5. Balances de materia con reacción química. 5.1 Para determinar la fórmula de un compuesto puro que contiene Carbono, Hidrógeno y Oxígeno se
queman 10 gramos de este combustible con 149.2 gramos de aire. El Análisis Orsat de los gases de combustión es: 9000 ppm de CO, 7.9% de CO2, 9.1% de O2 y 82.1% de N2. Encuentre: i) La fórmula molecular molecular del compuesto ii) El exceso de aire utilizado u tilizado 5.2 El “biogas” se obtiene como resultado de la descomposición anaeróbica de desechos o rgánicos
y fundamentalmente es una mezcla de Bióxido de Carbono y Metano. Para determinar la composición de un biogas se queman 10 libras de éste con 100 libras de aire. El análisis Orsat de los gases de combustión muestra 9.3% de Oxígeno y 1.1% de Monóxido de Carbono. a) Complete el Análisis Orsat de los gases de combustión b) Encuentre la composición del Biogas c) Encuentre el porcentaje de exceso de aire utilizado Hidrógeno y Oxígeno Oxíge no se 5.3 Para determinar la fórmula de un compuesto puro que contiene Carbono, Hidrógeno queman 10 gramos de este combustible con 149.2 gramos de aire. El Análisis Orsat de los gases de combustión es: 9000 ppm de CO, 7.9% de CO2, 9.1% de O2 y 82.1% de N2. Encuentre: i) La fórmula molecular molecular del compuesto ii) El exceso de aire utilizado. u tilizado. 5.4 Un biocombustible sólido en base seca contiene C, H y O. Para determinar su composición se
queman 0.6 g de este combustible seco mezclados con 0.6 g de bunker (que se puede representar con la fórmula empírica CH 1.8) con aire en exceso en una bomba calorímetrica a combustión completa. A los gases húmedos que salen del calorímetro, se les elimina toda el agua para realizarle el Análisis Orsat a los gases secos restantes. Si el agua que se elimina son 0.8127 g y el Análisis Orsat muestra 7.48% de O2 y 11.68% de CO2, encuentre: a. (10%) La composición en peso del biocombustible b. (10%) Los pies cúbicos de aire utilizado (25 C y 1 atmósfera) y c. (15%) El porcentaje de aire de exceso que se utilizó. 5.5 El análisis Orsat de un gas de combustión es 1% CO, 2.6% O 2, 5.5% CO2 y 90.9% de N2 cuando
se quema un combustible que contiene CH 4, CH 3OH y N2con 20% de exceso de aire. Encuentre la composición del combustible. 5.6 Un combustible que contiene CH 4 y CH 3OH se quema con 10% de exceso de aire atmosférico
que se encuentra a 25 oC y con 60% de Humedad Relativa. La combustión se produce en forma completa y los gases de chimenea resultantes contienen 21.52% H2O. Para eliminarle parte de esta agua, los gases se enfrían a 5oC y se comprimen a 30 psia. Encuentre: i) (15%) el porcentaje de agua de los gases de chimenea que se condensa al enfriarlos y comprimirlos ii) (15%) la composición Orsat Orsat de los gases de chimenea iii) 5% La composición del del combustible.
6.1 Se desea determinar la composición de una mezcla gaseosa que contiene CH 4, C3H8 y CO, para lo
que se quema en presencia aire. Los gases de combustión obtenidos tienen la siguiente composición: 5.2 % de O2, 10.7 % de H2O, 6.7% de CO2, 2.0 % de CO y 75.4 % de N2. Calcule: a) la composición del combustible b) el porcentaje de exceso de aire utilizado. 6.2 El gas producido por la reacción de combustión de un combustible sólido tiene la siguiente
composición molar en base seca: 72.0% CO 2, 2.57% CO, 0.0592% SO2 y 25.4% de O2. Se alimenta oxígeno puro al horno de combustión en un 20% en exceso respecto al necesario para quemar el combustible en su totalidad. El combustible no contiene oxígeno. Calcule la composición elemental del combustible (mol% de los diversos elementos), indicando las suposiciones que deba hacer para llegar a su respuesta. 6.4 En un reactor catalítico se produce formaldehído a partir de metanol por medio de la reacción
siguiente: CH3OH
HCHO + H2
El reactor funciona con el 70% de conversión por lo que la mezcla resultante se introduce a un equipo de separación para separar todo el metanol. Si se desean producir 800 kg/h de formaldehído encuentre:
La cantidad necesaria de metanol que entra al proceso y la composición de la mezcla de salida del reactor y del separador si no hay recirculación La cantidad necesaria de metanol que entra al proceso, la conversión global y la composición de la mezcla de salida del reactor y del separador si se recircula todo el metanol La cantidad necesaria de metanol que entra al proceso, la conversión global y la composición de la mezcla de salida del reactor y del separador si se recircula 90% del metanol que sale del reactor.
6.5 El bagazo seco de caña tiene una composición en peso de 47% de Carbono, 6.5% de Hidrógeno,
44% de Oxígeno y 2.5% de cenizas.
Si este bagazo es quemado con 100 % de exceso de aire y la combustión es completa, encuentre la composición de los gases de salida. Encuentre la composición de salida si el bagazo tiene un contenido de 1 gramo de agua por cada gramo de bagazo seco. 7.
7.3 Para producir H2SO4, se utiliza un proceso como el mostrado en la siguiente figura:
H2 O N2 85%
SO2
Convertidor Catalítico
Torres de Plomo
H2SO4 al 98%
Aire P: purga R: recirculación Al proceso se alimenta aire para proveer la cantidad estequiométrica de O2 para que reaccione con el SO2 para formar SO3 de acuerdo a la siguiente reacción: SO2 + 1/2 O2
SO3.
En el convertidor catalítico dicha reacción se lleva a cabo con una conversión del 10 %. En las torres de plomo, todo el SO3 se disuelve en agua y los gases restantes se recirculan al convertidor para un mejor aprovechamiento del SO2. Sin embargo, es necesario purgar para evitar la acumulación de Nitrógeno pues su concentración no debe ser mayor del 85 % en la entrada del convertidor. Para una producción de 10000 Kg/día de H 2SO4 al 98 %, encuentre: a. La cantidad de agua y de SO2 necesario b. La cantidad y composición de los gases que deben ser purgados, y de los de gases que se recirculan c. La conversión global del proceso con recirculación 7.4 Se utiliza Hidrógeno para reducir 2000 libras/h de Fe2O3 hasta hierro metálico de acuerdo a la
reacción: Fe2O3 + H2 2Fe + 3H2O. La alimentación fresca además de H 2 contiene 1% de CO2 por lo que se hace una purga para evitar su acumulación. El agua formada se condensa y elimina, mientras que el H2 que no reacciona se recircula junto con CO2 de tal manera que la concentración de éste en la alimentación al reactor sea de 3.5%, lo que se logra haciendo que la relación en moles de la corriente de recirculación a alimentación fresca sea de 5 a 1. Encuentre: a. (5%) La cantidad de agua eliminada por hora b. (10%) La corriente de recirculación y la de alimentación al reactor en moles/hora c. (20%) La conversión global del Hidrógeno del proceso y la conversión del Hidrógeno en el reactor
7.8 El isooctano se produce por la reacción de isobutano y butileno en una emusión con ácido
sulfúrico concentrado: i-C4H10 + C4H8
i-C8H18
En el proceso que se muestra en la figura, la alimentación fresca al proceso fluye a velocidad de 60,000 kg/h y contiene 25.0 mol% de isobutano, 25.0% de butileno y 50.0% de n-butano (n-C4H10) , el cual es químicamente inerte en este proceso. La alimentación fresca se combina con tres corrientes de recirculación distintas y la mezcla entra al reactor, en donde se consume todo el butileno que se alimenta. Una porción del efluente del reactor se recircula de nuevo a la entrada de éste y el resto pasa a un decantador, en el cual se permite que se separen las fases acuosa (ácido sulfúrico en agua) y de hidrocarburos (todos los otros compuestos). El ácido se recircula al reactor, y el hidrocarburo pasa a una columna de destilación. El destilado ligero de la columna contiene isooctano y n-butano, y el destilado pesado que se recircula al reactor sólo contiene isobutano. La corriente que entra al reactor contiene 200 moles de isobutano por mol de butileno y 2 kg de H2SO4 (solución acuosa al 91%) por kg de hidrocarburo. La corriente que se obtiene combinando la alimentación fresca y la recirculación de isobutano contiene 5.0 moles de isobutano por mol de butileno. Encuentre la velocidad de flujo molar kmol-h de cada componente de la alimentación fresca y de las corrientes de producto, de la emulsión, del isobutano de la recirculación ácida.
7.9 La figura muestra un proceso con recirculación para producir amoníaco por medio de la
reacción: N2+H2
2NH3
La alimentación fresca tiene la siguiente composición: 73.2% N2, 24.4% N2, 2.1% CH4 y 0.3% Ar. La conversión en el reactor es del 65% (el CH4 y el Ar no reaccionan), mientras que en el separador parte del NH3 que entra se condensa enfriando a 10 oC y comprimiendo a 60 psia, y es separado de la corriente gaseosa. Si se ha determinado que el gas de purga contiene 20% de CH 4, encuentre por 100 moles de alimentación fresca: a) (20%) Las moles y la composición de la Recirculación y de la Purga b) (15%) Las moles y composición de las corrientes de entrada y salida del reactor y c) (5%) La conversión global de la reacción Recirculación Alimentación fresca
Reactor
Separador
Purga
NH3 7.11 El Benceno C6H6 se produce mediante la desalquilación de Tolueno, de acuerdo a la reacción:
C6H5CH3 + H2
C6H6 + CH4
Sin embargo esta reacción va acompañada por: 2 C6H5CH3 + H2
(C6H5)2 + 2CH4
En donde se obtiene el producto indeseado bifenilo. Debido a esta reacción paralela, la conversión del tolueno debe mantenerse abajo del 100% en el reactor y deben efectuarse una serie
separaciones y de recirculaciones como se muestra en el figura. Si la entrada al reactor contiene 5 moles de H2 por mol de Tolueno, en el reactor el 75% del Tolueno reacciona y la salida del reactor contiene 5% de Benceno y 2 % de Tolueno. Calcule por mol de Tolueno fresco a. (15%) La conversión de Tolueno a Benceno en el proceso y en el reactor b. Las corrientes de recirculación (15%) c. (5%) Las moles de Benceno producidas.
Recirculación de tolueno puro
Separador Bifenilo
Tolueno fresco Mezclador
Reactor
Separador Benceno puro
H2 puro
CH4 H2
Purga
7.15 Un proceso de producción de NH 3 se muestra en la siguiente figura:
R Inertes: 12.5%
Alimentación
Reactor
Separador
Purga
H2 N2
NH3 puro La alimentación fresca entrando al proceso tiene la siguiente composición: 74.25% H 2, 24.75% N2 y el resto de gases Inertes. La conversión de la reacción (N 2+ 3H 2 2NH 3), en un paso a través del reactor es del 25%. En el separador se separa todo el NH3 formado. Para evitar acumulaciones en el sistema se realiza una purga cuya composición de Inertes es del 12.5%. Encuentre por mol de alimentación fresca: i) (10%) los moles purgados y su composición, ii) (10%) los moles y la composición de los gases recirculados y iii) (15%) los moles y la composición de la corriente que entra al reactor.
7.17 Un proceso de producción de Fe a partir de Fe2O3 se muestra en la siguiente figura:
R Purga Reactor
Alimentación fresca
Condensador H2 O
La reacción que se produce en el reactor es: Fe2O3 + 3H2 -------------> 2Fe + 3H2O, los productos gaseosos resultantes se introducen a un condensador en donde se separa toda el agua, mientras que los otros gases se recirculan. Debido a que el Hidrógeno de la alimentación fresca contiene 1% de CO debe realizarse una purga para que la concentración de CO a la entrada del reactor sea de 3.5%. Si la relación de moles recirculación a moles de alimentación fresca es de 5 a 1. Por cada Tm de Hierro producida encuentre el flujo y la composición de la purga, los kg de agua producida y el porcentaje de conversión de Hidrógeno en el reactor. 7.18 El éter etílico se fabrica industrialmente mediante la deshidratación de etanol, utilizando
ácido sulfúrico como catalizador de acuerdo a la siguiente reacción y al siguiente esquema: 2C2H5OH (C2H5)2O + H2O Recirculación Éter puro 85% Etanol 15% Agua
Reactor Etanol 1% Agua 99%
El proceso se opera de tal manera que la recirculación es la mitad de la alimentación fresca y tiene además la misma composición que ella. Para 1000 kg/h de alimentación fresca, encuentre: a) La velocidad de producción de éter b) las pérdidas de etanol c) la conversión global y la conversión en el reactor.