BALANCE DE MATERIA Masa de entrada ( masa de salida ) masa Acumulada Acumulada El balanc balance e de materia materia para para un proces proceso o es la contab contabili ilidad dad de los materiales involucrados involucrados en el mismo, constituyéndose en la aplicación aplicación de la ley de conservación de la masa. Los procesos pueden ser ser en cochada, por lotes o intermitentes: intermitentes: cuando una cantidad de materia es colocada en un recipiente y por medio físicos o químicos se logra algún cambio o reacción. l final el contenido es retirado como producto para iniciar una nueva cochada.
Cuando $a% reacción &u"mica "asa de la entrada entrada # "asa generada $ masa salida # masa masa consumida # masa acumulada
Entrada A
Salida +!
Proceso
Entrada B
Extracción de aceites esenciales por vapor. Los proceso continuos: continuos: las entradas y las salidas del mismo mismo fluyen en forma continua.
roceso de pirolisis. BALANCE DE MATERIA #IN REACCI*N +,-MICA RCE## DE ME/CLA E0ercicios' Tratamiento de aguas residuales. l combinarse los los procesos continuos continuos con proceso por batch se obtienen procesos semicontinuos. En los procesos continuos e!isten procesos en estado estacionario o permanente , en donde las variables de proceso no sufren modificación con el tiempo, mientras mientras que si una o varias varias variables variables cambian con el tiempo se identifica como un proceso transitorio o inestable.
Se mezclan 600 lb de una solución que contiene 20% en peso de HNO 3 con una solución que contiene 40% de HNO 3. ¿Cul es la masa en lib!as lib!as de la solución solución "o!mada# "o!mada# si $sta contiene contiene 2% de HNO 3&
orriente 1 600 lb 20# -/(
orriente 2 $0# -/(
orriente 3 2"# -/(
roceso extracción aceites esenciales con !luidos supercr"ticos. BALANCE DE MA#A Cuando no $a% reacción &u"mica'
Entrada A Entrada B
Proceso
%alance materia sistema: m& # m' $ m( )** lb # m' $ m( +& %alance de -/( -/( en m& # -/ ( en m' $ -/ ( en m3 600 lb *
Salida A +B
20 100
+ m2 *
40 100
= m3 *
28 100
m1 * x1 + m2 * x2 = m3*x3
120 + m2 = m3
0e solucionan las dos ecuaciones con un resultado de: m' $ 1** lb m( $ &*** lb
1 salm&era 30# al
3 salm&era Sat&rada
O'()eno pu!o se mezcla con ai!e pa!a obtene! ai!e en!iquecido que contiene *0% de o'()eno. ¿+u$ !elación mola! de o'()eno a ai!e debe utiliza!se&
orriente 3 Aire enri%&ecido
orriente 1 /'
orriente 2 Aire 21# /'
5*? /' 5*? '
78? ' %ase de c2lculo: &** 3g mol de aire enriquecido %alance de materia: m& # m' $ m( m& # m' $ &** 3g mol
79 100
= m3 *
%alance de materia m& $ m' # m( # m1 m& $ &**lb6h # m( # m1 %alance de sal m&4*,( $ m( 4*,( # m1
;elación sal de entrada y sal cristali=ada m1 $ m&4*,(4*,8 m1 $ *,'7 m& %alance de agua m&4*,7 $ &**lb6h # m(4*,7
%alance nitrógeno: m' 4
$ al cristales
50
0olución
100
m' $ &** 3g mol 4*,5 6 *,78 $ )(,'8 3g mol m& $ m(9m' m&$ &**3g mol )(,'8 3g mol $ (),7& 3g mol ;elación molar o!ígeno6aire $ +(),7&6)(,'8 $ *,5<
RCE## DE #EARACI*N DE ME/CLA#
1 ecuaciones 1 incógnitas, problema solucionado m&$&5<,7( lb6h 0almuera entrada m'$ &** lb6h agua evaporada m($ &5,<7 lb6h salmuera salida m1$ 1',<5 lb6h sal cristali=ada :$todo de solución 2
%ase de c2lculo &** lb6h salmuera entrada
Evaporación' ,n un p!oceso pa!a la obtención de sal c!istalizada se int!oduce a un e-apo!ado! c!istalizado! una solución satu!ada de clo!u!o de sodio# al 30% en peso / 2401. ,l p!oceso es isot$!mico de tal mane!a que se obtiene po! el "ondo del apa!ato la sal c!istalizada i)ual al 0% de la sal alimentada. Se e-apo!an 00lb5! de a)ua / se p!oduce# adems# una salmue!a satu!ada Calcula! a7 8a cantidad de salmue!a int!oducida en lb5 b7 8a sal c!istalizada en 9)5
2 A'&a 100 lb
0al de entrada $ &** lb6h 4*,( $ (* lb6h 0al cristali=ada $ *,8 4 (* lb $ '7 lb6h 0al salmuera salida $ (* '7 $ ( lb6h 0almuera salida $ (lb4&**6(* $ &* lb6h gua entrada$ &**lb6h4*,7$7* lb gua salmuera salida$&*l6h4*,7 $ 7 lb gua salida $ 7*lb 7lb$ )( lb6h >omo la salida de agua es de &**lb6h real, entonces: 0alida salmuera$ &*lb6h4+
100 lb / h 63 lb / h
$&5,<7 lb6h
0alida sal cristali=ada$'7 lb6h4+
100 lb / h 63 lb / h
$ 1',<)
lb6h Entrada salmuera $ &**lb6h4+ lb6h
100 lb / h 63 lb / h
$&5<,7(
@LLE; %L>E AE "@E;B
&.
Cna me=cla de fenol y agua, baDo ciertas condiciones de temperatura y composición forman dos fases líquidas separadas, una rica en fenol y otra rica en agua. (*> las composiciones de las capas superior e inferior son respectivamente 7*? y 8? de fenol. 0i 1* libras y '7 3ilos de agua se me=clan y las capas se separan a (*>, F>u2les son los pesos de cada una de las dos capasG
1 enol $0 lb
3 enol ,0#
2 a'&a 2, .'
'.
$ enol -#
Cna solución que contiene (*? en peso de sal en agua se alimenta a un evaporador. >alcular el porcentaDe de agua evaporada si la solución que sale del evaporador contiene )'? en peso de sal.
2 A'&a
1 salm&era 30# al
(.
3 62# al
Aespués del secado se determina que un lote de piel pesa 8** lb y que contiene 7? de agua. Aurante el secado la piel perdió 58,&? de su peso inicial cuando se encontraba húmeda. a. >alcular el peso de piel Htotalmente secaI o e!enta de humedad en la carga de alimentación. b. >alcular el número de 3ilos de agua eliminada en el proceso de secado por 3ilogramo de piel totalmente seca. c. >alcular el porcentaDe de agua eliminada con base en el agua presente inicialmente.
1 Piel /me
2 Piel /me da -00 lb 3 a'&a
;E>B;>CL>BJ, KC; M "CL@BKLE0 K0/0
1. De2e dise3arse una columna de destilación con el !in de separar una me4cla &ue contiene 567 de $exano % 567 de pentano. La corriente superior de producto de2e contener 857 de pentano mientras &ue los !ondos de2en contener 897 de $exano. La corriente &ue a2andona la parte superior de la torre se condensa: una porción de la corriente condensada se retorna a la columna como re!lu0o; elimin?=masa de producto !inal>> es de 6;9. Calcular' a. Los @g de destilado % !ondos por @g de alimentación. 2. Calcular la relación =@g alimentados al condensador? @g alimentado a la torre> c. calcular el !lu0o m
b. 3g alimentados condensador 6 3g alimentado torre <*,<< 3g 6 &** 3g $ *,<*<< c. OluDo m2sico F si fluDo molar &**3g mol 6 h. -e!ano: >)-&1 $ &'4) # &1 $ <) uma Kentano: >5-&' $ &'45 # &' $ 7' uma
50 >omposición molar pentano $
72 50 72
+
50
$*,511
86
50 >omposición molar he!ano $
86 50 72
+
50
$ *,1557
86
Ng corriente entrada $ 3g pentano #3g he!ano Ng pentano $ &** 3gmol 4 *,511 4
72 kg 1 kg mol pentano
$ (8&), <
3g Ng he!ano $ &** 3gmol 4 *,155 4
86 kg 1 kg mol pentano
3g Ng alimento $ (8&),< 3g # (8&),<3g $ 7<((,) 3g
0i entran 7<((, ) 3g6h y 3g destilado63g alimento $ *,5*55 Ng destilado $ *,5*5547<((,) $ (858,8 3g6h
. %ase de c2lculo: &** 3g de alimentación %alance total: m&$ m1 # m5 &** 3g $ m1 # m5 %alance de he!ano: m&4*,5$ *,*54m1 # *,8)4m5 5* $ *,*5 m1 # *,8)4m5 Aos ecuaciones dos Bncógnitas m1 $ 5*,55 3g m5$ 18,15 3g %alance en el condensador m' $ m( # m1 m' $ m( # 5*,55 3g ;elación refluDo *,) $ m(6m1 m($ *,) 4 5*,55 $ (*,(( 3g m' $ (*,(( 3g # 5*,55 3g $ <*,<< 3g a. 3g fondos63g alimento, 3g destilado63g alimento Ng fondos63g alimento $ 18,15 3g6&**3g$ *,1815 Ng destilado63g alimento$ 5*,556&** $ *,5*55
$ (8&), <
1 gmolCr 2 O 3
*,8'< g >r'/(4
2 gmolCr 2 S 3
4
152 g Cr 2 O 3
2 gmolCr 2 O 3
$ *,**) gmol >r'0( 200 g Cr 2 S 3
*,**) gmol >r'0( 4 BALANCE CN REACCI*N +,-MICA
.
ara !ormar H566 l2 de e#Hse necesitó de 1 tonelada de $ierro. #i se suministran 5 galones de J#H puro cu%a densidad es 1;F g?cm. Calcular' a. El reactivo limitante 2. El porcenta0e en exceso c. El grado de !inali4ación d. Los @ilogramos de J o2tenidos. e ) J#H e#H ) J
Krocesos unitarios Los principales procesos unitarios son: >alcinación, o!idación, reducción, halogenación, hidrogenación, deshidrogenación, nitración, esterificación, sulfonación, hidrólisis, al3ilación, aromati=ación, fermentación, isomeri=ación, polimeri=ación, pirolisis, electrólisis. ;eactivo límite: Aos reactivos est2n en proporción estequimétrica cuando su relación molar es igual a la relación estequimétrica correspondiente. '> # /'
'>/
1 lbmol FeSO 4
15** lb Oe0/1 4
&*** 3g Oe 4
$ &,'' g de >r'0(
1 gmol Cr 2 S 3
$ '8,)( lb mol Oe0/1
151,85 lb FeSO 4 1 lb ∗1 lbmol Fe $ (8,5' lb mol Oe 0,453 kg 55,85 lbdeFe
;elación estequiométrica +o!ígeno6>arbono $ P $ *,5 >uando se me=clan cantidades diferentes a las estequiométricas uno o varios de las sustancias que reaccionan estar2n en e!ceso.
((5 gal -'0/1
g ∗1 kg cc ∗1000 cc 3,785 l 1000 g ∗1,8 1 gal 1l
4
KorcentaDe e!ceso$
$
''<',1 3g -'0/1
1 kgmol H 2 SO 4
Cantidad en exceso−cantidad estequimetrica x 100 cantidad estequiométrica
98 kg H 2 SO 4
''<',1 3g -'0/14
∗1 lb mol
$ 5&,1& lb
0,453 kgmol rado de finali=ación: >uando una reacción es completa, el reactivo limitante se consume por completo y en los productos solo est2 presente el reactivo en e!ceso. 0i la reacción no es completa se define el grado de finali=ación como:
reactivolimitante que reacciona react ivo limitante suministrado
O $
;elación del problema $
%ase de c2lculo: 5(* 3g
1 kgmol Zn
<,& 3g mol > .
$
65,38 kg
1 kg mol deC
1 lbmolFe
$ &
51,41 lbmol H 2 SO 4 39,52 lb mol Fe
$ &,(
El -'0/1 est2 en e!ceso y el Oe es el reactivo limitante. ? en e!ceso $
<,&
3g
mol
Qn
4
51,41 −39,52
(8,5' lb mol Oe 4
$<,& 3g mol > O $
12 kg 1 kg mol deC
39,52
4 &** $ (* ?
1 lbmol FeSO 4
$ (8,5' lb mol Oe0/1
39,52 lb mol FeSO 4 te ó ricos
'8,)( lb mol Oe0/1 4
Cr # ) C
1 lb mol Fe
29,63 lb mol FeSO 4 producidos
$ 87,' 3g
Cu
1 lbmol H 2 SO 4
El grado de finali=ación:
1 kg mol Zn
3g
;elación estequiométrica $
!&**
EDemplos: &. El cinc se o2tiene por la reducción del óxido con ca2ono. ara producir 56 @g de cinc; Cu
5(*
mol -'0/1
'8,)( lb mol -' 4
1 lb mol H 2 1 lbmol FeSO 4 0,453 kgmol H 2 1 lb mol H 2
= 29,63 lbmol H 2
∗2 kgdeH 2
1 kg mol H 2 3g de -'
x 100 $ 75?
$ '),<1
H.
,n convertidor reci2e una carga de 96 ton de un mineral &ue contiene 5H7 en peso de e#. El e# es oxidado mediante un 157 en exceso de ox"geno segGn la reacción' e# ) e ) #
Ba0o un con0unto determinado de condiciones; se o2tiene una conversión del 867 de NJ ; con una alimentación de H6 @g mol?$ de NJ % 96 @g mol?$ de ox"geno =>. Calcular el !lu0o de salida del reactor para cada componente.
0i el grado de finali=ación de la reacción es del <7? calcular: a. La composición en peso de la corriente sólida que sale. b. La composición molar de la corriente gaseosa que sale. )* ton material 4 *,51 $ (',1 ton Oe0 (',1 ton Oe0 4
1 tonmol de FeS 87,95 ton de FeS
$ *,(7 ton mol Oe0
%ase de calculo: & hora
*,(7 ton mol Oe0 4 *,<7 $ *,('' ton mol Oe0 que reaccionan
-( que reacciona$ 1* 3g mol 4 *,8 $ () 3g mol
>omposición en peso corriente sólida$
-( que no reacciona $ 1* 3g mol () 3g mol $ 1 3g mol
*,(7 *,('' ton mol Oe0 que no reaccionó$ *,*1< ton mol Oe0
87,95 tonFeS
*,*1< ton mol Oe0 4
1 tonmol FeS 2 ton mol FeO
*,('' ton mol Oe04 *,('' ton mol Oe/4
2 tonmol FeS 71,85 tonFeO 1 tonmol FeO
5 kgmol oxígeno
/' reacciona $ () 3g mol - (
$ (,5&< ton Oe0
4 kg molamoniaco
$ 15 3g
mol
$ *,('' ton mol Oe/
/' que no reacciona $ )* 3g mol 15 3g mol $ &5 3g mol
4 kg mol NO
/ formado $ () 3g mol - (
$ '(,&1 ton Oe/
4 kg mol amoniaco
$ () 3g
mol
>omposición sólidos: Oe/ '(,&1 ton 1',)? Oe0 (,5' ton ),5? Bmpure=as )* ton 4 +&9*.51 $ '7,) ton 5*,8? @otal: 51,') ton
6 kgmol NO
gua formada$ () 3g mol - (
4 kg molamoniaco
$ 51 3g
mol
>omposición gases *,(7 ton mol
3 ton mol O 2
Oe0
2 tonmol FeS
$ *,555 ton mol /'
estequiometrico ? en e!ceso $ +/' en e!ceso /' e stequio6/' estequio 0e despeDa /' en e!ceso$ /' estequio4+& #
en exceso 100
3 ton mol O 2 2 tonmol FeS
$ *,1<( ton mol /'
reaccionan *,('' ton mol Oe04
2 tonmol SO 2 2 tonmol FeS
$ *,('' ton mol 0/'
>omposición molar gases salida 0/' *,('' ton mol )7,'? molar /' *,)1 *,1<( $ *,&57 ton mol /' (',
El cloro2enceno se !a2rica $aciendo reaccionar cloro seco con 2enceno l"&uido; utili4ando cloruro !Krrico como catali4ador. Existen dos reacciones donde se !orma mono % dicloro2enceno' C9J9 ) Cl C5J5Cl ) Cl
/' en e!ceso $ *,555 ton mol /' 4 +& # &56&** $ *,)1 ton mol /' *,('' ton mol Oe0 4
9.
C9J5Cl ) JCl C9JHCl ) JCl
El 867 del 2enceno !orma monocloro2enceno % 157 de Kste reacciona para !ormar dicloro2enceno. El cloro se suministra en un 67 en exceso del necesario para la monocloración. El JCl % el cloro en exceso a2andonan el reactor como gases. El producto l"&uido o2tenido contiene 2enceno; mono % dicloro2enceno. #o2re la 2ase de 166 l2 de 2enceno alimentado; calcular' a. La masa % composición del producto l"&uido 2. la masa % composición de los gases &ue a2andonan el reactor.
Los procesos modernos para producir
H N ) 9 J
>)-) $ &'4 ) # ) $ 7< uma >)-5>l $ )4&' # 5 # (5,15 $ &&',15 uma >)-1>l' $ &1),8 uma >l'$ (5,15 4 ' $7*,8 uma
->l $ &# (5.15 $ (),15 uma %ase de c2lculo: &** lb +& lb mol benceno6 7< lb mol $ &,'<'
@otal líquidos $ &15,)8 lb ? peso benceno $ 8,8<16&15,)84&**$ ),<5 ? ? peso > )-5>l $ &&*,(6&15,)84&**$ 75,7? ? peso > )-1>l' $ '5,1&6&15.)8 4 &**$ &7,15?
%enceno que reacciona$ &,'<' 4 *,8 $ &,&51 lb mol >)-5>l producido $ &,&51 lb mol >)-5>l reacciona para >)-1>l' $ &,&51 4 *.&5 $ *,&7( lb mol
ases: >loro $ *,'&&1 4 7*,8$ &1,88 lb ->l$ &, ('7 4 (),15 $ 1<,(7 lb
>)-5>l que sale $ &,&51 *,&7( $*,8<& lb mol >)-1>l' formado $ *,&7( lb mol ->l
formado$&,&514
1 lb mol HCl 1 lbmolC 6 H 5 Cl
1 lbmol HCl 1 lbmol benceno
#*,&7(4
@otal gases $ )(,() lb ? en volumen o molar >loro $ +*,'&&16+*,'&&1#&,('74&** ? v6v o molar >loro $ &(,71? ? v6v o molar ->l $ &,('76&,5(<1 $ <),')?
$ &,('7 lb mol
>loro$&,'<' lb mol >)-)
1 lb molCloro 1 lbmol benceno
1.
4 &,' e!ceso$
&,5(<1 lb mol
TALLER En un convertidor catal"tico de una planta de
>loro consumido $ &,&51 # *,&7( $ &,('7 lb mol
.
>loro que sale $ & ,5(<19&.('7 $ *,'&&1 lb mol
Kroducto líquido formado: %enceno$ &,'<' &,&51 $ *,&'<47< $ 8,8<1 lb >)-5>l $ *,8<& 4 &&',15 $ &&*,( lb >)-1>l' $ *,&7( lb mol 4 &1),8 $ '5, 1& lb
BALANCE CN REACCI*N +,-MICA TALLER ARA ENTREAR 1H DE ABRIL 668
1. En un convertidor catal"tico de una planta de
. #e produce un gas com2usti2le &ue c ontiene C ) J en la reacción catal"tica entre propano % vapor de agua' CJF ) J C ) J #e me4cla una corriente de propano &ue !lu%e a 66 moles?mi con un 567 en exceso de vapor de agua; o2teniKndose una conversión en el reactor de 957.
Calcule la !racción molar de J en el producto.
. Es posi2le o2tener el acetalde$"do CJCJ por la des$idrogenación catal"tica de etanol; CJ5J mediante la reacción' CJ5J
CJCJ ) J
curre tam2iKn; sin em2argo; una reacción paralela & ue produce acetato de etilo; CJCCJ5' CJ5J
CJCCJ5 ) J
#uponiendo &ue en un reactor determinado se a0ustan las condiciones; de modo &ue se o2tiene una conversión de etanol de 857; con un rendimiento de F67 de acetalde$"do =67 del acetalde$"do !ormado en la primera reacción reacciona para !ormar acetato>. Calcule la composición del producto del reactor; suponiendo &ue el alimento es etanol puro. H. La remoción del C de una nave espacial tripulada se $a logrado mediante a2sorción con $idróxido de litio de acuerdo a la siguiente reacción' LiJ ) C
LiC ) J
#i un @ilogramo de C es li2erado diariamente por persona; Cu
5. El gas 2ióxido de cloro se utili4a en la industria papelera para 2lan&uear la pulpa producida en un molino ra!t. El gas se produce $aciendo reaccionar clorato de sodio;
9Cl ) 9NaJ#H ) C
Determine los !lu0os de masa necesarios para producir 16 toneladas por $ora de Cl; suponiendo &ue se o2tiene una conversión del 867.
