Ejercicios de Balance de Materia y Energia

Problemario De Balances De Materia Y Energía

TERCERA EVALUACIÓN

BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA SIN/CON REACCIÓN QUÍMICA

Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .

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PROBLEMA 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. PROBLEMA 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? PROBLEMA 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 2 °F la cual tiene un valor de 0 Btu). PROBLEMA 4. 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 Tebullición, ºC Cp(s), cal/g °C Cp(l), cal/g °C Cp(v), cal/g °C λf , cal/g λv, cal/g 419 907 0.105 0.109 0.076 25 412

NOTA: Temperatura de referencia 0 °C.

PROBLEMA 5. 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. Presión (bar) Temperatura (°C) 1.1 102.3 5.0 151.8 Cp(l) = 4.184 kJ/kg K ; CP(V) = 1.883 kJ/kg K

λ vaporización ( kJ/kg)

2250.81 2107.53

PROBLEMA 6 . 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. PROBLEMA 7. 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. PROBLEMA 8. 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) ; CP queroseno = 0.60 Btu/(lb)(°F) PROBLEMA 9. 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 K2SO4 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 K2SO4 tienen las mismas propiedades físicas que las del agua pura. Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .

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2

M2 = 185 kg/min

Evaporador P =530 mmHg

1

Vapor de H2O 4 T4=100 °C P=760 mmHg

3

5 H2O T5=95 °C

PROBLEMA 10. 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. 6

H2O (v)

P = 0.6 bar

5

H2O (v)

P = 0.2 bar

H2O (V) Saturada P = 4 bar 2

9 7

3

10

4 Agua de mar 5000 kg/h, 1 T1=300 K

Salmuera 5.5% sal H2O (l) saturado P = 4 bar

8

PROBLEMA 11. 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? PROBLEMA 12. 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)


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Problemario De Balances De Materia Y Energía 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 (M2) y otra sale como producto (M 7). Calcular la cantidad 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, λVagua 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.

M1= 100 kg/h T1= 60°C 1

Cambiador de calor

3

5

QP

Qsum

T4= 62°C 4

6

T2= 60°C

2

25% NaOH 7

PROBLEMA 13. 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 ; CP metano = 0.0443 kJ /mol Vapor saturado 9 Metano T9=260 ˚C

2 T A N Q U E

IC-1

D E

8 Metano T8=100 ˚C

S E P A R A C I Ó N

H2O V/L

3 Líquido saturado 4

1 5 Benceno 7 T7=300°C

IC-2 6 Benceno T6=500°C

PROBLEMA 14. 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 Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .

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Problemario De Balances De Materia Y Energía 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. 5 P = 50 bar

Vapor saturado 50 bar

S E P A R A C I Ó N

T A N Q U E D E

M

3

2

4

Líquido saturado 6

IC-2

IC-1

T7 = 500 °C 7 2 bar

Líquido saturado 50 bar

8

T9 = 200 °C 2 bar

9 1

V/L

Agua de alimentación a calderas a 75°C y 50 bar PROBLEMA 15. 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 Producto X 103 Agua 18

Tebullición, ºC 103 100

N1 = 20 kmol/min Vapor (360 °C)

CP (l), J/mol °C 451 75

CP (v) ), J/mol °C 243 35 8

M

2

M

4

3 Vapor (90%) 100 °C

7

Vapor/líquido 100 °C

9

Producto X 30 °C

32 000 41 000

Vapor (100 °C) N8 = 2.6 kmol/min

Producto X 10 80 °C

1

λV, J/mol

Separador LíquidoVapor

5 Agua (100 °C)

D


6

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Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 16. 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 176.18 Tolueno 231.17

CP, Btu/lbmol °F 36.66 43.24

λ v , Btu/lbmol

13423.38 15793.68

PROBLEMA 17. 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 94.967% masa de benceno y un residuo (a 229.6 °F) conteniendo 1.5% en mol 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. 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 78 Tolueno 92

Tebullición, ºC 80.1 110.6

Cp, Btu/lb °F 0.47 0.47

λ v , Btu/lb

172.1 161.13

Condensador

Agua a 86°F

10

3

Agua a 59°F

9 5 7

180.5°F

6

T2 = ? 1

2 4 229.6°F B = 1.5%n

IC

8

5 000 lb/h 80ºF B = 54%n 150°F

PROBLEMA 18. Una

mezcla que contiene 46% en masa de acetona (CH 3COCH3), 27%w de ácido acético (CH3COOH), 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 Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .

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Problemario De Balances De Materia Y Energía 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) b) c) d)

Calcule las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos de productos. Calcule el calor retirado en el condensador Q c (kJ/h). Utilice un balance de energía global para determinar el calor suministrado Q c(kJ/h) por el hervidor. 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 329.0 391.1 413.2 457.25

18

CP (l), kJ/kg K 2.30 2.18 2.26 4.184

λ v , kJ/kg

520.6 406.5 1998.5

Acetona (v), T 2 = 329 K

Qc

2 4 5 M1 = 15 000 kg/h

6

Producto de la destilación Acetona (l), T6 = 303 K

1

46% acetona (l) 27% ácido acético (l) 27% anhídrido acético (l) T1 = 348 K

7 3

8 Qr

Producto inferior (líquido) 1% de acetona de la alimentación ácido acético anhídrido acético T8 = 398 K

PROBLEMA 19. 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)

Datos adicionales Compuesto CH4(g) o 17.889 – ∆h f (kcal/mol)

CaO(s)

MgO(s)

H2O(1)

– 151.9

– 143.84

– 68.3174

Ca(OH)2(s) –253.8

Mg(OH)2(s) –221

PROBLEMA 20. 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. Datos adicionales: Compuesto ∆h f o (kJ/mol)

C3H8 (g) + 5O2 (g) C3H8(g) – 103.85

⇒

O2(g) 0

3CO2 (g) + 4H2O (g) CO2(g) – 393.51


H2O(g) –241.826 69

Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 21. Calcule el calor estándar de reacción para la de oxidación de amoniaco. Datos adicionales: Compuesto ∆h f o (kJ/mol)

4NH3 (g) + NH3(g) – 46.191

5 O2 (g)

⇒

4 NO (g) +

O2(g) 0

6 H2O (g)

NO(g) 90.374

H2O(g) –241.826

PROBLEMA 22. Calcule el calor de reacción a condiciones estándar (T = 2 5°C y P = 101.3kPa) para 1 mol de HCl(g) de la siguiente reacción: 4HCl(g) + O2 (g) ⇒ 2 H2O(g) + 2Cl2(g) Datos adicionales: Compuesto HCl(g) O2(g) H2O(g) Cl2(g) o 0 0 –92.311 –241.826 ∆h f (kJ/mol) PROBLEMA 23. 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 CO2 H2 CH4(g) H2O(g) 0 –241.826 – 393.513 – 74.848 ∆h f o ,(kJ/mol) CP, (cal/mol K) 11.97 7.12 10.46 8.32 PROBLEMA 24. 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 ∆h f o ,(kJ/mol) CP (J/mol K)

SO2(g) – 296.9

SO3(g) – 395.18

O2(g) 0

N2(g) 0

48.601

62.419

32.264

30.222

PROBLEMA 25. 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 CO(g) CP (cal/mol °C) 7.017 La reacción que se lleva a cabo es: CO (g) + ½ O2 (g)

CO2(g) 11.92

⇒

CO2(g)

O2(g) 7.941

N2(g) 7.507

∆hºR = –67.636 kcal/mol


70

Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 26. 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 O2(g)

⇒

NO(g)

+

1.5 H2O(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) 11.83 NH3 O2 N2 T1 = 340 K

O2(g) 8.11

N2(g) 7.68

Reactor

1

NO(g) 7.98

H2O(g) 9.56

NH3 O2 N2 NO H2O

2

PROBLEMA 27. 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. Datos adicionales: Compuesto ∆h f o (cal/mol)

C3H8(g) – 24,809

H2O(g) – 57,799

CO(g) – 26,415.

H2(g) 0

PROBLEMA 28 . 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 los gases de salida, después de precalentar la alimentación. Datos adicionales: Compuesto CP cal/(mol K) NH3(g) +

NH3(g) 11.83 1.25 O2(g)

O2(g) 8.11 ⇒

NO(g)

N2(g) 7.68 +

NO(g) 7.98

1.5 H2O(g)

H2O(g) 9.56 ∆hºR = –54,055.6 cal/mol


71


NH3 O2 1 N2 T1=50 °C

5

T3 =850 °C O2 N2 3 NO H2O

Q=0 T2=200 °C NH3 Quemador O2 2 N2

O2 N2 NO H2O T4=300 °C

Vapor saturado

agua 4

PROBLEMA 29. Una

piedra caliza formada de carbonato de calcio (CaCO 3) puro, se calcina completamente para producir CaO y CO 2 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%; N2 = 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)

∆h f o (kcal/mol)

– 288.45

– 151.9

– 26.416

– 94.052

0

0

CP cal/(mol oC)

20

13.44

7.58

11.9

6.2

7.4

CaCO3 25°C 100 kg

1 200°C CO2 5 N2 HORNO

Gas pobre CO2 9.21%n 600°C O2 1.62%n 2 CO 13.6%n N2 75.57%n 3 Aire 25°C O2 21%n N2 79%n

4 CaO 900°C


72

Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 30. 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 C2H4 /mol de O2. Si la capacidad de producción es de 5 ton de C 2H4O/día y, las reacciones que se efectúan simultáneamente son: CH2=CH2 (g) + ½ O2 (g) CH2=CH2 (g) + 3 O2 (g)

η = 35% C2H4O (g) 2 CO2 (g) + 2 H2O (g) η = 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 CH2=CH2(g) O2(g) C2H4O(g) CO2(g) H2O(g) 10.6 0 –14.8 –94.1 –58.5 ∆h (kcal/mol) f a 300 °C

CP a 300 °C cal/(mol K)

17.1

7.67

20.62

11.31 6

4 H2O T10 = 35 °C O2 T2 = 20 °C 8

H2O T 9= 15 °C

1 C2H4 T1=20 °C

US-1

US-2

5

7

O2 CO2 H2O

9

10 2

8.68

Reactor

3

M5=5 ton C2H4O / día

PROBLEMA 31.- Para producir acroleína (C 3H4O) por oxidación parcial de propileno (C 3H6), se hace reaccionar C3H6 con una mezcla de O 2 y N2; en la corriente fresca se alimentan 100 mol/h de C 3H6 120 mol/h de O 2 y 451.428 mol/h de N 2. Debido a las condiciones de operación del reactor, ocurre también la reacción secundaria de oxidación total de propileno. Con la información del diagrama, calcule la temperatura a la salida del reactor, si del total de C 3H6 alimentado al reactor el 97% reacciona hacia acroleína y el resto a CO 2. Considere que para retirar el calor generado en el reactor, se utilizan 11,673.83 mol/h de agua de enfriamiento. ⇒ ∆hºR = –333.35 kJ/mol C3H6 (g) + O2 (g) C3H4O(g) + H2O(g) ∆hºR = –1,927.83 kJ/mol C3H6(g) + 4.5O2(g) 3CO2(g) + 3H2O(g) ⇒ Compuesto CP kJ/(mol K)

C3H6(g) 0.0935

O2(g) 0.0313

N2(g) 0.0301

C3H4O(g) 0.0913

H2O(g) 0.0360


CO2(g) 0.0438

H2O( L) 0.0753

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Problemario De Balances De Materia Y Energía O2 1.92%n N2 96.06%n CO2 2.02%n 8 T8=332 K 5 2

C3H4O CO2 O2 N2 4 H2O

C3H6 10.9%n O2 3 N2 CO2

C3H6 O2 1 N2 T1= 298 K

T6=332 K C3H4O

Unidad de Separación y purificación

6

T7=332 K H2O 7

10

9

Medio de enfriamiento

T10=328 K

T9=301 K PROBLEMA 32. 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 N2, 72 %n de H2 y 4 %n de NH3 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. Tome la Tº = 25ºC. 4

425 °C Proporción 1:3 de N 2:H2 N2 H2 NH3 conversión de 5% Reactor 1

US 1 N2 H2 NH3 N2 H2

425 °C

5

3

US 2

1

- 40 °C NH3 como producto

2

conversión de 5% 10

N2 H2 NH3

9

N2 24% H2 72% NH3 4%

Reactor 2

8

6

509 °C N2 H2 NH3 Reactor 3

N7 = 20 mol/h 7 N2 Alimentación H2 estequiométrica

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 U S1, la composición (porcentaje mol) y temperatura del efluente del reactor 1. Datos complementarios: ∆h°f NH3 = – 10.92 kcal/mol, CP N2(g) = 7.5 cal/mol K, CP NH3(g) = 14 cal/mol K, CP H2(g) = 7 cal/mol K Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .

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Problemario De Balances De Materia Y Energía ANEXO DEL TERCER PROBLEMARIO A un reactor se alimenta una mezcla equimolar (450 K) de etano (C2H6) y vapor de agua, en la que este último actúa como diluyente. Con una conversión del etano del 90%, se obtiene el siguiente análisis molar del efluente del reactor (1,176 K): C2H4 = 28.521%, H2 = 28.521%, H2O = 35.211%, desconociéndose los porcentajes de metano (CH4), propileno (C3H6) y etano (C2H6), pero se sabe que la relación molar de metano a propileno en esta corriente es de 3 a 1. Para un flujo molar total del efluente del reactor de 142 mol/h, determine el calor suministrado o retirado en el reactor. Tome la Tº = 298K

C2H6(g) ⇒ C2H4(g) + H2(g) C2H6(g) + H2(g) ⇒ CH4(g) C2H4(g) + C2H6(g) ⇒ C3H6(g) + CH4(g) Datos complementarios Compuesto C2H6(g) H2O(g) C2H4(g) H2(g) CP (kJ/mol K) 0.04937 0.03346 0.04075 0.04085 o ∆h f (kJ/mol) –84.67 –241.83 52.58 0 RESPUESTA: 9,735.93

(I) (II) (III) CH4(g) C3H6(g) 0.01987 0.05958 –74.85 20.41

El vapor de calentamiento proveniente de la caldera (8), llega a la válvula reductora de presión (VRP) a una presión de 5.2 bar y una calidad del 98%, en ésta, se reduce la presión del vapor hasta 1.7 bar (9), por lo cual entra ligeramente sobrecalentado. A estas condiciones, el vapor se alimenta a un evaporador (que opera a una P = 1.2 bar) a una velocidad de 100 kg/h para concentrar una solución inorgánica del 3%w al 15%w. A las condiciones de operación, la economía del evaporador (Masa de Evaporado/Masa de vapor de calentamiento) es de 0.884, y las pérdidas de calor en el evaporador son de 16,655 kJ/h y las del intercambiador de calor (IC) de 3,579 kJ/h. Tome la T0 = 0 ºC.

Solución diluida 3%w 20°C 1

P (bar) 5.2 1.7 T (ºC) 153.4 115 λV (J/g) 2102 2215

1.2 105 2244

CP soluciones = 3.7 kJ/kgºC CP H2O liq = 4.186 kJ/kgºC CP H2O vap = 1.884 kJ/kgºC

6

IC

98.8ºC

5 4 Evaporado 2

7

1.2 bar

9 10

Vapor saturado

1.7 bar

VRP

Líquido saturado

Vapor de 8 calentamiento 5.2 bar

Líquido saturado Solución concentrada 3 Sólidos 15%w

A partir de la información proporcionada, e fectúe los balances y cálculos correspondientes para elegir

sólo una de las 4 opciones presentadas (NO ANOTE NINGÚN OTRO VALOR). 1. La temperatura de la corriente 5 (T 5). a) 98.8 b) 105 c) 115 d) 153 2. La temperatura de la corriente 9 (T 9). a) 115 b) 118 c) 120 d) 121 3. El calor suministrado por el vapor de calentamiento ( Q V en kJ/h). a) 333,105 b) 277,588 c) 222,070 d) 40394 4. El flujo másico de la solución concentrada (M 3). a) 28 b) 20 c) 22 d) 33 5. El calor suministrado a la solución diluida (Q IC = kJ/h), para que alcance los 98.8ºC. a) 44,737 b) 35,797 c) 40,394 d) 53.695 6. El flujo másico de evaporado empleado (M 7) en el IC en kg/h. a) 28 b) 16 c) 20 d) 24 Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .

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Ejercicios de Balance de Materia y Energia

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