuales se requiere hacer la interpolación como se muestra en la siguiente figura. Q x 1 , y1
y 1
T x, y
y
y 0
U
R
P x 0 , y0
x 0
x
x 1
Sea x0 , x1 y y0 , y1 datos conocidos y y el valor que se quiere conocer en función de x , además, nótese que se puede construir los triángulos PRQ y PUT, si las pendientes de los triángulos PRQ y PUT son iguales, se tiene: y1 y0 x1 x0
y y0 x x0
Reordenando la ecuación anterior se tiene:
y1 y0 x x0 x x 1 0
y y0
Despejando y , se obtiene:
y1 y0 ( x x0 ) x1 x0
y y0
La ecuación anterior es la forma más simple y se le conoce con de interpolación de primer grado. Ejemplo
Se requiere conocer el calor latente de vaporización del agua a la presión de 0.45 bar si se dispone de la siguiente información.
P, bar 0.24 0.26 0.50 0.6
Teb, ºC 64.1 65.9 81.3 86.0 P, bar 0.26 0.35 0.50
x0
x x1
v, kJ/kg
2348.6 2344.2 2305.4 2293.6 v , kJ/kg
2344.2
y0 y
2305.4
y1
Aplicado la ecuación de interpolación de primer grado, tenemos: 2305.4 2344.2 0.35 0.26 0.50 0.26
y 2344.2
y 2329.65 kJ kg
Nota: el valor real de v 2327.2 kJ kg Por lo tanto el de error relativo es de 0.105%.
Tabla A1. Factores de conversión Cantidad Conversión Longitud
1 m = 100 cm =3.2808 ft = 39.3701 in
Masa
1 kg = 1000 g = 2.20462 lbmasa
Presión
1 bar = 10 5 Pa = 0.986923 atm =1.415x10 -3 psia = 760 mmHg
Volumen
1 m3 =106 cm3 = 35.3147 ft 3 = 264.172 gal
Energía
1 J = 0.239 cal = 9.47831 x10-4 Btu
Valores de la constante de los gases R 8.314
R 82.06
J mol K
1.987
cm 3 atm mol K
R 0.08206
L atm mol K
cal mol K
10.73
21.9
1.986
ft 3 psia lbmol R
ft 3 in Hg lbmol R
Btu lbmol R
8.314
m 3 Pa mol K
Tabla A2. Vapor saturado, unidades SI T, P, HLS, v, T, °C K kPa kJ/kg kJ/kg 0 273.15 0.611 0.0 2501.7 1 274.15 0.657 4.2 2499.2 2 275.15 0.705 8.4 2496.8 3 276.15 0.757 12.6 2494.5 4 277.15 0.813 16.8 2492.1 5 278.15 0.872 21.0 2489.7 6 279.15 0.935 25.2 2487.4 7 280.15 1.001 29.4 2485.0 8 281.15 1.072 33.6 2482.6 9 282.15 1.147 37.8 2480.3 10 283.15 1.227 42.0 2477.9 11 284.15 1.312 46.2 2475.5 12 285.15 1.401 50.4 2473.2 13 286.15 1.497 54.6 2470.8 14 287.15 1.597 58.8 2468.5 15 288.15 1.704 62.9 2466.1 16 289.15 1.817 67.1 2463.8 17 290.15 1.936 71.3 2461.4 18 291.15 2.062 75.5 2459.0 19 292.15 2.196 79.7 2456.7 20 293.15 2.337 83.9 2454.3 22 295.15 2.642 92.2 2449.6 24 297.15 2.982 100.6 2444.9 26 299.15 3.360 108.9 2440.2 28 301.15 3.778 117.3 2435.4 30 303.15 4.241 125.7 2430.7 32 305.15 4.753 134.0 2425.9 34 307.15 5.318 142.4 2421.2 36 309.15 5.940 150.7 2416.4 38 311.15 6.624 159.1 2411.7 40 313.15 7.375 167.5 2406.9 42 315.15 8.198 175.8 2402.1 44 317.15 9.100 184.2 2397.3 46 319.15 10.09 192.5 2392.5 48 321.15 11.16 200.9 2387.7 50 323.15 12.34 209.3 2382.9 52 325.15 13.61 217.6 2378.1 54 327.15 15.00 226.0 2373.2 56 329.15 16.51 234.4 2368.4 58 331.15 18.15 242.7 2363.5 60 333.15 19.92 251.1 2358.6 62 335.15 21.84 259.5 2353.7 64 337.15 23.91 267.8 2348.8 66 339.15 26.15 276.2 2353.9 68 341.15 28.56 284.6 2338.9 70 343.15 31.16 293.0 2334.0 72 345.15 33.96 301.4 2329
HVS, T, kJ/kg °C 2501.7 2503.4 74 2505.2 76 2507.1 78 2508.9 80 2510.7 82 2512.6 84 2514.4 86 2516.2 88 2518.1 90 2519.9 92 2521.7 94 2523.6 96 2525.4 98 2527.3 100 2529.0 102 2530.9 104 2532.7 106 2534.5 108 2536.4 110 2538.2 112 2541.8 114 2545.5 116 2549.1 118 2552.7 120 2556.4 122 2559.9 124 2563.6 126 2567.1 128 2570.8 130 2574.4 132 2577.9 134 2581.5 136 2585.0 138 2588.6 140 2592.2 142 2595.7 144 2599.2 146 2602.8 148 2606.2 150 2609.7 152 2613.2 154 2616.6 156 2630.1 158 2623.5 160 2627.0 162 2630.4 275.5
T, K
P, kPa
347.15 349.15 351.15 353.15 355.15 357.15 359.15 361.15 363.15 365.15 367.15 369.15 371.15 373.15 375.15 377.15 379.15 381.15 383.15 385.15 387.15 389.15 391.15 393.15 395.15 397.15 399.15 401.15 403.15 405.15 407.15 409.15 411.15 413.15 415.15 417.15 419.15 421.15 423.15 425.15 427.15 429.15 431.15 433.15 435.15 548.65
36.96 40.19 43.65 47.36 51.33 55.57 60.11 64.95 70.11 75.61 81.46 87.69 94.30 101.33 108.78 116.68 125.08 133.90 143.27 153.16 163.62 174.65 186.28 198.54 211.45 225.04 239.33 254.35 270.13 286.70 304.07 322.29 341.38 361.38 382.31 404.20 427.09 451.01 476.00 502.08 529.29 557.67 587.25 618.06 650.16 6000
HLS, kJ/kg
v, kJ/kg
HVS, kJ/kg
309.7 318.1 326.5 334.9 343.3 351.7 360.1 368.5 376.9 385.4 393.8 402.2 410.6 419.1 427.5 435.9 444.4 452.9 461.2 469.8 478.3 486.7 495.2 503.7 512.2 520.7 529.2 537.8 546.3 554.8 563.4 572 580.5 589.1 597.7 606.3 614.9 623.5 632.1 640.8 649.4 658.1 666.8 675.5 684.2 1213.5
2324 2318.9 2313.9 2308.8 2303.8 2298.6 2293.5 2288.4 2283.2 2278 2272.8 2267.5 2262.2 2256.9 2251.6 2246.3 2240.9 2235.4 2230 2224.5 2219 2213.4 2207.9 2202.2 2196.6 2190.9 2185.2 2179.4 2173.6 2167.8 2191.9 2155.9 2150 2144 2137.9 2131.8 2125.7 2119.5 2113.2 2106.9 2100.6 2094.2 2087.7 2081.3 2074.7 1576.9
2633.7 2637 2640.4 2643.7 2647.1 2650.3 2653.6 2656.9 2660.1 2663.4 2666.6 2669.7 2672.8 2676 2679.1 2682.2 2685.3 2688.3 2691.2 2694.3 2697.3 2700.1 2703.1 2705.9 2708.8 2711.6 2714.4 2717.2 2719.9 2722.6 2755.3 2727.9 2730.5 2733.1 2735.6 2738.1 2740.6 2743 2745.3 2747.7 2750 2752.3 2754.5 2756.8 2758.9 2790.5
Tabla A3. Entalpías de formación a 25 °C Masa molecular
Compuesto
Formula
Ácido acético Acetona
CH3COOH C3H6O
60.05 58.08
Amoniaco
NH3
17.032
Benceno
C6H6
78.11
Butano
C4H10
58.12
Óxido de calcio Hidróxido de calcio Carbonato de calcio Isobutano
CaO Ca(OH) 2 CaCO 3 C4H10
56.08 74.10 100.09 58.12
Bióxido de carbono
CO2
44.01
Cloruro de hidrógeno Monóxido de carbono Metano Etano Etileno Óxido de etileno n-Pentano
HCl CO CH4 C2H6 C2H4 C 2H4O C5H12
36.465 28.01 16.041 30.07
Cloruro de metilo Benzaldehído
CH 3Cl C6H5CHO
50.49 106.12
Ácido nítrico
HNO 3
63.02
Óxido Nítrico Óxido de magnesio Hidróxido de magnesio Propano
NO MgO Mg(OH) 2 C3H8
30.01 40.32 58.34 44.09
Propileno Octano
C3H6 C8H18
Tolueno
C6H5CH3
92.13
Dióxido de azufre Trióxido de azufre Ácido sulfúrico Agua
SO 2 SO 3 H 2SO4 H2O
64.066 80.066 98.08 18.016
72.15
42.078 114.232
Estado l ac, 200 g l g l g l g s s s l g g l g g g g g g l g g l g l ac g s s l g g l g l g g g l l g
o
f
, kJ/mol -486.2 -410.03 -216.75 -67.2 -46.171 48.66 82.927 -147.6 -124.73 -635.6 -986.56 -1206.9 -158.5 -134.5 -393.51 -412.92 -92.3ll -110.52 -74.84 -84.667 52. 283 -67.362 -158.4 -134.5 -81.923 -88.83 -40.04 -173.23 -206.57 90.374 -601.83 -924.66 -119.84 -103.85 20.41 -250.105 -208.6 11.99 50.0 -296.9 -395.18 -811.32 -285.84 -241.826
Fuente: David M. Himmelblau, Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química, Sexta Edición, Prentice Hall, 1997.
Balances de materia con reacción química
Pr oblemas pr opuestos
1. El análisis de una piedra caliza es: 94.52%w de CaCO 3, 4.16%w de MgCO3 y 1.32%w de material insoluble. Determinar: a) ¿Cuántos kg de CaO (óxido de calcio) y MgO (óxido de magnesio) podrían obtenerse de 8800 Kg de piedra caliza? Respuesta: mCaOsalida= 4657.95 Kg, mMgOsalida = 175 kg. b) ¿Cuántos kg de CO 2 (dióxido de carbono) se desprenden? Respuesta: mCO2desprendido = 3850.88 kg. Las reacciones que se efectúan son:
2. La alimentación a un reactor continuo es una mezcla de 85% mol de etano y el resto de sustancias inertes. Las reacciones que se efectúan son:
Para una conversión de etano del 50% y si salen 0.47 moles de C 2H4 por mol de C2H6 alimentada al reactor, calcule la composición molar del producto gaseoso. Respuesta: %nC2H6 = 30.37, %nCH4 = 3.64, %nC2H4 = 28.55, %nIn = 10.72, %nH2 = 26.72. 3. El metano y el oxígeno reaccionan en presencia de un catalizador para producir formaldehido
En una reacción paralela secundaria, una porción del metano se oxida para formar dióxido de carbono y agua:
La alimentación a un reactor contiene cantidades equimolares de metano y oxígeno. a) Si la conversión del metano es del 95% y se forman 0.9 moles de formaldehido por mol de metano alimentado. Calcule la composición molar del flujo que sale del reactor y la relación de formaldehido producido con respecto a dióxido de carbono producido.
Balances de materia con reacción química
Respuesta composición: %n CH4 = 2.5, %nHCHO = 45, %nCO2 = 2.5, %nH2O = 50. Respuesta relación: nHCHO, produce/nCO2, produce = 18 b) Si ahora el flujo de salida del reactor contiene 45% mol de formaldehido, 1% de dióxido de carbono, 4% de metano y el resto de oxígeno y agua. Calcule la conversión del metano, moles de formaldehido formado por mol de metano alimentado y la relación de producción del formaldehido con respecto a la producción de dióxido de carbono.
Respuesta: forman = 45.
CH4 = 92%, nHCHO forman/nCH4alimentada =
0.9, nHCHO forman/nCO2
4. Una solución de carbonato de sodio con la siguiente composición: 0.59%w de NaOH, 14.88%w de Na 2CO3 y 84.53%w de H 2O, se va a caustificar añadiéndole cal comercial parcialmente apagada (que contiene CaO, Ca(OH)2 y CaCO3 como única impureza). La masa obtenida de la caustificación tiene la siguiente composición: 13.48%w de CaCO 3, 0.28%w de Ca(OH)2, 0.61%w de Na2CO3, 10.36%w de NaOH y 75.27%w de H2O. Calcular: a) El peso de la solución de carbonato de sodio. Respuesta: M1 = 91.54
kg.
b) El peso de cal cargada y su composición. Respuesta: M2 = 8.46 kg.
Composición: xwCaO,2=0.7754, xwCaCO3,2=0.143, xwCa(OH)2,2=0.0816. c) El porcentaje en exceso de Na 2CO3. Respuesta: %E Na2CO3 = 1.6%. d) El grado de conversión de la reacción. Respuesta: Ca(OH)2 = 97.04%. Considere como base cálculo M 3 = 100 kg. Reacciones:
() ()
COMBUSTIÓN 5. Se carga una cantidad de una mezcla gaseosa de propano (C 3H8) y butano (C4H10) a una cámara y luego se agrega aire. La relación molar aire a combustible es 30 a 1. Se enciende la mezcla y la combustión se completa. El análisis Orsat reporta la siguiente composición del producto gaseoso de la combustión: 84.8%n de N 2, 11.4%n de CO2 y 3.8%n de O2. ¿Cuál es la composición molar del combustible gaseoso? Reacciones:
Balances de materia con reacción química
Respuesta: xnC3H8,1=0.8137, xnC4H10,1=0.1863
6.
a) b) c) d)
En la reacción: BaCl2 + Na2SO4
¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para reaccionar con 5 g de sulfato de sodio? ¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para precipitar 5 g de sulfato de bario? ¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para producir 5 g de cloruro de sodio? ¿Cuántos gramos de sulfato de sodio se necesitan para precipitar 5 g de bario contenidos en el cloruro de bario? 7.
En la reacción: AgNO3 + NaCl
a) b) c) d)
a) b) c) d) e) f)
a) b)
BaSO4 + NaCl
AgCl + NaNO3
¿Cuántos gramos de nitrato de plata harán falta para reaccionar con 5 gramos de NaCl? ¿Cuántos gramos de nitrato de plata se requieren para la precipitación de 5 g de cloruro de plata? ¿Cuántos gramos de nitrato de plata equivalen a 5 g de nitrato de sodio? ¿Cuántos gramos de cloruro de sodio se necesitan para precipitar 5 g de plata contenidos en el nitrato de plata? 8. Para la reacción en la cual el amoniaco se forma a partir de sus constituyentes atómicos, determinar lo siguiente: La reacción estequiométrica de N 2 e H2 Los coeficientes estequiométricos de los reactivos y productos. (moles de NH3 producidas)/(moles de N2consumidas). (lb de H2 consumidas)/(lb mol de NH3 producidas). Los kg mol de N2 e H2 que deben reaccionar para formar 150 kg mol de NH 3. Las lb de NH3 producidas y las lb de H 2 consumidas si 20 lb de N 2 reaccionan completamente. 9. El análisis de una piedra caliza es: carbonato de calcio 94.52% en peso, carbonato de magnesio 4.16% en peso y material insoluble 1.32% en peso. ¿Cuántas libras de óxido de calcio podrían obtenerse de 8 800 libras de piedra caliza? ¿Cuántas libras de dióxido de carbono se desprenden?
Reacciones: CaCO3 MgCO3
CaO + CO2 MgO + CO2
(I) (II)
Balances de materia con reacción química
a) b) c)
10. El sulfato de aluminio se utiliza en el tratamiento de agua y en muchos procesos químicos; se puede preparar haciendo reaccionar bauxita triturada con ácido sulfúrico al 77% en peso. El mineral de bauxita contiene 55.4% en peso de óxido de aluminio, siendo el resto impurezas. Para producir 2 000 libras de sulfato de aluminio se emplean 1080 libras de bauxita y 2 510 libras de solución. Determinar el reactante en exceso. Calcular el porcentaje en exceso. ¿Cuál es el grado de conversión de la reacción?
Reacción: Al2O3 + H2SO4
Al2(SO4)3 + 3 H2O
11. El fósgeno es muy famoso por haber sido el primer gas tóxico que se usó ofensivamente en la primera guerra mundial, pero también tiene muchas aplicaciones en el procesamiento químico de una gran cantidad de materiales. El fósgeno puede prepararse por medio de la reacción catalizada entre el CO y el Cl 2 en presencia de un catalizador de carbono. la reacción química es: CO + Cl2 COCl2
a) b) c)
a) b) c) d)
12. Supóngase que se han determinado las cantidades de producto de la reacción en cierto reactor y los resultados son: 3 lbmol de Cl 2, 10 lbmol de fósgeno y 7 lbmol de CO. Calcular: El porcentaje en exceso de reactante utilizado. El grado de conversión de la reacción. Las lbmol de fósgeno formada por lbmol de reactantes totales alimentadas al reactor. 13. Un reactor de deshidrogenación se alimenta con etano a razón de 150 kmol/h. Los productos de la reacción son acetileno e hidrógeno. Si se alcanza una conversión del 80%, calcular las siguientes cantidades del producto gaseoso final. El flujo molar total. La relación entre las moles de hidrógeno y acetileno. El peso molar promedio. El flujo másico de acetileno.
14. La reacción entre el etileno y el bromuro de hidrógeno se efectúa en un reactor continuo. El flujo de productos se analiza, y se encuentra que contiene 50% mol de C 2 H5 B r, 33% mol de HBr. La alimentación del reactor contiene sólo etileno y bromuro de hidrógeno. Calcular: a) La conversión del reactivo limitante. b) El porcentaje en el que el otro reactivo se encuentra en exceso. 15. En el proceso Deacon, para la fabricación de cloro, reaccionan HCl y O2 para formar Cl 2 y H 2O . El reactor se alimenta con suficiente aire para
Balances de materia con reacción química
proporcionar 25% de oxígeno en exceso. Si la conversión del HCl es de 70%, calcular las fracciones molares de los componentes del flujo a la salida. R. HCl = 0.13, Cl 2 = 0.15, H 2 O = 0.15, O2 = 0.06, N 2 = 0.51
16. El bióxido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza con H 2 SO4 diluido (12% en peso de ácido). La caliza usada en el proceso contiene CaCO3 y MgCO3, además de material insoluble. El residuo del proceso tiene la siguiente composición: 8.56% en peso de CaSO4, 5.23% en peso de MgSO4, 1.05% en peso de H 2S O4, 0.53% en peso en inertes, 0.12% en peso de CO2 y 84.51% en peso de H 2O . Durante el proceso se calienta la masa reaccionante desprendiéndose parte del CO2 y del H 2O . Suponiendo una conversión del 100%, calcular: a) El análisis de la caliza. b) El porcentaje en exceso de reactante usado. c) La masa y el análisis de los gases que se desprendieron de la masa reaccionante por cada 1 000 kg de caliza usada. Las reacciones que se llevan a cabo son: CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O MgCO3 + H2SO4 MgSO4 + CO2 + H2O
(I) (II)
17. Bajo ciertas condiciones el N 2 e H 2 reaccionan de acuerdo a la siguiente ecuación. N 2 + H 2 NH 3 Suponiendo que 280 lb de N 2 y 64.5 lb de H 2 se llevan a reaccionar a 515 ºC y 3 atmósferas de presión, y que después de obtener el equilibrio existen 38 lbmol de gas, determinar: a) Reactante limitante y reactante en exceso. b) % en exceso. c) lbmol de N 2, H 2 y NH 3 en el equilibrio. d) Grado de conversión de la reacción.
18. Con el fin de sintetizar 100 lbmol/h de amoniaco, se alimentan a un reactor N2 a 200 oF y 17 lb/pulg 2 manométricas e H2 a 80 oF y 25 lb/pulg2 manométricas,. Si la relación molar de H2 a N2 es de 3:1, calcular los gastos volumétricos de estos gases en pie 3/min. Reacción: N2 + H2 NH3 19. El dióxido de titanio (TiO2) se utiliza ampliamente como un pigmento blanco. Se produce a partir de un mineral que contiene ilmenita (FeTiO 3) y óxido férrico (Fe2O3). El mineral se trata con una solución de ácido sulfúrico acuoso para producir una disolución acuosa de sulfato de titanilo [(TiO)SO 4] y sulfato ferroso (FeSO4). Se añade agua para hidrolizar el sulfato de titanilo
Balances de materia con reacción química
a H2TiO3, que precipita y H2SO4. Posteriormente se tuesta el precipitado separando el agua y dejando un residuo de dióxido de titanio puro. (En esta descripción se han omitido varias etapas para extraer el fierro de las disoluciones intermedias como sulfato de fierro.) Supóngase que un mineral contiene 24.3% en masa de Ti: se trata con una disolución al 80% de H2SO4, suministrada con un 50% de exceso respecto a la cantidad necesaria para convertir toda la ilmenita en sulfato de titanilo, y todo el óxido férrico en sulfato férrico [Fe2(SO4)3]. Después suponemos que realmente se descompone un 89% de la ilmenita. Calcular las masas (kg) de mineral y de disolución de ácido sulfúrico al 80% que deben proporcionar, para producir 1 000 kg de TiO2 puro. 20. El metano y el oxígeno reaccionan en presencia de un catalizador para producir formaldehído. En una reacción paralela secundaria, una porción del metano se oxida para formar dióxido de carbono y agua CH4 + O2 HCHO + H2O (I) CH4 + O2 CO2 + H2O (II) La alimentación del reactor contiene cantidades equimolares de metano y oxígeno. (a) La conversión del metano es de 95%, y se forman 0.9 moles de formaldehído por mol de metano alimentado. Calcule la composición molar del flujo que sale del reactor y la relación de formaldehído producido con respecto a dióxido de carbono producido. (b) El flujo de salida del reactor contiene 45% mol de formaldehído, 1% de dióxido de carbono, 4% de metano y el resto de oxígeno y agua. Calcule la conversión del metano, moles de formaldehído formado por mol de metano alimentado y la relación de producción del formaldehído con respecto a la producción de dióxido de carbono. 21. El etanol se produce comercialmente por medio de la hidratación de etileno: C 2H (I) C 2H 4 + H 2O 5 OH Una parte del producto se convierte en dietil éter en la reacción secundaria C 2 H5 O (II) H (C 2H 5 ) 2 O + H 2O La alimentación a un reactor contiene etileno y vapor de agua en una relación molar 3:2 y 10% en mol de sustancias inertes. La conversión del etileno es de 5%, y la selectividad de la producción de etanol con respecto a la producción de éter es de 18.0 mol/mol. Calcule la composición molar del flujo de salida del reactor.
22. El etano reacciona con cloro en un reactor continuo: C 2H (I) 6 + Cl 2 C 2H 5 C l + HCl Una porción del monocloroetano reacciona con cloro en una reacción secundaria no deseada: C 2 H5 C l + Cl 2
C 2H 4 Cl 2 + HCl
(II)
Balances de materia con reacción química
Supóngase que la conversión del etano es de 13%; y una relación de 13.3 moles de C 2H 5 Cl/mol de C 2H 4Cl 2 , y que el producto contiene una cantidad despreciable de cloro. Calcule los moles de todas las especies en el flujo de productos por cada 100 moles de monocloroetano producido.
23. El fluoruro de calcio sólido (CaF 2) reacciona con ácido sulfúrico para formar sulfato de calcio sólido y fluoruro de hidrógeno gaseoso. El HF se disuelve en agua para formar ácido fluorhídrico. El mineral de fluorita es una fuente de fluoruro de calcio que contiene 96% en peso de CaF 2 y 4% de SiO2. En un proceso típico de fabricación de ácido fluorhídrico, se hace reaccionar fluorita con una disolución acuosa de ácido sulfúrico al 93% en peso, suministrado al 15% en exceso de la cantidad estequiométrica. El noventa y cinco por ciento de mineral se disuelve en el ácido, una parte del HF formado reacciona con el sílice disuelto en la reacción. HF + SiO2(aq)
H2SiF6(s) + 2 H2O(l)
El fluoruro de hidrógeno que sale del reactor se disuelve posteriormente en suficiente agua para producir ácido fluorhídrico al 60%. Calcule la cantidad de mineral de fluorita que se necesita para producir una tonelada métrica de ácido.
a) b)
24. La mezcla diluida de un proceso de nitración contiene 23% en peso de HNO3, 57% de H2SO4 y 20% de H2O. esta solución se va a concentrar para que contenga 27% en peso de HNO 3, 60% de H2SO4 y 13% de H2O, para ello se tiene H2SO4 al 93% en peso y HNO 3 al 90% en peso. Si se desean obtener 1 000 kg de mezcla ácida concentrada, ¿cuánto debe usarse de cada uno de los componentes? Si en lugar de H2SO4 al 93% en peso, se tuviese disponible una mezcla de 80% de H2SO4 y 20% de SO3, ¿qué cantidad se requeriría para obtener la misma mezcla concentrada? 25. Los gases que entran a un reactor lo hacen en una relación de 4 moles de hidrógeno por mol de nitrógeno. Los gases que salen del mismo, tienen una relación 5 moles de hidrógeno por mol de nitrógeno. ¿Qué volumen de gases de entrada, medidos a 500 °C y 1 atmósfera, se requieren para producir 10 000 kg de NH 3/día? 26. Una mezcla gaseosa consistente en 50% de H 2 y 50% de C2H4O se encuentra inicialmente en un recipiente herméticamente cerrado a una presión total de 760 mm de Hg absolutos y la formación de etano ocurre de acuerdo a la siguiente reacción: C2H4O + H2 C2H6O
Después de cierto tiempo se observa que la presión total en el recipiente hermético a descendido a 700 mm de Hg absolutos. Calcular el grado de conversión de la reacción considerando las siguientes suposiciones: a) Todos los reactantes y productos se encuentran en fase gaseosa.
Balances de materia con reacción química
b)
a) b) c) d)
El recipiente y su contenido estaban a la misma temperatura cuando se hicieron las mediciones de presión. 27. Una solución de carbonato de sodio con la siguiente composición: 0.59% en peso de NaOH, 14.88% en peso de Na 2CO3 y 84.53% en peso de H 2O, se va a caustificar añadiéndole cal comercial parcialmente apagada (la cal contiene como única impureza CaCO 3). La masa obtenida de la caustificación tiene la siguiente composición: 13.48% en peso de CaCO 3, 0.28% en peso de Ca(OH) 2, 0.61% en peso de Na2CO3, 10.36% en peso de NaOH y 75.27% en peso de H 2O. Calcular: El peso de la solución de carbonato de sodio por 100 libras obtenidas. El peso de cal cargada y su composición por 100 libras obtenidas. El porcentaje en exceso de Na 2CO3. El grado de conversión de la reacción. CaO + H2O Ca(OH)2 (I) Ca(OH)2 + NaCO3 NaOH + CaCO3 (II) 28. Se quema carbono puro en oxígeno, el análisis del gas de chimenea es: CO2 75% mol, CO 14% mol, O 2 11% mol. ¿Qué porcentaje de oxígeno en exceso se usó? 29. Treinta libras de carbón (análisis: 80% carbono y 20% hidrógeno), se queman con 600 libras de aire para producir un gas con un análisis Orsat en el que la razón de CO 2 a CO es de 3 a 2. ¿Qué porcentaje de aire se usó?. 30. Un aceite de combustible se analiza y contiene 87%w carbono, 11%w hidrógeno y 1.4%w azufre, el resto de materiales no combustibles, el aceite se quema con 20% exceso de aire y suponiendo que la combustión es completa, el carbono se transforma en CO 2, el hidrógeno en agua y el azufre en SO2. El aceite se quema completamente, pero 5% de carbono forma CO. Calcule la composición molar de los gases de emisión.
100 kg 87%w C 11%w H 1 1.4%w S 0.6%w inertes
2
Horno
3
a) b) c)
Aire 20% Ex ceso
4
% CO2 % CO % N2 % O2 % H2O % SO2
inertes
31. Indique si son verdaderas (V) o falsas (F) las siguientes afirmaciones: Si ocurre una reacción química, las masas totales entran al sistema y salen de él en un proceso en estado estacionario son iguales En la combustión, todos los moles de carbono que entran en un proceso estacionario salen del proceso. El número de moles de un compuesto químico que entran en un proceso en estado estacionario en el que ocurre una reacción en el que interviene ese compuesto nunca puede ser igual al número de moles del mismo compuesto que salen del proceso.
Balances de materia con reacción química
32. Un gas contiene 5% en peso de C 3H8, 5% en peso de C 4H10, 16% en peso de O 2, 38% en peso de N 2 y el resto de H2O. Calcule la composición molar de este gas sobre una base húmeda y sobre una base seca, y el cociente (moles de H2O /moles de gas seco). 33. Un gas natural contiene 92% en mol de metano, 5% de etano y un 3% de propano. Si 100 kmol/h de este combustible se queman por completo con 125% en exceso de aire, ¿cuál es la alimentación de aire requerida?, ¿Cómo cambiaría la respuesta si la combustión sólo se efectuara con una conversión de un 75%? 34. Un horno se alimenta con 120 kmol de propano junto con 4 284 kmol 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, si es posible, sin información adicional. Si se necesita más información, establezca cual es ésta. 35. 100 pie3/h de un gas que tiene la siguiente composición: 23 %mol de CO, 4.4% mol de CO2, 2.4% mol de O2 y 70% de N2, se quema con un 20% en exceso del oxígeno teóricamente necesario. Para la combustión completa de este gas medido a 70 oF y 750 mm de Hg , determinar: a) El volumen de aire, medido a las mismas condiciones del gas. b) La composición de los gases que salen del quemador, suponiendo combustión completa. c) El gasto volumétrico de los gases de combustión a la temperatura de 600 oF y presión de 750 mm de Hg Reacción: CO + O2 CO2 36. Un gas tiene la siguiente composición en % volumen: 27% CO, 4% CO 2, 1% O2 y 68% N2. Este gas se quema con aire utilizando un 20% en exceso del O2 teórico requerido por la combustión completa. Si la combustión se efectúa en un 90%, determinar la composición de los gases formados. Reacción: CO + O2 CO2 37. Se tiene una mezcla de 90% en mol de etano y 10% en mol de O 2. Esta mezcla se quema con 180% de exceso de aire; un 80% se transforma en CO2, 10% en CO y 10% residual permanece sin quemarse. Calcule la composición de los gases de salida. C2H6 + O2 C2H6 + O2
CO2 + H2O CO + H2O
(I) (II)
38. Se quema metano puro con aire fresco y los gases de combustión se pasan a través de un aparato que elimina el vapor de agua por condensación. Los
Balances de materia con reacción química
a) b) c) d) e)
gases remanentes se analizan por el método Orsat y se encuentra que contiene 9.999% mol de CO 2, 0.526% mol de CO, 2.368% mol de O 2 y 87.107% mol de N2. ¿Cuál es el reactante limitante? ¿Cuál es el porcentaje en exceso? ¿Cuántas moles de aire se usaron por mol de metano? ¿Cuáles son los gramos de agua formados por mol de metano? ¿Cuáles son los gramos de gases secos formados a la salida por mol de metano?
Reacciones:
CH4 + O2 CH4 + O2
CO + H2O CO2 + H2O
(I) (II)
39. Un combustible gaseoso húmedo, tiene la siguiente composición en % en volumen base seca: CH 4 80%, C2H6 6%, C3H8 4%, N2 8% y O2 2%. Este gas (se encuentra saturado con vapor de agua cuya presión parcial es de 1.032 pulgadas de Hg) se mide a 80 °F y 29.92 pulgadas de Hg (14.7 lb/pulg 2). Se quema utilizando un 50% de exceso de aire, alimentado a 85 °F y 29.92 pulgadas de Hg. Si, la combustión es completa y el gas de emisión sale del horno a 500 °F y 29.92 pulgadas de Hg, calcular el volumen de estos para una alimentación de 100 pie 3 de gas combustible húmedo. Reacciones: CH4 + O2 CO2 + H2O (I) C2H6 + O2 CO2 + H2O (II) C3H8 + O2 CO2 + H2O (III) 40. El análisis de un gas natural contiene 4 lbmol de CH 4 por lbmol de N 2. Este gas se quema en una caldera y la mayor parte del CO2 se utiliza en la producción de hielo seco, por lo cual se separa para eliminar el gas de chimenea. El análisis del gas de salida del separador es 1.2% CO2 , 4.9% O2 y 93.9% N 2. Calcular: a) El porcentaje de CO2 absorbido, b) el porcentaje en exceso de O2 . CO2 H2O
1
CH4 N2
Quemador
3
2 Aire
O2 N2
Separador 5
4
CO2 1.2% O2 4.9% N2 93.9%
H2O CO2 absorbido
Reacción: CH4 + O2
a) b)
CO2 + H2O
41. Se quema azufre puro con aire utilizando un 20% en exceso del teórico requerido para que todo el azufre se oxide a SO 3, pero inicialmente lo hace el 40%, permaneciendo el resto como SO2. ¿Cuál es el análisis de la mezcla gaseosa resultante? Los gases que salen del horno se pasan a un convertidor sin agregar algún material. Suponiendo que los gases a la salida del convertidor tienen un 5% en
Balances de materia con reacción química
mol de O2, ¿cuál será la relación de moles de SO 3 por mol de SO2 en dichos gases? Aire 20% d e exceso SO2 SO3
2 1 Horno
S
Reacciones en el horno: S + O2 S + O2
a) b)
3 O2 N2
→ SO2 → SO3
Convertidor
4
SO2 SO3 O2 5% N2
(I) (II)
42. En una planta de ácido sulfúrico por el método de contacto, se quema azufre puro en un horno con aire para formar SO 2. Los productos de la combustión pasan a un convertidor de alta temperatura, en donde parte del SO2 pasa a SO3. Posteriormente, los gases se enfrían y se mandan a un segundo convertidor, en donde se lleva a cabo la oxidación de SO 2 a baja temperatura, la que es más favorable. Los gases que salen del primer convertidor contienen 2.2% mol de SO 2 y los gases que salen del segundo convertidor contienen 0.1% mol de SO 2 y 9.3% de O2. ¿Qué porcentaje del SO 2 se convirtió a SO3 en el segundo convertidor? ¿Qué porcentaje en exceso de oxígeno se usó en el horno, si, se considera el O 2 teórico requerido para que todo el azufre se oxide a SO 3? Aire
2
1
S
Horno
SO2 3 O2 N2
Convertidor 1
2.2% SO2 SO3 4
O2 N2
Convertidor 2
0.1% SO2 SO3 9.3 %O2 N2
5
Reacciones: S + O2 SO2 + O2
SO2 (I) SO3
(II)
43. En el proceso ordinario para la fabricación de ácido nítrico, se hace reaccionar nitrato de sodio con una solución de ácido sulfúrico al 95% en masa. Para que la pasta de nitro resultante pueda fluidizarse, es necesario emplear ácido suficiente, de forma que haya un 34% de éste en la pasta final. Puede suponerse que la pasta contiene 1.5% en masa de agua y que la reacción es completa. Además, considérese que el 2% de ácido nítrico formado permanece en la pasta. Suponiendo que el nitrato de sodio utilizado es puro y está seco, calcular: a) El peso y la composición de la pasta de nitro formada por 100 libras de nitrato de sodio. b) El peso de solución ácida que ha de emplearse por 100 libras de nitrato de sodio cargado. c) Los pesos de ácido nítrico y de vapor de agua separados de la pasta de nitro por 100 libras de nitrato de sodio.
Balances de materia con reacción química
HNO3 Na2SO4
1 Quemador
Separador
3 H2SO4 H2O
100 lb NaNO 3 2
HNO3 H2O
4
5
Pasta HNO3 H2SO4 34% H2O 1.5% Na2SO4
95% H2SO4 5% H2O
Reacción: NaNO3 +
H2SO4
HNO3
+
Na2SO4
44. A un reactor se alimenta una mezcla equimolar de CO e H 2 con el fin de sintetizar CH 3OH, conforme a la reacción: CO
+
H 2
CH 3OH
(I)
De acuerdo a las condiciones del proceso reacciona 65% del hidrógeno alimentado al reactor, desafortunadamente sólo el 58% de esta cantidad, produce CH 3OH, mientras que el resto, produce CH 4 y H 2O según la reacción: CO + H 2
CH 4 + H 2O
(II)
De acuerdo con el diagrama mostrado, y la información complementaria que contiene, determine los flujos molares de todas las corrientes. CO CH4 H2
3 1
2 Reactor
Separador 4
CH3OH 150 kmol/día H2O
45. Se hace pasar etileno (C2H4) y aire sobre un catalizador a 250 °C para formar óxido de etileno (C 2H4O). La mezcla se enfría y se pasa a través de agua, el óxido de etileno reacciona con el agua para formar etilenglicol (CH2OH)2. En una prueba, una mezcla formada por 5% mol de etileno y 95% mol de aire, entra a un reactor catalítico; parte del etileno no reacciona, parte forma óxido de etileno y parte se oxida completamente para formar CO 2 y H 2O. La mezcla gaseosa que sale del reactor pasa directamente al sistema de absorción, donde se pone en contacto con el agua. Los gases que salen del absorbedor contienen todo el N 2, el C2H4 que no reacciona, el O 2 que no se usó, el CO 2 formado y salen saturados con vapor de agua cuya presión parcial es de 15.4 mm de Hg cuando la presión total es de 730 mm Hg. El análisis Orsat de los gases que salen del absorbedor reporta: etileno 1.075% mol, N2 80.7% mol, CO2 4.3% mol, O2 13.925% mol. Si, al absorbedor se alimenta una mol de agua líquida por cada 100 moles que se alimentan al reactor. ¿Cuál es la composición en % mol del producto formado etilenglicol-agua?
Balances de materia con reacción química
5% C2H4 95% aire T=250 °C
1
H2O
C2H4 C2H4O CO2 2 H2O N2 O2
Reactor catalítico
3 Absorbedor
4
Gas seco C2H4 1,075% H2O 4,3% N2 80,7% O2 13,925%
PH2O
5
PT
Etilenglicol-agua
15.4
730
mm de Hg
mm de Hg
Reacciones del catalizador: C2H4 + C2H4 + C2H4O +
O2 O2 H2O
C2H4O CO2 + (CH2OH)2
H2O
(I) (II) (III)
46. En un centro de investigación de nuevas tecnologías, se estudia una forma alterna para la producción de acroleína (C 3H4O), que consiste en hacer reaccionar propileno (C3H6) con oxígeno gaseoso (O2) mediante la reacción: C3H6 + O2
C3H4O + H2 O
De acuerdo con los resultados experimentales obtenidos, se ha determinado que también se efectúa la reacción secundaria: C3H6
+ O2
CO2
+ H2O
Aun reactor a nivel laboratorio se alimenta una corriente gaseosa que consiste en 12.5% mol de C3H6, 12.5% mol de O 2 y resto de N2 como diluyente. La corriente que abandona el reactor se alimenta a un equipo de separación donde se separa la acroleína y el propileno de los demás componentes, si a la salida del reactor se ha encontrado que existen 3 mol de acroleína por mol de bióxido de carbono, calcule el grado de conversión de la reacción, la composición completa de la corriente ( 4) y la relación de acroleína producida a propileno alimentado. C3H4O C3H6 3
C3H6 O2 N2
1
Reactor
2
equipo de separación
4
N2 84.964%n O2 6.281%n CO2 H2O
41. Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehido a partir de metanol por medio de la reacción: CH3OH
HCHO + H2
En el reactor se alcanza una conversión del 70%. El metanol que sale del reactor se separa del formaldehido y del hidrógeno en un proceso de varias unidades. Si, la producción del formaldehido es de 600 kg/h, Calcule la alimentación de metanol (mol/h) que requiere el proceso para los siguientes dos casos. (a) Cuando no hay recirculación. (b) El metanol recuperado se hace recircular al reactor.
Balances de materia con reacción química
47. En la producción de NH3, la relación molar entre el N 2 e H2 en la alimentación, así como en todo el proceso es de 1 mol de N 2 a 3 de H 2 . Si, de la carga a la entrada del reactor, el 25% se transforma en NH 3 y el NH3 producido se condensa y se elimina completamente en un separador, mientras que el N2 y el H2 que no reaccionaron se recirculan para mezclarse con la carga de alimentación del proceso. ¿Cuál es la relación de libras de recirculación por libra de carga alimentada? H2 , N2 4 3 H2
H2 N2
1
Reactor
2
N2 NH3
Separador 5 NH 3
Reacción: N2
+
H2
NH3
48. El metanol se produce mediante la reacción de monóxido de carbono e hidrógeno. Un flujo de alimentación fresca contiene CO e H 2 se mezcla con un flujo de recirculación, el flujo combinado resultante se alimenta un reactor. La corriente que sale del reactor entra a un condensador parcial donde se condesa parte del metanol que sale del reactor; el CO, H 2 y CH3OH no condensado se recirculan. La corriente que sale del reactor fluye a una velocidad de 275 mol/min y contiene 10.6% en masa de H 2, 64.0% en masa de CO y 25.4% en masa de CH3OH. Si, la fracción mol de metanol en el flujo de recirculación es de 0.004. Calcule los de flujos molares del CO y del H2 en la alimentación fresca y la velocidad de producción del metanol líquido. 49. El metano reacciona con cloro para producir cloruro de metilo y cloruro de hidrógeno. CH 4 + Cl 2
CH 3Cl + HCl
Una vez que se ha formado, el cloruro de metilo puede clorarse para formar cloruro de metileno (CH 2C l 2 ), cloroformo (CHCl 3 ) y tetracloruro de carbono ( CCl 4 ). En un proceso de producción de cloruro de metilo, un reactor se alimenta con metano y cloro en una relación molar de 5:1. (Esta relación se mantiene mediante alta para minimizar la polisustitución.) Se puede suponer que se alcanza una conversión del cloro del 100% en una sola etapa. El cociente entre las moles de CH 3Cl y las moles de CH 2 Cl 2 en el producto es de 4:1, y se producen cantidades despreciables de cloroformo y tetracloruro de carbono. El producto gaseoso se enfría, condensando CH 3Cl y CH 2C l 2, 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 como metano puro, se retorna al reactor. Para una velocidad de producción de 1 000 kg de CH 3Cl/h, calcule: (a) El flujo y la composición molar de la alimentación fresca. (b) La cantidad que debe eliminarse de HCl en la torre.
Balances de materia con reacción química
(c) La recirculación. 50. Se va a producir ácido acético por la adición de 10% de exceso de H 2SO4. La reacción: Ca(Ac)2 + H2SO4 CaSO4 + 2 HAc se efectúa en un 90%. El CaSO4 y el H2SO4 sin reaccionar se separan de los productos de la reacción y el exceso de Ca(Ac) 2 se recircula. El acético se separa de los productos. Determinar la cantidad de material recirculado en base a 1 000 libras de Ca(Ac) 2 alimentado por hora, así como las libras de ácido acético producidas por hora. H2SO4 2 1 000 lb/h Ca(Ac)2
4 Reactor
1
Separador 1
6
7 Separador 2
5
3
HAc
8 H2SO4 CaSO4
Ca(Ac)2
51. El óxido de etileno C2H4O, se obtiene por reacción catalítica entre el etileno (C2H4) y el oxígeno. La alimentación al reactor está formada por 40% de etileno y 60% de oxígeno. El análisis reporta que el 48% del etileno que entra al reactor se consume y de éste, el 65% forma óxido de etileno, el resto se oxida a CO 2 y H2O. El etileno que no reacciona se separa y se recircula. Si se desean obtener 20 ton/día de óxido de etileno. ¿Qué volumen debe alimentarse en m 3/min de C2H4 fresco medido a 800 mm Hg y 127 oC?. ¿Qué volumen a las mismas condiciones de presión y temperatura sale en la corriente 6 ?. Las reacciones que se efectúan son: C2H4| + O2 C2H4O (I) C2H4 + O2 CO2 + H2O (II) C2H4 T=127 °C P=800 mm de Hg C 2H 4 1
C2H4 O2 3 2
O 2
5
Reactor
C2H4O C2H4 4 CO2 H2O O2
Separador
6
a C2H4O 20 ton/dí CO2 H2O O2
52. El óxido de etileno se produce por medio de la oxidación catalítica del etileno. C2H4 + O2 C2H4O Una reacción de competencia no deseada es la combustión del etileno: C2H4 + O2 CO2 + 2 H2O La alimentación del reactor contiene 3 moles de etileno por cada mol de oxígeno. La conversión en una sola etapa del etileno es 20%, y por cada 100 moles de etileno consumidos en el reactor salen 80 moles de óxido de etileno en los productos del reactor. Se utiliza un proceso de varias unidades para separar los productos: el etileno y el oxígeno se hacen recircular al reactor, el óxido de etileno se vende como un producto, y el dióxido de carbono y el agua se desechan. Calcule el flujo molar de
Balances de materia con reacción química
etileno y oxígeno en la alimentación fresca requeridos para producir 1 500 kg de C2H4O/h, y la conversión global del etileno. 53. La alimentación fresca en un proceso de producción de amoniaco contiene 24.75% en mol de nitrógeno, 74.25% en mol de hidrógeno y el resto de sustancias inertes (I). 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% en mol de inertes. Calcule la conversión global de nitrógeno, el cociente (moles de gas purgadas/moles de gas que salen del condensador), y el cociente (moles de alimentación fresca/moles que alimentan el reactor). 7 2
5
1
N 2 , H 2 , I
N 2 , H 2 , I
Reactor
3
4
Condensador
6
NH 3
54. La alimentación fresca a una unidad de síntesis de metanol contiene 32% en mol de CO, 64% de H2 y 4% de N2 y fluye a una velocidad de 100 moles/h. La alimentación fresca se mezcla con un flujo de recirculación que fluye a una velocidad de 4 000 moles/h para producir una alimentación al reactor que contiene 13% mol de N 2. El flujo de producto que sale del condensador contiene solo metanol líquido. Para evitar el aumento de nitrógeno en el sistema, se extrae un flujo de purgado del gas que sale del condensador. Los gases no purgados constituyen el flujo de recirculación del reactor. Calcule la producción del metanol (mol/h), el flujo molar y la composición del gas de purgado, así como la conversión global y por paso.
a) b)
55. Una calcita que contiene 95% en peso de CaCO3 y 5% 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% mol de CO2 y los gases que salen del horno B contienen 8.65% mol de CO2 . Con el fin de aprovechar parte del calor sensible de estos gases, cierta cantidad de ellos se recirculan y la mezcla formada contiene 7% mol de CO2 . Calcular: Las libras de CaO obtenidas por libra de carbón quemado. La relación de libras de gases recirculados por gases no recirculados.
Aire
1 2
Carbón
Horno A
CO2 5% O2 N2 3
CO2 7% O2 N2 4
Calcita CO 8.65% 2 5 O2 7 N2 Horno B 6 SiO 2 CaO
8
9
CO2 O2 N2
CO2 O2 N2
