INSTITUTO TECNOLOGICO DE AGUASCALIENTES SUBDIRECCIÓN ACADEMICA DEPTO. DE INGENIERIA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA INGENIERÍA QUÍMICA Balance de materia y energía

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c c 
  
  
 


      

INGENIERÍA QUÍMICA

Balance de materia y energía

NOMBRE DE LA PROFESOR I.Q. Medina Barrera Rubén

Unidad II

³Balances de materia con reacción´

Tarea: problemas NOMBRE DEL ALUMNO: Andrade Roque Emmanuel Ulises



Entrega: Martes 17 de MAYO del 2011

1.- Se quema cierto gas natural, cuyo análisis es 80% de CH4 y 20% de N2 y el CO2 se elimina por lavado de los productos resultantes para ser utilizado en la manufactura de hielo seco. El análisis de los gases de descarga del lavador es O2, 6% y N2, 94%. Calcular:

%M O2Ͷ6.0

L

(A) La relación del aire a gas. (B) El porcentaje del exceso de aire. %M CH4Ͷ80.0

C

N2Ͷ94.0

G

N2Ͷ20.0

%M CO2Ͷa H20Ͷb O2Ͷc N2Ͷd

Lavador

Horno %M O2Ͷ21.0

A ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ͳͲͲΨ

N2Ͷ79.0

‫ܪܥ‬ସ ൅ ܱଶ ՜ ‫ܱܥ‬ଶ ൅ ‫ܪ‬ଶ ܱ a






"ɲ% Ex"

CH4

+

80

2O2

*

208.87 160

CO2

+

2H2 O

80

48.87

Sistema I 0) L*M.M+C*M.MC + A* M.MA =D* M.MD + P* M.MP Reactivos 1) 80 - 80 = 0 2) 0.21A ± 160 = 0.06D Productos 3) 0 + 80= xP 4) 0 + 160 = zP

160

%M CO2Ͷx H2OͶy LͶz

Inertes 5) 20 + 0.79A = 0.94 D Adicionales 6) 7) 8) 9)

L= yP x +y+z=1 Į = .06 D 0.21 A = 160 + Į

Sistema II 0ǯ) C* + A* = G* Reactivo 10)

0.21A - 160 = cG

Productos 11) 12)

0 + 80 = aG 0 + 160 = bG

Inertes 13)

20 + 0.79 = dG

Adicional 14)

a+b+c+d=1

Solución: 3. xP = 80 4. zP = 160 7. *P

80 + 160 = 240

P= 240 + L

8. Sustituir Į en ec. 9 y despejar A M Sustituir A en ec. 5

ͲǤͲ͸‫ ܦ‬൅ ͳ͸Ͳ ͲǤʹͳ

Ǥʹͺͷ͹‫ ܦ‬൅ ͹͸ͳǤͻͲͶ͹

20 + 0.79 (0.2857 D + 761.90) = 0.94 D ‫ܦ‬

20 + .2257 D + 601.9047 = .94D


ଶଵǤଽ଴ସ଻ Ǥ଻ଵସଷ

Ǥʹͺͷ͹ሺͺ͹ͲǤ͸ͷሻ ൅ ͹͸ͳǤͻͲͶ͹

Sustituir D en M

8. Į = 0.06 (870.65)

ͺ͹ͲǤ͸ͷ

moles

ͳͲͳͲǤ͸Ͷ‘Ž‡•

Į= 52.240

11. aG= 80 12. bG= 160 Sustituir A en ec. 10

0.21 (1010.64) ± 160 =cGcG=52.2344

Sustituir A en ec. 13

20 + 0.79 (1010.64) = dGdG= 818.40

14. * G 10. ܿ

aG + bG + cG + dG = G ଶǤଶଷସସ ଵଵଵ଴Ǥ
ଷ

11. ܽ

ଵଵଵ଴Ǥ
ଷ

12. ܾ

ଵଵଵ଴Ǥ
ଷ

13. ݀

ଵଵଵ଴Ǥ
ଷ

G=1110.63 moles

ͲǤͲͶ͹Ͳ

଴

ͲǤͲ͹ʹͲ

ଵ
଴

ͲǤͳͶͶͲ

ଵǤସ଴

ͲǤ͹͵͹Ͳ

Comprobación 100 (.80*16 + .20* 28) + 1010.64 (0.21*32+.79*28) = 870.65 (32*.06+28*.94)+240 (44*.33+18*.66) 30986.85§30923.156 100(.80*16+.20*28) +1010.64 (0.21*32+.79*28)=1110.63 (.0720*44+.144*18 + .0470*32+.7370*28) 30986.85§30986.57 Respuestas ଵ଴ଵ଴Ǥ
ସ୫୭୪ୣୱ

a) Relación aire gas= b) %ex. De aire ቀ

ଶǤଶସ଴ ଵ
଴

ଵ଴଴

ቁ ͳͲͲ

ͳͲǤͳͲ͸Ͷ

͵ʹǤ͸ͷ

2.- Un combustible formado por etano(C2H6) y metano (CH4) en proporciones desconocidas, se quema en un horno utilizando aire enriquecidocon oxígeno (50.0 moles por ciento de O2. El análisis Orsat es: CO2, 25%; N2, 60%; y O2, 15%. Determínese: (a) La composición del combustible, esto es, el porcentaje molar de metano en la mezcla metano-etano. (b) Las moles de aire enriquecido con oxígeno que se consumen por mol de combustible.

%M C2H6ͶX

C

CH4ͶY

Horno %M O2Ͷ50.0

%M CO2Ͷ25.0 O2Ͷ60.0 N2Ͷ15.0

P

A

N2Ͷ50.0

ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ͳͲͲΨ

‫ܥ‬ଶ ‫
ܪ‬൅ ܱଶ ՜ ‫ܱܥ‬ଶ ൅ ‫ܪ‬ଶ ܱ ‫ܪܥ‬ସ ൅ ܱଶ ՜ ‫ܱܥ‬ଶ ൅ ‫ܪ‬ଶ ܱ C2H6

+

7/2 O2

*

xA

2xA

7/2 xA

CH4

CO2

+

3H2O

3xA

Ex

2O2

*

yA

CO2

yA

2yA

+

Ex

+

2H2O

2yA

C2H6 1V
V Ͳ CH42›
› Ͳ O23ͲǤͷ
V
ʹ› N24ͲǤͷ ͸Ͳ ʹͷ CO2 5ʹV ൅ › 6 V൅› ͳ

ͳͷ

͸Ͳ ͲǤͷ  ͳʹͲ ଻ ͲǤͷሺͳʹͲሻ
ଶV
ʹ› ͳͷ
Ͷͷ ൅ V ›
ʹ › ʹʹǤͷ
ͳǤ͹ͷV › ʹʹǤͷ
ͳǤ͹ͷሺͳͲሻ › ͷ 

›

ͷ  ͳͷ

› Ǥ͵͵ ʹV
ͳǤ͹ͷV ൅ ʹʹǤͷ ʹͷ ʹǤͷ V Ǥ ʹͷ V ͳͲ ͳͲ  V ͳͷ V ͲǤ͸͹

V ൅› ͳͲ ൅ ͷ ͳͷ  

ͳʹͲ  ͳͷ

ͺ‘Ž

Comprobación ͳͷሾͲǤ͸͹ሺ͵Ͳሻ ൅ ͲǤ͵͵ሺͳ͸ሻሿ ൅ ͳʹͲሾͲǤͷሺ͵ʹሻ ൅ ͲǤͷሺʹͺሻሿ ͳͲͲሾͲǤʹͷሺͶͶሻ ൅ ͲǤ͸ሺʹͺሻ ൅ ͲǤͳͷሺ͵ʹሻሿ ൅ ͶͲሺͳͺሻ ͵ͻͺͲǤ͹ ͵ͻͺͲ H2O

7

3xA+2yA=W W=40

3.- Una planta industrial lleva a cabo la reacción entre el metanol y el oxígeno para formar formaldehido y agua, y produce cinco millones de kilogramos de formaldehido por año, operando 350 días al año, 24 horas al día. El oxígeno alimentado al reactor se hallaen un 25% de exceso respecto de la cantidad requerida teóricamente para la reacción con la alimentación de metanol, y la conversión global de metanol es de 95%. Calcular la alimentación requerida de oxigeno en Kg/h.

%P CH3OHͶ100

C

P

 actor %P O2Ͷ100

%P H2COͶXͶ585.238 H2OͶYͶ357.142 CH3OHͶZͶ33.416 O2ͶWͶ 100.25

A ሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ ͻͷΨ

ଶΨா௫

ฏଶ ‫ܪܥ‬ଷ ܱ‫ ܪ‬൅ ܱ

՜  ‫ܪ‬ଶ ‫ ܱܥ‬൅ ‫ܪ‬ଶ ܱ



"25% Ex"

CH3 OH

+

32

H2 CO

*

16

30

595.238

417.71

668.336 634.920

½O2

33.416 317.459

334.168

+

H2 O 18

357.142

83.542

16.708

qͷͲͲͲͲͲͲ

ͳM ͳ݀Àܽ ‫݃ܭ‬ qq qq q M ͵ͷͲ݀Àܽ‫ʹ ݏ‬Ͷ݄‫ݎ‬

ͷͻͷǤʹ͵ͺ

‫݃ܭ‬ ݄‫ݎ‬

CH3OH)nec 595.23 kg[(64 kg)/(57 kg)]=668.32 CH3OH)si

668.32(0.95)= 634.904

CH3OH)no

668.32(0.05) = 33.416

O2)nec

592.23kg[(32 kg)/(57 kg)]=334.16

O2)ex

334.16(0.25) =

O2)si

334.16(0.95) = 317.7

O2)nec

334.16(0.05) = 16.70

H2CO)

595.23

H2O)

357.13

83.54

Respuesta: A = 417.71 Kg/hr Comprobación

0 ‫ܥ‬൅M ͸͸ͺǤ͵͵͸ ൅ Ͷʹ͹Ǥ͹ͳ



ͷͺͷǤʹ͵ͺ ൅ ͵ͷ͹ǤͳͶʹ ൅ ͵͵ǤͶͳ͸ ൅ ͳͲͲǤʹͷ ͳͲͺ͸ǤͲͶ͸

ͳͲͺ͸ǤͲͶ͸

4.- El yodo puede obtenerse comercialmente a partir de algas marinas tratándolas con MnO2 y 20% de exceso de H2SO4 de acuerdo con la reacción 2NaI + MnO2 + H2SO4*Na2SO4 + MnSO4 +2H2O + I2 Todo el H2O, Na2SO4, MnSO4, y el I2, así como los materiales inertes, se recogen en el separador. Las algas contienen 5% de NaI, 30% de H2O y el resto puede considerarse materiales inertes. El producto contiene 54% de I2 y 46% de H2O. Suponiendo que la reacción se consuma en un 80%, calcúlese lo siguiente: (a) Las libras de I2 producidas por tonelada de algas marinas. (b) La composición en porcentaje de los productos de desperdicio. (c) La composición en porcentaje del material recirculado.



% CH4Ͷa Cl2Ͷb

AF

A

% CH4Ͷc Cl2Ͷd

T

 actor

W

% CH4Ͷ100

% CH3ClͶ CH2Cl2Ͷf HClͶg CH4Ͷh

% HClͶi CH4Ͷj

G

% H2OͶ100

Lavador

S

Cond nsador

% HClͶm H2OͶn

% CH3ClͶ100

L

% CH3Cl Ͷk CH2Cl2Ͷl

P Torr d d stilación

D

% CH2Cl2Ͷ100



Estequiometria:

2NaI

+ MnO2 +

2 H2SO4

Na2SO4 +

MnSO4 +

2H2O +

I2 300 Kg

87 Kg

196 kg

142 kg

151 kg

36 kg

154 kg

NaI)TOT

MnO2)TOTͲǤͲͷ ‫ ן‬ቂ

0.05(1000+Jr)

଻୩୥

ଷ଴଴୩୥

ቃ

ͲǤͲͳͶͷ ‫ן‬

1000+jR=Į

MnO2)si

0.0145(0.80)=0.0116Į

NaI)si

0.05(0.80)=0.04Į

MnO2)no

0.0145(0.20)=0.0029Į

NaI)no

0.05(0.20)=0.01Į

ଵଽ
୩୥

H2SO4)nec ͲǤͲͷ ‫ ן‬ቂ

ଷ଴଴୩୥

H2SO4)ex

ቃ

ͲǤͲ͵ʹ͸ ‫ן‬

0.0326(0.20)=6.53x10-3Į

H2SO4)TOTͲǤͲ͵ʹ͸ ‫ ן‬൅6.53x10-3Į=0.0391Į H2SO4)SI

0.0326Į(0.80)= 0.0260Į

H2SO4)no0.0326Į(0.20)= 6.52x10-3Į

ଵସଶ୩୥

ቃ

ͲǤͲͳͺͻ ‫ן‬

ଵଵ୩୥

ቃ

ͲǤͲʹͲͳ ‫ן‬

ଷ
୩୥

ቃ

ͶǤͺVͳͲିଷ ‫ן‬

Na2SO4)

ͲǤͲͶ ‫ ן‬ቂ

MnSO4)

ͲǤͲͶ ‫ ן‬ቂ

H2O)

ͲǤͲͶ ‫ ן‬ቂ

ଷ଴଴୩୥

ଷ଴଴୩୥

ଷ଴଴୩୥

Sistema I 0) Af + Mf + Bf = P + D

H2SO4)

Af- 0.0260Į = 0

MnO2)

Mf ± 0.0116Į= 0

NaI)

50 ± 0.04Į = 0

H2O)

800 = 0.46P + XD

Mf= 14.5

Iner)

150= wD

P= 78.24

I2)

0.0338Į= 0.54P

MnSO4)

0.0201Į = yd

Na2SO4)

0.0189Į = zD

9.-

x+ y + z + w = 1

Despejar Į de NaI):

Į = 1250

Sustituir Į y obtener: Af = 32.5

D= 962.75

Comprobación: 1047= 1040.99

Sistema II 0) Af + Mf + Bf + R = T H2SO4)

0.0391Į- 0.0260Į= fT

MnO2)

0.0145Į ± 0.0116Į = gTaT= 42.25

NaI)

(50 + 0.05 jR) ± 0.04Į = 0.05 eTbT= 800

H2O)

800 + 0.80jR = bT + 0.80 eTcT= 25.125

Iner)

150 + 0.15 jR = 0.15 eT + mTdT= 23.625

I2)

0.0338Į= aTeT= 250

MnSO4)

0.0201Į = cTfT= 16.375

Na2SO4)

0.0189Į = dTgT= 3.626

9.-

a+b+c+d+e+f+g+m=1

0.0391Į= Af + hR

Sustituir Į y determinar: mT = 150 T= 1113.50

0.0145Į= Mf + iR 50 + 0.05jR= 0.05Į Obtener: hR= 16.375

R= 270

iR = 3.625 jR = 250

Comprobación: 0) Af + Mf + Bf + R = T 1317 = 1311 Respuestas: =ሻͲǤͷͶ

ͶʹǤʹͶͻ‰ ቂ

ଵ୪ୠ

଴Ǥସସ୩୥

ቃ

ͻ͵ǤͲͷŽb

Se producen 93.05 lb de I2 por cada tonelada de algas marinas.

b) x= 79.35%

c) h= 6.06%

y= 2.6%

i= 1.342%

z= 2.4%

j= 92.59%

w= 15.58%

5.- El CH4 reacciona con Cl2 a fin de producir cloruro de metilo y acido clorhídrico. CH4 + Cl2* CH3Cl + HCl Una vez formado el cloruro de metilo puede sufrir nuevas cloraciones y formar cloruro de metilo, cloroformo, y tetracloruro de carbono CCl4. En un proceso de producción de metilo, se alimenta Cl2 y CH4 a un reactor en una relación molar de 1 a 5. El rendimiento del Cl2 es del 100% en un solo paso. La relación molar del CH3Cl a CH2Cl2 en el producto es de 4 a 1, produciendo cantidades despreciables de CHCl3 y CCl4. Los gases producidos se enfrían y condensando el CH3Cl y el CH2Cl2, los cuales luego se separan en una torre de destilación. El gas que abandona el condensador va a un lavador donde se adsorbe el HCl en aguas, la cual es alimentada en una relación molar de 3:1 de gas. El gas que abandona el lavador, que es CH4 puro se recircula al reactor. Para una producción de 2000kg de CH3Cl/h.Calcular los gastos molares y composición de todas las líneas. W

CH4Ͷ100



H2OͶ100



 H2OͶ100

S T




CH4Ͷa Cl2 --b

Af

G

CH3ClͶ CH2Cl2--f Cl2 -- g CH4Ͷh

 


Ar L

P

    


D