UNIVERSIDAD DE EL S SALVADOR ALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA Y DE INGENIERIA DE ALIMENTOS BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
GUIA DE DISCUSION NO. 1, CICLO V
1ª PARTE:ESTEQUIOMETRIA y REACCION QUIMICA Relaciones Estequiométricas, Proporción Estequiométrica,
Problema 1. Comprobar el balance de conservación de la masa de las siguientes reacciones químicas. Verificar además, el balance en función de los l os atomo-gr de cada especie.
a)
HNO3 + K2CO3 KNO3 + CO2 + H2O
b)
SO2 + O2
SO3 1
c)
C4H8 + O2 CO2 + H2O
d)
CaCO3
e)
NO
f)
FeS + O2
CaO +
O2
+
CO2
N2O4 Fe2O3 +
SO2
Establecer además las RELACIONES ESTEQUIOMETRICAS, ESTEQUIOMETRICAS, entre las sustancias sustancias participantes en las reacciones dadas y expresarlas como FACTORES DE CONVERSION y como una PROPORCION ESTEQUIOMETRICA.
Problema 2. Para la combustión del propano, verifique el balance de la ecuación estequiométrica y determine los moles teóricos que se requieren de aire atmosférico, para reaccionar con 5 Kgmol de propano, indique indique además los Kgmol Kgmol de cada uno de los productos que se generarían.
C3H8+ O2
CO2 + H2O
Problema3. El óxido crómico reacciona con disulfuro de carbono para f ormar sulfuro crómico y dióxido de carbono, balancear la reacción y determinar:
Cr 2O3 +CS2
Cr 2S3 +CO2
a.
La proporción estequiométrica entre reactantes y entre reactantes y productos.
b.
La cantidad de sulfuro crómico formado a partir de 2,928 g de óxido crómico.
c.
Los moles de dióxido de carbono formados por mol de óxido crómico.
e.
Cantidad teórica de reactantes que se necesita para formar 500 g de Cr 2S3.
2ª Parte:CONCEPTO DE: PUREZA, IMPUREZAS, MATERIALES INERTES. RENDIMIENTO DE REACCIÓN, CONVERSIÓN y GRADO DE CONVERSIÓN, CONVERSIÓN FRACCIONARIA. FRACCIONARIA. REACTIVO LIMITANTE, LIMITANTE, REACTIVO EN EXCESO EXCESO y
PORCENTAJE DE EXCESO . COMPOSICION BASE HUMEDA Y BASE SECA. BASE DE CÁLCULO Y CAMBIO DE BASE.
Problema nº 4 La cal viva (Oxido de Calcio), tiene amplias aplicaciones en la industria, entre éstas para: preparación de nixtamal de maíz, aditivo en la industria de la construcción, clarificante en la producción de azúcar de caña, etc. Esta se fabrica en El Salvador en las caleras de Metapán, por descomposición de la caliza en hornos a 900°C, siendo la composición típica de la caliza: CaCO 3, 89.52%; MgCO3 3.16%, 6% humedad y un 1.32 % de material inerte. Para las reacciones planteadas, determinar para un 100% de conversión.
CaCO3(S)
CaO(S) +
CO2(g)
MgCO3(s)
MgO(s)+
CO2(g)
a)
¿Cuántas lbs de óxido de calcio (cal viva) pura, podrían obtenerse de 4 toneladas de piedra caliza quemada en hornos a 900°C?
b)
¿Qué tipo, cantidad y que % de impurezas quedan en la cal formada?.¿Cuántas Ton de Carbonato de calcio y de piedra caliza se requieren para obtener 1 ton de cal impura?
c)
Cuántas lbs de dióxido de carbono se liberan a la atmósfera por cada libra de esta piedra caliza?
d)
Investigue que problemas de contaminación atmosférica genera el CO 2 y determine los metros cúbicos emitidos a la atmósfera, de este gas, por cada tonelada de piedra caliza.
Problema 5. Se suministra a un reactor 200 Kg de NH 3 y 650 Kg de O 2, los que reaccionan para formar Monóxido de Nitrógeno y agua, toda la reacción es en estado gaseoso. Determinar:
NH3 + O2 a)
2O
El reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje de exceso
b)
El grado de conversión de la reacción si se obtienen 300 Kg de monóxido de nitrógeno.
c)
La composición en peso de los gases a la salida del reactor.
Problema nº 6. El fosgeno se puede producir mediante la reacción catalítica entre CO y el gas cloro en la presencia de un catalizador de carbono. La reacción química es:
CO + Cl2
2
Suponga que ha determinado los productos de la reacción de un reactor dado y encontró que están compuestos por 3 kgmol de cloro, 10 kgmol de fosgeno y 7 kgmol de CO. Calcule lo siguiente: a)
El porcentaje de reactivo en exceso.
b)
La conversión en porcentaje del reactivo limitante.
c)
Los kgmol de fosgeno formado por kgmol de reactivos alimentados al reactor.
Problema 7. En la oxidación del oxido nitroso (NO) a tetraóxido de Nitrógeno (N2O4) se suministra una mezcla equimolar de NO y O 2. Para una conversión del 75% determinar:
2NO +
O2
N2O4
a)
El reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje de exceso.
b)
La relación de moles producidos de N 2O4 por moles suministrados de NO.
c)
Los Kg a suministrar de NO para producir 2,000 Kg de N2O4.
Problema 8.. La fabricación electrolítica del cloro gaseoso a partir de una disolución de cloruro de sodio tiene la siguiente reacción
2 NaCl(ac)
+
2H2O(l)
2NaOH(ac)
+
H2(g) +
Cl2(g)
a.
Determinar los Kg de Cloro que se producen a partir de 10 m 3 de una disolución salina que contiene 15% peso de cloruro de sodio, si se sabe que densidad relativa de la dilución es de 1.07 . Todo para un grado de conversión del 75%.
b.
Determinar el porcentaje que se está utilizando del reactante en exceso.
c.
¿Cuál es la composición de la solución líquida final y de la corriente gaseosa
PROBLEMA 9. El etanol (C2H5OH ) se puede obtener por hidratación del etileno (C 2H4), proceso en el cual parte del producto se convierte en dietileter (C2H5)2O, en una reacción secundaria así:
C2H4 +
H2O
C2H5OH
C2H5OH (C2H5)2O
+
H2O
Al reactor se alimenta una mezcla de (etileno:agua:material inerte), en una proporción molar de 3:5:0.1. Se logra una conversión del etileno del 90% y de un 5% del etanol . Determinar: a-El reactivo limitante. b-El reactivo en exceso y su porcentaje. c-La selectividad de etanol a eter. d-El rendimiento de producción de etanol. e-La composición a la salida del reactor.
Problema nº 10. En el proceso Deacon para la fabricación de cloro, se hace reaccionar HCl y O 2 para formar Cl2 y H2O. Se alimenta con suficiente aire para proporcionar 25% de exceso de oxigeno; la conversión fraccionaria del HCl es del 70%. Calcule las fracciones molares de los componentes de flujo de los productos.
2HCl(g)
+
½ O2(g)
Cl2(g) +
H2O(g)
Problema nº 11. Se puede considerar un alto horno desde un punto de vista sencillo como un proceso donde Fe2O3(s) + 3C(s) la reacción principal es (s) + 3CO(g)
No obstante ocurren otras reacciones laterales indeseables, principalmente:
Fe2O3(s) + C(s) 2FeO(s) + CO(g)
Después de mezclar 600 lb de carbón con 1.0 Ton de oxido de hierro puro, Fe 2O3, el proceso produce 1,200 lb de hierro puro, 183 lb de FeO, Calcule: a)
El porcentaje de carbón en exceso suministrado, basado en la reacción principal.
b)
El porcentaje de conversión de Fe 2O3 a Fe.
c)
Las libras de carbón agotadas y las libras de CO producidas por tonelada de Fe 2O3 cargada.
d)
El porcentaje de conversión total del Fe 2O3.
e)
La selectividad de Fe a FeO.
Problema nº 12. El sulfato de amonio se usa como fertilizante. Un método de fabricación del compuesto se basa en la siguiente secuencia de reacciones en agua:
2NH3(V) + H2O(v) + CO2(g)
(NH4)2CO3(ac) + CaSO4(ac)
(NH4)2CO3(ac)
(NH4)2SO4(ac) + CaCO3(ac)
El grado de conversión del amoníaco es de 0.95, el C0 2 entra con un 25% en exceso; los gases y vapores del primer reactor se separan antes de entrar los demás componentes al segundo reactor, donde el Carbonato de Amonio entra con un 25% de humedad. En el segundo reactor se agrega sulfato de calcio en suspensión acuosa. Después de que tiene lugar la reacción, la suspensión acuosa final se filtra. El análisis revela los siguientes datos en porcentajes en peso: Filtrado: 0.5% (NH4)2CO3, 5.5% (NH4)2SO4, 94.0% H2O.
Sólidos: 8.2% CaSO4, 91.8% CaCO3. Determine a)
El reactivo limitante, grado de conversión y porcentaje de reactivo en exceso en el segundo reactor
b)
Cantidad de agua que entra al segundo reactor
c)
Cantidad de Amoníaco utilizada para una producción de 5 TM del fertilizante y Rendimiento de producción del fertilizando con relación al amoníaco entrando.
Problema nº 13 La reducción del mineral magnetita Fe 3O4, a hierro metálico, puede efectuarse haciendo reaccionar al mineral con gas hidrógeno. Las reacciones que ocurren son:
Fe3O4 + H2 3FeO + H2O FeO + H2 Fe + H2O Cuando se alimentan a un reactor 4 mol/h de H 2 y 1 mol/h de Fe3O4, se obtiene una descarga en estado estable de 0.1 mol/h de magnetita y 2.5 mol /h de Fe junto con otras sustancias. Calcule: a)La descarga completa del reactor. b)La conversión fraccionaria de Magnetita. c)La selectividad de Fe a FeO.
Problema 14. Un método común para la fabricación de blanqueador de hipoclorito de sodio es la reacción:
Cl2
NaCl + NaOCl + H2O
El cloro gaseoso se burbujea por una disolución acuosa de hidróxido de sodio, después de lo cual el producto deseado se separa del cloruro de sodio (un producto secundario de la reacción). Una disolución de NaOH en agua que contiene 1145 lb de NaOH puro se hace reaccionar con 851 lb de cloro gaseoso. El NaOCl formado pesa 618 lb.
a) ¿Cuál fue el reactivo limitante? b) ¿Cuál fue el porcentaje de exceso del reactivo en exceso empleado? c) ¿Cuál fue el rendimiento de la reacción, expresado como la razón de los moles de NaOCl formados y los moles que se habrían formado si la reacción hubiera llegado a su término? d) ¿Cuál es el rendimiento de NaOCl respecto a la cantidad de cloro usada (sobre una base de porcentaje)?
Problema nº 15. El análisis del gas (% mol) obtenido a partir de la combustión de carbón puro en exceso de oxígeno es: CO 2: 75%, CO: 14%, O2: 11%. ¿Cuál fue el porcentaje de oxígeno usado en exceso? ¿Cuál fue el rendimiento del dióxido de carbono en kg de CO 2 por kg. de C quemado?
PROBLEMA 16. El ácido sulfúrico puede fabricarse por el proceso de contacto de acuerdo a las siguientes reacciones, ocurridas cada una en etapas diferentes del proceso, en la secuencia indicada:
S
+
O2
SO2
(1)
SO2
+
½ O2
S03
(2)
SO3
+
H2O
H2SO4
(3)
Como parte del diseño preliminar de una planta de ácido sulfúrico se proyecta una capacidad de 2000 TM/día a 60°Be (grados baumé) equivalente al 93.2% en peso. Para un porcentaje de conversión del 95, 90 y 93% en su orden en cada una de las reacciones
planteadas. En las cuales los reactivos en exceso son aire o agua, según corresponda. Calcular: a.
Las toneladas métricas de azufre puro y de mineral de azufre que necesita diariamente para el funcionamiento de la planta, si el grado de pureza del mineral de azufre el del 85%.
b.
Cuántos m3/h de aire atmosférico se necesita a condiciones ambientales, si se suministra el O2 en un 50% de exceso en la reacción 1 y en un 25% de exceso en la reacción (2).
c.
Cuántas m3/h de agua se suministran en la etapa de la reacción (3), y cual es el porcentaje de exceso utilizado.
d.
Las toneladas métricas al día que se generan de los gases contaminantes SO 2 y SO3. Investigue que problemas en el medio ambiente y en la salud causan éstos óxidos de azufre.
PROBLEMA 17. Las plantas de fabricación del ácido sulfúrico contribuyen al problema de la contaminación atmosférica por la emisión de óxidos de azufre (SO 2, SO3); sin embargo, la misma producción de ácido sulfúrico puede aprovecharse para atacar el problema. Por ejemplo se puede obtener ácido sulfúrico como subproducto de la extracción de Zn de sus minerales de sulfuros. El análisis del mineral indica 65% en peso de ZnS y 35% de impurezas.
El mineral se tuesta en un horno y el SO 2 resultante se convierte a SO3 en un reactor catalílico para luego ser absorbido en agua para formar el Acido Sulfúrico, obteniéndose como producto final 98% en peso del ácido con 2% de agua. Recuperándose en el ácido un 97% del azufre presente en el mineral, con las siguientes reacciones:
ZnS +
3/2O2
ZnO +
SO2
+
1/2O2
S03
SO3
+
H2O
H2SO4
SO2
El grado de conversión de la segunda y tercera reacción el de 0.95 y 0.96 respectivamente y el oxígeno entra en ambas etapas con un 35% en exceso. a.
Calcular la cantidad en Kg de ácido sulfúrico al 96% que se obtiene en una planta que procesa 200 TM diarias de mineral.
b.
Determine cantidades de agua y oxígeno que se consumen y las cantidades que entran al proceso.
c)
Determine el reactivo limitante y % en exceso de la tercera reacción
PROBLEMA 18. Una mezcla de Metano y vapor de agua a 500°C y 101.325 KPa se suministra a un reactor catalítico de producción de gas hidrógeno. Los gases de salida tienen una composición en % mol de 62.75% Hidrógeno, 17.25% monóxido de carbono, 2.75% dióxido de carbono y 17.25% vapor de agua. Determinar de acuerdo a las reacciones que ocurren:
CH4
+
H2O
CO
+
H2
CO
+
H2O
CO2
+
H2
a.
El grado de conversión del Metano.
b.
La relación molar de vapor de agua a metano alimentada.
c.
El porcentaje del reactivo utilizado en exceso.
d.
El rendimiento de la reacción.
e.
El flujo volumétrico de gases reactantes alimentados a 1 atm y 500°C, para una producción de 500 Kgmol/hora de gases secos .
PROBLEMA 19. 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. La alimentación al reactor contiene cantidades equimolares de metano y oxígeno
a-
CH4
+
O2
HCHO
+
H2O
CH4
+
2 O2
CO2
+
2 H2O
Si la conversión fraccionaria del metano es del 95% y el rendimiento fraccionario del formaldehído es del 90%, calcular la composición molar del flujo a la salida del reactor y la selectividad de la producción del formaldehído con respecto a la producción de dióxido de carbono.
b- El flujo a la salida del reactor contiene 45% en mol de formaldehído, 1% de dióxido de carbono, 4% metano y el resto oxígeno y agua. Calcular la conversión fraccionaria del metano, el rendimiento fraccionario de formaldehídoy la selectividad de producción del formaldehído con respecto a la producción de dióxido de carbono.
PROBLEMA 20. Un gas natural contiene metano en un 95% e hidrógeno en un 5% mol, el cual se quema con aire en 50% en exceso. a. En combustión completa y 100% de conversión de ambos gases, determinar la composición de los gases de salida. b. En combustión incompleta con 90% de conversión del metano a CO 2 y 10% a CO y 100% de conversión del hidrógeno.
Problema 21. En el proceso de la pulpa por el método del sulfato, el licor de cocción alcalino se produce por las reacciones:
Na2SO4
+
4C
Na2S
+
4CO
Na2S +
CaO +
H2O
NaOH
+
CaS
Después de ocurrir la primera reacción, el sulfuro de sodio se extrae por lixiviación de la masa y la disolución se trata con cal viva (CaO) en forma de suspensión de lechada de cal de modo que en realidad el reactivo es Ca(OH) 2.El precipitado de CaS y Ca(OH) 2sin reaccionar se lava durante el filtrado y se retira.
Se ha encontrado que se forman 12.7 lb de precipitado por cada 100 lb de licor de cocción preparadas. El análisis del precipitado esCaS: 70.7%, Ca(OH) 2:23.4% y CaCO3: 5.9%, este último presente como impureza en la cal empleada. El análisis del licor de cocción es NaOH: 10.0%, Na 2S 2.0% y H2O: 88%. Calcule: a) el porcentaje de exceso de cal usado. b) el porcentaje de conversión de la reacción. c) La composición de la cal empleada.
PROBLEMA 22. Un combustible en mezcla de propano butano con una relación molar de 7:3, se quema en un horno resultando una combustión incompleta del propano en 95% a dióxido de carbono y 5% a monóxido de carbono y del butano con 90% a dióxido de carbono y 10% a monóxido de carbono. a. Determine el % de exceso de aire utilizado si la composición de los gases de salida es en % mol O2: 11.231%; N2: 76.45%; CO2: 4.985 % ; CO: 0.365 y H 2O: 6.971 % b. Calcule la composición de los gases de salida en base seca.
PROBLEMA 23. Un carbón que contiene 87% de carbono total, 7 % de hidrógeno no oxidado, 4% humedad y 2% materia inerte; se quema con aire. Si se utiliza un 40% de exceso del aire necesario teóricamente, calcúlese el número de libras de aire empleado por libra de carbón cargado. Calcular además la composición en peso de los gases húmedos y del residuo sólido que salen del horno en combustión incompleta, para un grado de conversión global del carbono es del 95%, con 90% en la combustión completa.
PROBLEMA 24. Un combustible formado por metano (CH 4) y etano (C2H6) con un 3% peso de material inerte, se quema con 125% de aire en exceso. En los productos de combustión se contabilizan 504.5 grmol de dióxido de carbono y 5 grmol de monóxido de carbono. Si el metano se consume en un 98% en combustión completa, el resto no reacciona y el etano en un 90% en combustión completa y un 10% en combustión incompleta. DETERMINAR: a.
La composición del combustible alimentado en % peso.
b.
La composición de los gases de la salida en base seca.
c.
El % de humedad de los gases a la salida.
Problema 25 Biogas generado en un proceso de digestión anaeróbica con bacterias metanogénicas, contiene Metano, Hidrógeno y dióxido de carbono, este último en un 2 % mol. El biogas se utiliza como gas de cocina, en donde se quema con aire en un 150% en exceso, resultando el metano en un 95% en combustión completa y un 2 % en combustión incompleta. Los productos de la combustión contienen 972 grmol/l de CO 2 y 20 grmol/L de CO. DETERMINAR: a.
La composición del combustible alimentado en % peso.
b.
La composición de los gases de la salida en base seca.
c.
El % peso de humedad de los gases a la salida.
PROBLEMA 26. Un combustible a base de carbón tiene la siguiente composición en peso, base seca. C: 83.05%, H: 4.45%, O: 3.36%, N: 1.08%, S: 0.7%, ceniza 7.36%; con un contenido de humedad del 3.9%. Para un exceso del 45% de oxígeno y 80% de conversión en combustión completa y 10% incompleta, determinar: a.
La composición del combustible en base húmeda.
b.
La composición de los gases de chimenea, base seca y base húmeda.
c.
La composición de los residuos sólidos.
Problema 27. Se prepara una solución al 20% p/p de sacarosa (C 12H22011) en agua, utilizando 100 Kg de sacarosa al 98% de pureza. La sacarosa, luego se hidroliza para obtener los azúcares fermentables (C6H12O6) glucosa, fructosa, lográndose una conversión del 97%, ver rx n. 1.
En otra etapa, la mezcla hidrolizada se fermenta anaerobicamente, para producir alcohol etílico (C2H5OH), según la reacción 2, con un conversión de 0.98.Por un descuido en el control del tiempo de esta etapa, un 2% del etanol formado se convierte en ácido acético CH3COOH),al reaccionar con oxígeno remanente, ver rxn 3.
C12H22011
+
C6H12O6 C2H5OH
+
H2O
2 C6H12O6
(1)
C2H5OH
+
(2)
O2
CH3COOH
CO2 +
H2O
(3)
DETERMINAR: a-
La cantidad de agua agregada para preparar lasoluciónazucarada.
b-
El exceso de agua utilizada en la reacción de hidrólisis.
c-
La composición el peso del producto del hidrolizado.
d-
La composición en peso del producto final a la salida del fermentador (no tome en cuenta las corrientes de gases, oxigeno y dióxido de carbono).
e- El rendimiento de producción de etanol con respecto a la sacarosa utilizada. f-La selectividad de etanol a ácido acético. g-Si el dióxido de carbono del proceso de fermentación se recupera para producir hielo seco, determinar los m 3/día que se envían de CO 2, a dicho proceso a condiciones ambientales.
Problema 28. A un reactor se alimenta una mezcla de Etano (C2H6) con cloro gaseoso (Cl 2) más inertes en una relación molar de 7:10:0.2 . El etano reacciona con el cloro para formar cloroetano
(C2H5Cl) y ácido clorhidrico (HCl) con una conversión del 95%, luego en una reacción secundaria un 3% del cloroetano reacciona con el cloro para formar dicloroetano (C2H4Cl2)y ácido clorhídrico.
C2H6 + Cl2
C2H5Cl
+
C2H5Cl
Cl2
+
C2H4Cl2
HCl
+
HCl
DETERMINAR: a)
El reactivo limitante, El reactivo en exceso y su % exceso.
c)
La selectividad de cloroetano a dicloroetano
d)
El rendimiento del proceso
e)
La composición mol a la salida del reactor.
PROBLEMA 29. Un combustible a base de octano líquido (C 8H18) con un 3% peso de material inerte, se quema con 145% de aire en exceso. Si en un volumen dado de los productos de combustión se contabilizan, 5000 gr de dióxido de carbono 150 gr de monóxido de Carbono y 200 gr de octano, determine: a.
La masa de combustible alimentada en Kg.
b.
El grado de conversión parcial y global en el proceso.
c.
El volumen de aire alimentado en litros a condiciones Standard.
PROBLEMA 30. Un combustible formado por una mezcla de etano (C 2H6) ,propano (C3H8) y butano (C4H10), entrando en relación molar de 40:50:30 respectivamente, se quema con 70% en exceso de aire. El propano y el butano, se queman totalmente en combustión completa ; mientras que el etano se quema en un 90% a CO 2 y 3% para combustión incompleta. Determinar: a)
La composición mol de los gases en la salida en base seca
b)
El porcentaje peso de humedad de en los gases de salida.
c)
Cuántos kg de mezcla de combustible requiere para 1000 kg de gases secos a la salida?. C2H6 +
O2
→
CO2
+
H2O
C2H6 +
O2
→
CO
+
H2O
C3H8 +
O2
→
CO2
+
H2O
C4H10 +
O2
→
CO2
+
H2O
PROBLEMA 31. El oxido de etileno se genera a partir de la oxidación parcial de etileno con aire, sobre un catalizador de plata, ocurriendo la reacción principal
C2H4 +
O2
→
C2H4O
Y la reacción secundaria
C2H4 +
O2
→
CO2 +
H2O
Si al reactor se alimenta una mezcla de ETILENO:AIRE en una proporción en masa de molar 100:800 con un grado de conversión del 93% en la primera reacción y del 4% en la segunda reacción. DETERMINAR: a)
El reactivo limitante
b)
El reactivo en exceso y su porcentaje
c)
La conversión global del proceso
d)
El rendimiento de reacción
e)
La selectividad de oxido de etileno a dióxido de carbono
PROBLEMA 32. Para la producción de Acido Nítrico, se describen acá, solamente, las dos primeras etapas del proceso, en donde se requiera generar NO2 a partír de la oxidación de amoníaco.
En el primer reactor, se alimenta amoníaco y aire atmosférico, ocurriendo dos reacciones; con un 89% la conversión de amoníaco a óxido nitroso y en la reacción secundaria se dá en un 8% la conversión a nitrógeno.
Posteriormente en un segundo reactor el óxido nitroso formado se oxida en un 96% a NO2. Si al proceso se alimentan 250 Kgmol de amoniaco y 1,125 Kgmol de oxígeno, procedente del aire, determinar, para ambos reactores.
A) El reactivo limitante B) El reactivo en exceso y su % de exceso C) El grado de conversión global del amoníaco. D) La selectividad de NO respecto al N2.
PRIMER REACTOR
NH3
+
O2G
NO
+
H2O
NH3
+
O2G N2 + H2O
(1)
(2)
SEGUNDO REACTOR
NO
+
O2G NO2
(3)
Problema 33. El dióxido de titanio (TiO2) es el pigmento blanco de mayor uso en la industria de pinturas, el mismo se obtiene a partir de mineral de ILMENITA, el cual contiene Titanio en un 23.4%, la ilmenita está presente en la naturaleza como una mezcla de FeTiO 3, Fe2O3, con un 1.5% peso de material inerte.
En una PRIMERA ETAPA el mineral de ilmenita se digiere en solución de ácido sulfúrico al 82% peso con un 75% en exceso del ácido, logrando una conversión del 90%, para cada una de las dos reacciones dadas:
FeTiO3
+
Fe2O3
H2SO4
+
(TiO)SO4
H2SO4
+
Fe2(S O4)3
FeSO4 +
+
H2O
H2O
Los sulfatos de hierro son separados del proceso junto con el material inerte y el material que no reaccionó, excepto el ácido sulfúrico y agua remanentes, quedando una suspensión acuosa en medio ácido de sulfato de titanilo (TiO)SO4, el cual entra a una SEGUNDA ETAPA
En la SEGUNDA ETAPA, se le agrega más agua para hidratarlo y obtener H 2TiO3, y la regeneración del ácido sulfúrico, de acuerdo a la reacción dada, que alcanza un grado de conversión del 98%:
(TiO)SO4
+
H2O
H2TiO3
+
H2SO4
De esta etapa ácido sulfúrico al 70% peso es separado del proceso y el resto de lo materiales libres de agua y ácido, son enviados a una TERCERA ETAPA para la obtención del pigmento por eliminación térmica de agua, mediante la reacción dada, con una conversión del 97%, para obtener el pigmento blanco seco pero con las impurezas que arrastró de los materiales que no reaccionaron desde la etapa anterior.
H2TiO3
TiO2
+
H2O
DETERMINAR, para un proceso de al que entran 20,000 Kg de mineral al día: a.
La cantidad en m3, de ácido sulfúrico utilizado en la primera etapa, densidad relativa de ácido al 82% es de 1.73.
d.
b.
Las cantidades de materiales que entran a la segunda etapa, provenientes de la etapa
c.
La cantidad de ácido sulfúrico recuperado en la etapa 2, si este sale al 67% peso y el % de exceso de agua utilizada en la reacción de esta etapa.
Los Kg/h de pigmento blanco obtenido, su pureza y rendimiento de producción.
PROBLEMA 34. La sal de mesa, se obtiene por evaporación del agua de mar, denominada sal solar, con una pureza del 93% como NaCl, siendo las impurezas presentes CaCO 3 (0.79%), MgCl2 (1.35%), FeCl3 (0.84%) y KCl (0.73%), el resto es humedad en la sal.
Las impurezas de Magnesio y Hierro, dan sabor amargo y color rojizo a la sal, respectivamente, por lo que deben eliminarse y obtener así sal refinada. El carbonato de calcio y el cloruro de potasio, no es necesario removerlos porque constituyen otros nutrientes al ingerir la sal.
Para la remoción de los compuestos de hierro y magnesio, se prepara una solución en una relación en peso de 1:4 de sal solar en agua, y se realiza un tratamiento con NaOH, en un 50% en exceso, ocurriendo las reacciones dadas, con un 95% de conversión, la del cloruro de magnesio y en un 100% la del tricloruro de hierro II.
MgCl2 +
NaOH
FeCl3 +
NaOH
Mg(OH)2 + NaCl
Fe(OH)3 + NaCl
→
→
El hidróxido de magnesio y el hidróxido de hierro formados, se eliminan en forma de flóculos, el material floculado arrastra el hidróxido de sodio remanente y es removido por sedimentación, en forma de lodos con un 25% de humedad.
Mientras que el cloruro de sodio y los demás componentes que no flocularon, quedan en suspensión, para una posterior evaporación, centrifugación y secado hasta eliminar el agua remanente, y obtener así la sal refinada seca.
Determinar: a.
Los Kg NaCl y de sal refinada que se obtienen si se someten al proceso 10,000 Kg de sal solar impura.
b.
La composición en peso seco de la sal refinada.
c.
La pureza de la sal refinada.
d.
El Rendimiento de producción expresado como : masa de sal refinada/masa de sal solar.
e.
La masa de lodos de impurezas eliminados.
f.
La cantidad de agua que es necesario remover para secar el producto final.
PROBLEMA 35. En la refinación de sal común, se parte de 1000 Kg de sal cruda de composición en porcentaje peso base seca de 95.91% NaCl; 0.98% FeCl 3; 1.54% MgCl2 y 1.57% otras impurezas no objetables. Se aplica tratamiento en solución acuosa con NaOH en un 30% en exceso , para eliminar las impurezas de las sales de hierro y de magnesio, ocurriendo las siguientes reacciones.
MgCl2 +
NaOH
FeCl3 +
NaOH
Mg(OH)2 + NaCl
Fe(OH)3 + NaCl
→
→
Si en la suspensión generada después del tratamiento químico y previo a su separación, se determinan 0.196 Kg de Tricloruro de hierro y 9.21 kg de Hidróxido de magnesio. Determinar:
a)
El porcentaje de impurezas de la sal cruda en base seca.
b)
El grado de conversión de las dos reacciones planteadas
c)
La cantidad de hidróxido de sodio entrando al proceso de tratamiento.
d)
Composición peso base seca de la suspensión formada en el tratamiento.
e)
Si en tratamientos posteriores se separan el NaOH remanente, los flóculos formados de Hidróxido de Magnesio e Hidróxido de hierro y el agua. Determine: -La cantidad y Rendimiento de Producción de la Sal la refinada en base seca con respecto a la Sal cruda entrando. -La cantidad y porcentaje de impurezas remanentes en la sal refinada.
NAOH EN SOLUCIÓN 30% EN EXCESO
E B
OTROS TRATAMIENTOS
3ª Parte.
BALANCE DE MASA SIN REACCION QUIMICA
PROBLEMA 3-1. A un proceso de secado se alimentan 5 TM de azúcar con un contenido de humedad del 1.5%, si se requiere reducir la humedad hasta un 0.2%, determine la cantidad de azúcar seca obtenida y la cantidad de agua eliminada.
PROBLEMA 3-2. Determinar la humedad final que queda en un proceso de secado de sal refinada, en el cual se reduce en contenido de humedad en un 99.5%, si se parte de sal al 2% de humedad.
PROBLEMA 3-4. Se requieren obtener en una hora de operación 1,500 kg de un fertilizante con una humedad final de 0.5%, Determine que cantidad de fertilizante se alimenta al proceso con una humedad inicial del 2.75% peso.
PROBLEMA 3-5. Para preparar una solución de ácido sulfúrico al 50.0%, se refuerza un ácido residual, diluido que contiene 28% de H 2SO4 con un ácido comprado que contiene 96.0% H 2SO4. ¿Cuántos kilogramos de ácido concentrado se tienen que comprar por cada 100kg de ácido diluido?
PROBLEMA 3-6. ¿Cuántos kilogramos de CaCl 2.6H2O se deben disolver en 100 kg de agua a 20º C para formar una solución saturada? La solubilidad del CaCl 2 en agua a 20º C es 0.744 kg de CaCl2 por kilogramo de agua.
PROBLEMA 3-7. La solubilidad del sulfato de manganeso anhidro a 20º C es 62.9 g/100 g de H 2O. ¿Cuánto MnSO4.5H2O se debe disolver en 100 lb de agua para dar una solución saturada?
PROBLEMA 3-8. Agua salina, que contiene 3.5% en peso de sal (cloruro de sodio, NaCl), pasa a través de una serie de 5 evaporadores. En cada una de las 5 unidades se evapora aproximadamente la misma cantidad de agua, que después se condensa y combina para obtener un flujo de productos que es agua pura. La salmuera a la salida del último evaporador contiene 5% en peso de NaCl. Si al proceso se alimentan 30,000 Kg/h de agua salina, calcule el porcentaje en peso de sal a la salida del 2° y 4° evaporador y el rendimiento fraccionario de agua pura.
Problema 3-9. Las fresas contienen alrededor del 15% sólidos y 85% agua . Para preparar mermelada de fresa , se mezclan fresas trituradas con azúcar en una relación en peso 45:55, la mezcla se calienta para evaporar el agua hasta que el producto contiene una tercera parte de agua en masa. Esquematice el diagrama de flujo del proceso y calcule cuantos kg de fresas frescas se necesitan por 100 Kg de mermelada producido.
Problema 3-10. Una unidad de destilación que consiste en dos columnas se alimenta con una mezcla líquida que contiene el 30% mol de benceno (B), 25% de tolueno (T) y 45% de Xileno (X), a una velocidad de 1275 Kmol/h. El producto inferior de la primera columna contiene 99% mol de X y nada de B; en este flujo se recupera el 98% de X de la alimentación. El producto superior de esta columna alimenta la segunda columna. En el producto superior de la segunda columna se tiene 99% mol de B y nada de X. El benceno recuperado en este flujo representa el 96% de B en la alimentación a esta columna.. Calcular las velocidades de flujo molar (kgmol/h) y las fracciones molares de los componentes en las diferentes corrientes del sistema.
PROBLEMA 3-11.
Una solución de NaCl al 50% se debe concentrar en un evaporador de triple efecto como el que se muestra en la figura. (Cada evaporador individual se conoce como efecto). En cada efecto se evapora una cantidad igual de agua. Determine la concentración de salida del efecto 2 si los contenidos internos de tal efecto se mezclan de manera uniforme a fin de que la corriente de salida tenga la misma composición que las de los contenidos internos del efecto 2. Las líneas de corriente en cada efecto están separadas por completo de los contenidos del evaporador de tal modo que no ocurra la mezcla de la corriente con los contenidos.
CONDENSADOR
50,000 LB/HR SOLUCIÓN DE NACL AL 50%
Problema 3-12. El azúcar de caña (sacarosa), luego de cristalizado se separa de las melazas por medio de una centrífuga de donde sale con un contenido de humedad del 1 %; para llevarla al mercado se debe bajar ese contenido de humedad en un secador rotatorio con aire en contracorriente. a-
Determine para una alimentación de 1000 Kg de azúcar húmeda al secador, cual será el contenido de humedad del azúcar seco si se retira el 98% del agua del azúcar húmedo.
b-
Calcular el cociente de Kg de agua retirada por Kg de azúcar húmeda sometida al proceso.
c-
Cuántos qq de azúcar diaria se seca por 1000 TM/día de azúcar húmeda procesada.
PROBLEMA 3-13. Se preparan 75 Kg de una bebida refrescante de fresa, a partir de azúcar, agua y un jarabe concentrado conteniendo 80% de sabor de fresa, 5% aditivos, 15 % agua; para que la bebida refrescante contenga azúcar en un 6% y sabor de fresa en 25%. Determinar: a)
Las cantidades de concentrado, agua y azúcar mezcladas.
b)
La composición final de la bebida refrescante.
PROBLEMA 3-14. Una batería de 3 evaporadores se utiliza para concentrar un jarabe con un 15%peso de sólidos solubles hasta un 65% peso, en el segundo evaporador se evapora el doble de agua que en el primer evaporador y en el tercer evaporador se evapora 3 veces la cantidad de agua evaporada en el primero. Si al proceso se alimentan 25,000 kg del jarabe al 15%, determinar: a)
La cantidad total de agua evaporada y el agua evaporada en cada evaporador.
b)
La masa total de jarabe concentrado al 65%
c)
La fracción peso del jarabe a la salida del primer y del segundo evaporador.
Problema 3-15. El jugo de naranja fresco contiene 12% en peso de sólidos y el resto es agua. Al concentrarlo se requiere llegar hasta el 42% de sólidos. El proceso realizado en una sola etapa causa pérdida de volátiles del jugo con la consecuente pérdida del sabor del mismo; por lo que se recomienda concentrar una parte hasta un 58% de sólidos y derivar una corriente de jugo fresco de la alimentación, para su posterior mezcla hasta el 42%.
Calcular la cantidad de concentrado producido por 100 Kg de jugo fresco alimentado al proceso y la fracción de jugo fresco que se deriva en el mismo.
PROBLEMA 3-16. La leche descremada se prepara por remoción de parte de la grasa de la leche entera. La composición final de un preparado comercial es 90.5% agua, 3.5% proteínas, 5.1% carbohidratos, 0.1% grasas y 0.8% cenizas. Si la leche entera contenía un 4.5% de grasas, determine su composición, asumiendo que no hay pérdidas en el proceso.
PROBLEMA 3-17 Un secador se utiliza para secar 500 Kg de pescado; en el proceso se descarta un 11% del peso inicial por limpieza y cortes. Si el contenido inicial de humedad es del 80%, determine la cantidad de pescado limpio y seco obtenido con una humedad final del 30%.
PROBLEMA 3-18 40 Kg de Cloruro de Sodio se agregan a 200 kg de agua para dar una solución de densidad relativa 1.323. Calcular la concentración de sal en la solución, en términos de fracción peso, relación peso volumen, fracción molar y concentración molar.
PROBLEMA 3-19 En un sistema de evaporadores a vacío, se concentran 10 m 3 de una solución azucarada de densidad relativa 1.07 y composición en peso de 17% sacarosa, 0.5% glucosa, 0.6% fructosa, 1% otros sólidos solubles, el resto es agua. La concentración final buscada de sacarosa es del 40% peso, este producto concentrado se denomina miel; evaporando para ello parte del agua que luego es condensada. Determinar: (10% c/u) a)
Los kilogramos de solución concentrada final o miel obtenida.
C
b)
Los metros cúbicos de agua condensada total. Densidad relativa del agua a la temperatura del proceso de condensación 0.965
c)
La composición final en porcentaje peso de la miel final.
