Problemas de Examen - III

UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

CÁTEDRA DE INTEGRACIÓN II PAG. 1

SERIE DE PROBLEMA: PROBLEMAS DE EXAMEN Con el objeto de ahorrar energía en una planta de envasado de arroz, este se seca con un gas de chimenea de un secadero, tal como muestra la figura. Determinar los kg de gas de reciclo por cada 100 kg de arroz seco. El arroz a secar contiene un 25 % P/P de agua, el seco todavía tiene un 5 % P/P de agua. El gas de chimenea utilizado para el reciclo contiene un 4,73 % P/P de vapor de agua y al mezclarse con el reciclo este aumenta a 5,20 %. El gas húmedo a la salida del secadero contiene un 9,31 % P/P de vapor de agua.-

  Se puede obtener TiCl4 haciendo reaccionar TiO2 con ácido clorhídrico. El TiO2 usado en este método contiene 78 % P/P de TiO2 y un 22 % de inertes. El ácido clorhídrico utilizado tiene una concentración de 45 % P/P. La conversión por paso del TiO2 es de un 75 % molar. El ácido clorhídrico se alimenta al reactor con un 20 % de exceso sobre la reacción total. El TiO2 puro que no ha reaccionado se recicla a la alimentación del reactor. Determinar: por cada kg de TiCl4 obtenido los kg de solución de ácido clorhídrico empleado, los kg de TiO 2 utilizado y los kg de reciclo.

  El proceso Haber para fabricar NH3 se lleva a cabo haciendo pasar una mezcla estequiométrica de nitrógeno e hidrógeno por un reactor catalítico a una temperatura de UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


500º - 600º C y a presiones entre 800 -1000 atm. La conversión por paso no es del 100 %, por lo que los reactantes se tienen que reciclar. Además como el nitrógeno se obtiene por destilación del aire, contiene como impurezas casi un 1 % de gases raros (principalmente argón) que no forma parte de la reacción. La alimentación fresca al reactor tiene la siguiente composición: H2: 75,16 %; N2: 24,57 %; Ar: 0,27 % que se mezcla con el reciclo, teniendo la alimentación al reactor una composición de 74,52 % de hidrógeno. La corriente de gas que sale del separador de amoníaco contiene 70,01 % de hidrógeno y nada de amoníaco. El amoníaco producido es puro y no contiene gases disueltos. Calcular por cada 100 moles de alimentación fresca:

 Moles de reciclo y de purga.  Conversión molar por paso del hidrógeno en el reactor. Reacción: 3 H2 + N2  3 NH3

  El ácido perclórico (HClO4) se puede preparar a partir del perclorato de bario {Ba(ClO 4)2} tratándolo con ácido sulfúrico, tal como muestra la figura El ácido sulfúrico se agrega en un 20 % de exceso basado en el total de perclorato de bario que entra al reactor. En el separador se obtienen 17400 kg/hr de ácido perclórico y el reciclo es de 6125 kg/hr de perclorato de bario. La composición de la alimentación F1 es: Ba(ClO4)2: 90 % P/P; HClO 4: 10 % P/P. Calcular:   

Los kg/hr de ácido perclórico que se obtienen del separador. La conversión por paso del perclorato de bario en el reactor. Caudal másico y composición de todas las corrientes.

Reacción: Ba(ClO4)2 + H2SO4 

BaSO4 + 2 HClO4

  UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


El tetrabromuro de etileno (C2H2.Br4) reacciona con el cinc de la siguiente manera

C2H2.Br4 + 2 Zn  C2H2 + 2 ZnBr2 La conversión molar por paso en el reactor basado en el C 2H2.Br4 es del 80 %, por lo que se tiene que reciclar el C2H2.Br4 que no ha reaccionado. Basándose en 1000 kg/hr de C2H2.Br4 en la alimentación al reactor, calcular:

 

Cuanto C2H2 se produce en una hora. Los kg/hr de reciclo. La cantidad de cinc en kg/hr que se deben agregar si tiene que ser un 20 % de exceso basado para efectuar toda la reacción de C2H2. Br4 que entra al reactor.

  Para producir Cl.CH2CH3 se utiliza HCl y CH3CH2.OH puro. Antes de entrar al reactor se mezclan con una corriente de reciclo que contienen una solución de ácido clorhídrico. Al fin de lograr una máxima conversión del alcohol se mantiene una relación 3:2 entre la cantidad molar de HCl y la de alcohol en la corriente de entrada al reactor. A fin de evitar la hidrolización, la cantidad de agua máxima en la corriente de entrada al reactor debe mantenerse en un 20 % molar. La conversión por paso es de un 50 % basado en el HCl que entra al reactor. Calcular todas las corrientes y sus composiciones para una alimentación de 100 moles de CH3CH2.OH.-



  Un gas que tiene la siguiente composición: metano: 70 %; propano: 5 %; monóxido de carbono: 15 %; oxígeno: 5 % y nitrógeno: 5 % se quema con aire para llevar todos los gases combustibles a dióxido de carbono y agua. Los gases de combustión salen con la siguiente composición: CO2: 7,73 %; H2O: 12,35 % y el resto es oxígeno y nitrógeno. Determinar el exceso de aire que se utilizo en la combustión (basado en el necesario para producir la combustión de los gases combustibles).

  Se puede obtener benceno haciendo reaccionar tolueno con hidrógeno de acuerdo a la siguiente reacción: CH3

+

H2

+ CH4

también se produce una reacción secundaria obteniéndose difenilo:

CH3 2

+

H2

+ 2 CH4

En el proceso que se muestra en la figura se agrega hidrógeno a la corriente de reciclo del gas para que la relación molar de hidrógeno a metano sea 1:1. La corriente que entra al reactor debe tener una relación molar entre el hidrógeno y el tolueno de 4:1. La conversión molar por paso del tolueno en el reactor es del 80 % y la selectividad molar del tolueno a difenilo es del 8 %. Determinar los caudales de todas las corrientes (en kg/hr) y sus composiciones (en % en peso y % molar) para una alimentación de tolueno fresca de 3450 kg/hr



  El cloruro de etilo se puede preparar haciendo reaccionar etano con cloro mediante la siguiente reacción:

2 C2H6 + Cl2  2 C2H5.Cl + H2 El proceso se muestra en la figura. El etano y cloro fresco se mezclan con el etano reciclado y se alimentan al reactor. Para obtener una conversión del 60 % por paso basado en el etano, este debe ingresar al reactor con un 100 % de exceso de cloro en base molar. Calcular:  Los moles de cloruro de etilo que se producen por cada mol de etano en la alimentación fresca.  La composición de cada una de las corrientes en fracciones molares.

  El iso octano se produce haciendo reaccionar butileno e iso butano en una emulsión de ácido sulfúrico, según la siguiente reacción:

C4H10 + C4H8  C8 H18 La alimentación fresca del proceso tiene un caudal másico de 40.000 kg/día y su composición molar es la siguiente: isobutano: 25 %, butileno: 25 %; n-butano: 50 % (el nbutano es químicamente inerte en el proceso). El butileno es el reactivo limitante en el reactor y se convierte totalmente a isooctano. La corriente de los productos que salen del reactor pasa a un decantador donde se separa la fase acuosa (que contiene el ácido sulfúrico y se recicla al reactor) mientras que la fase orgánica se envía a una torre de destilación donde se separa por la parte superior el n-butano y el iso octano, mientras que el iso butano que no ha reaccionado sale por el fondo de la columna y se recircula al reactor. La corriente de alimentación al reactor contiene 5 moles de isobutano por mol de butileno y 2 kg de ácido sulfúrico al 91 % P/P por cada kg de hidrocarburos. Determinar el caudal másico de todas las corrientes en kg/día y su composición P/P.



  Se tiene que determinar la composición de una mezcla de combustibles que se sabe que contiene solamente propano y butano. Para ello se quema una determinada cantidad del gas con aire y se analiza los gases de combustión, que es la siguiente (en base seca): N 2: 84,8 %; CO2: 11,4 %; O2: 3,8 %. Determinar la composición molar de la mezcla.

  En una empresa se ha comprado un tanque de una mezcla de gases que se supone que contiene 5 % de HCl y 95 % de N2. Sin embargo se sospecha que el contenido de HCl en el tanque es mayor. Para comprobar esto se hace burbujear el gas a través de 20 lts. de agua durante 1 hr. El gas de entrada al absorbedor tiene una presión manométrica de 510 mm de Hg. y una temperatura de 23º C. Antes de entrar al absorbedor pasa por un medidor de caudal el cual indica un caudal volumétrico de 2 lt./min. Al final del experimento se titula la muestra y se encuentra que la concentración del HCl en el agua es de 0,0274 mol/lt. Determinar cual es la concentración del HCl en el tanque de gas suponiendo que todo el HCl se absorbe en el agua.

  Se necesita producir alcohol etílico al 96 % P/P por el método de hidrólisis catalítica del etileno en fase vapor, mediante la siguiente reacción:

C2H4 + H2O  C2H5.OH UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


Produciéndose también la siguiente reacción secundaria:

2 C2H5.OH  (C2H5)2 O + H2O Para este método se utiliza etileno con una pureza del 92 % (el resto es nitrógeno). En el reactor la conversión por paso del etileno es del 20 % y la selectividad de un 95 %. La corriente de entrada al reactor se mantiene una relación molar de etileno a agua de 4:1 y el nitrógeno no debe superar el 15 %. El segundo reactor se utiliza para convertir el éter etílico formado a alcohol etílico mediante la reacción:

(C2H5)2O + H2O  2 C2H5.OH Para tal fin se le agrega a la corriente que sale del condensador un 100 % más de agua. Con el objeto de que no se acumule nitrógeno en el sistema se realiza una purga continua. La columna de destilación separa por la parte superior alcohol etílico con una concentración del 96 % P/P y por la parte inferior agua con un 10 % P/P de alcohol. Determinar los caudales másicos en kg/día de todas las corrientes y su composición P/P para 100 Kmoles/día de alimentación al reactor. Matriz de corrientes

Corriente F1 A1 F2 P2 A2 P3 D W R

Etileno

Agua

Nitrógeno

Alcohol etílico

Éter etílico

Kg/día % Kg/día % Kg/día % Kg/día % Kg/día % Kg/día % Kg/día % Kg/día % Kg/día

  El óxido de etileno puede obtenerse industrialmente por oxidación del etileno con oxígeno en UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


presencia de un catalizador metálico a 250º C y 20 atm abs. de presión. Se utiliza etileno con una pureza del 98,5 % (el resto son inertes) y oxígeno con una pureza del 99,5 % (resto inertes) y se desea obtener 160 Kmoles/día del producto. En el reactor se tiene una conversión molar por paso del 30 % y se producen dos reacciones simultáneamente, una, la principal, de obtención del óxido de etileno (selectividad: 76 %):

C2H4 + ½ O2  C2H4O y una secundaria de combustión total del etileno. Para mantener una temperatura de reacción baja, la alimentación al reactor es una mezcla de la siguiente composición: etileno: 7 %; oxígeno: 6 %; dióxido de carbono: 9 % y el resto inertes. El efluente del reactor se absorbe en agua que disuelve el óxido de etileno y se destila para separar los productos. Los gases residuales que salen del absorbedor se separan en dos corrientes: la mayor parte se recircula al reactor y el resto se pasa por una torre de absorción con una solución de hidróxido de sodio para eliminar todo el dióxido de carbono y después se une a la recirculación posteriormente de purgar parte de la misma. Calcular las corrientes de la alimentación fresca, las recirculaciones, la purga conjuntamente con sus composiciones.

  UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


El ácido sulfúrico se obtiene a partir de la tostación de piritas con lo que se obtiene dióxido sulfuroso de acuerdo a la siguiente reacción:

FeS2 + 1 ¼ O2  ½ F2O3 + 2 SO2 Para la tostación se emplea aire y una pirita que contiene un 25 % P/P de inertes. Los gases de tostación salen del horno a una temperatura de 500º C y con la siguiente composición: SO2: 9,5 %; O2: 8,6 %; N2: 81,9 %. Calcular el porcentaje de exceso de aire empleado (exceso de aire/aire teórico) y la cantidad de SO2 obtenido por cada 100 Tn de mineral. La conversión por paso de la pirita en el horno de tostación es del 79 % molar.

  Se quiere determinar la composición de un gas que se sabe que contiene solamente propano y butano. Para ello se coloca una determinada cantidad en una cámara hermética a la cual también se le agregó aire. Se le hace saltar una chispa y se produce la combustión total. El análisis de los gases de combustión dio la siguiente composición (en base seca): N 2: 84,8 %; CO2: 11,4 %; O2: 3,8 %. Determinar la composición de la mezcla y si esta se introdujo en la cámara a una presión absoluta de 2,4 kg/cm 2, las presiones parciales de cada uno de los componentes.

  El anhídrido maleico se puede obtener por oxidación del benceno con aire en fase vapor a 400º C y 1 atm. en un reactor tubular utilizando pentóxido de vanadio como catalizador, entrando el oxígeno y el benceno al reactor en condiciones estequiométricas. En el reactor parte del benceno se combustiona a CO2 y H2O. La conversión por paso es del 50 % (el benceno que no ha reaccionado se recircula) y la conversión global de benceno a anhídrido maleico es del 80 %. Las reacciones son las siguientes:

C6H6 + 4,5 O2  C4H2O3 + 2 CO2 + 2 H2O (1) C6H6 + 7,5 O2  6 CO2 + H2O (2)



Realizar el balance de materia de la planta (caudal másico y composición de cada corriente) para producir 1 kg de anhídrido maleico y determinar la selectividad de las reacciones (porcentaje del benceno consumido que se convierte en anhídrido maleico).

  Se tiene 1000 kg. de una solución de carbonato de potasio al 30 % P/P en agua. De esta solución se quiere obtener 150 kg. de K2CO3.2 H2O. Para ello se envía a un evaporador donde se elimina agua hasta saturación a 100º C, para después enfriar en un cristalizador a fin de que precipiten los 150 kg. de K2CO3.2 H2O requeridos. Determinar a que temperatura habrá que enfriar en el cristalizador para obtener lo solicitado. Determinar la cantidad de agua a evaporar en el evaporador. Temperatura (º C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

gr. de K2CO3/100 gr. de agua 101,5 108,0 110,5 113,8 116,9 121,2 126,8 133,1 139,8 147,5 155,7

  Uno de los procesos comerciales para producir silicio puro que se usa para la fabricación de semiconductores se basa en la deposición química de silicio sobre una barra de silicio caliente, en una cámara de deposición, sobre la cual se hace pasar una mezcla de tricloro silano e hidrógeno de alta pureza. El silicio puro se deposita sobre la barra como un sólido policristalino. La reacción es:

H2 (g) + SiHCl3 (g)  Si (s) + 3 HCl (g) En un principio la barra tiene una masa de 1460 gr. La fracción molar del H 2 en la alimentación al reactor es de 0,58 y en el gas de salida de la cámara de deposición es de 0,223. El caudal molar de la corriente de alimentación es de 6,22 kmoles/hr. Determinar cual será la masa de la barra después de 20 minutos.

  Para la obtención de ácido fluorhídrico se hace reaccionar fluoruro de calcio sólido (CaF 2) con ácido sulfúrico formándose sulfato de calcio sólido y fluoruro de hidrógeno gaseoso. El fluoruro de hidrógeno luego se disuelve en agua a fin de obtener el ácido fluorhídrico. El fluoruro de calcio se obtiene a partir de un mineral denominado fluorita que contiene un 96 % P/P de fluoruro de calcio y un 4 % de sílice. Se utiliza para la reacción mencionada UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


anteriormente una solución de ácido sulfúrico al 93 % P/P suministrándolo con un 15 % de exceso como si todo el fluoruro de calcio contenido en la fluorita reaccionara (solamente reacciona el 95 %). En el reactor se produce la siguiente reacción colateral entre el fluoruro de hidrógeno formado y la sílice:

6 HF + SiO2  H2SiF6 + 2 H2O El fluoruro de hidrógeno que sale del reactor se le agrega suficiente agua como para producir una solución de ácido fluorhídrico al 60 % P/P. Determinar el caudal másico de cada corriente como para obtener 100 kg/h de ácido fluorhídrico al 60 % P/P. Tanto el CaSO 4 y el H2SiF6 formado, como así también el CaF 2, H2SO4 que no han reaccionado se eliminan por el fondo del reactor y se desechan.

  Una caldera se alimenta con un fuel oil que tiene la siguiente composición en peso en peso: C: 87 %; H2: 10 %; S: 3 %. El fuel oil se quema con un 25 % de exceso de aire. Dado que la EPA (Environmental Protection Agency – Agencia de Protección Ambiental de EEUU) no permite en determinados estados más que 612,5 ppm de SO 2 en base seca en los gases de salida a la chimenea, los gases de combustión se dividen en dos corrientes: una se envía directamente a la chimenea y la otra a un absorbedor donde se hace pasar a través de una corriente alcalina que elimina el 90 % del SO 2 y el 50 % del CO 2. Se debe determinar que fracción de los gases de combustión que salen de la caldera pasan directamente a la chimenea.

  La cianamida cálcica se obtiene a partir de la caliza (CaCO 3) siguiendo los siguientes procesos:

1) La caliza se calcina en un horno rotatorio a 1040° C con una conversión por paso del 90 %, según la siguiente reacción: UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


CaCO3 (s)  CaO (s) + CO2 (g) 2) La corriente de sólidos que sale del proceso 1 se mezcla con coque (que tiene una pureza del 94 % P/P, el resto son cenizas inertes) y con el carbono puro obtenido del proceso 3, a fin de obtener carburo de calcio. La cantidad de coque a agregar debe ser en cantidad suficiente como si todo el CaO reaccionara. Esta mezcla luego se envía a un horno eléctrico que funciona a una temperatura de 2040° C (en donde se descompone todo el CaCO3 que no se ha calcinado en el proceso anterior). La reacción que se produce es la siguiente (con un 90 % de conversión por paso)

CaO (s) + 3 C (s)  CaC2 (s) + CO 3) El carburo de calcio obtenido en el proceso anterior se lo envía a otro horno eléctrico (que trabaja a una temperatura de 925° C) inyectándole nitrógeno gaseoso con el fin de obtener la cianamida cálcica según la siguiente reacción:

CaC2 (s) + N2 (g)  CaCN2 (s) + C (s) La conversión por paso en este proceso es del 84 %. El carbono puro obtenido se recicla al proceso 2.

4) La cianamida cálcica obtenida contiene carburo de calcio y óxido de calcio como impurezas, por lo que se la enfría con agua que convierte al CaO y al CaC 2 en Ca(OH)2, separándose de la cianamida cálcica (que contiene las cenizas incorporadas en el proceso 2 como impurezas). Las reacciones que se producen son las siguientes (ambas con un 100 % de conversión).

CaO + H2O  Ca(OH)2 CaC2 + 2 H2O  C2H2 + Ca(OH)2 Determinar la composición de la cianamida cálcica obtenida (en % P/P) y los kg obtenidos por kg de CaCO3.

Corrientes Contenido C1 C2 C3 C4 C5 C6

CaCO3 CO2 CaO, CaCO3 CO Coque (C + cenizas) CaC2, CaO, C, cenizas

Corriente Contenido C7 C8 C9 C10 C11 C12


CaCN2, CaC2, CaO,cenizas C N2 H2O Solución de Ca(OH)2 CaCN2, cenizas


  El tetracloruro de carbono se produce mediante la cloración del sulfuro de carbono de acuerdo con la siguiente reacción:

CS2 + 3 Cl2  CCl4 + S2Cl2 (1) Esta reacción es exotérmica y se lleva a cabo a 25° C en fase líquida en un reactor refrigerado usando hierro finamente dividido como catalizador. El S 2Cl2 se envía luego a otro reactor donde se hace reaccionar con más CS2 para seguir formando CCl4. según la siguiente reacción:

CS2 + 2 S2Cl2  6 S + CCl4 (2) Esta reacción también se lleva a cabo en fase líquida y a 60° C, produciendo azufre como residuo, el que se recicla a la sección de fabricación de CS 2. El método clásico de preparación del CS2 es la reacción directa del azufre con el carbón en un horno eléctrico:

C + 2 S  CS2 (3) El siguiente diagrama esquematiza el flow-sheet de la planta. Referencias Corrientes C1 C2 C3 C4 C5 C6, C7, C8

Carbón puro Mezcla de carbón y azufre proporciones estequiométricas Cloro puro CCl4 y S2Cl2 Derivación de CS2 CCl4 puro

Equipos Reactor 1

Producción de CS2 (Reacción 3)

Reactor 2

Producción de CCl4 (Reacción 1)

Separador Reactor 3

Separación del CCl4 y el S2Cl2 Producción de CCl4 (Reacción 2)

en



C9

Reciclo de azufre puro

En cada reactor la conversión molar por paso es del 100 %. Determinar el caudal molar y la composición de cada corriente para una producción del 100 Kmoles de CCl4.

  El acrilonitrilo (CH2=CH-CN) se obtiene industrialmente haciendo reaccionar el acetileno y el ácido cianhídrico en fase gaseosa. La alimentación fresca al reactor tiene la siguiente relación molar: C2H2/HCN 10/1 y un 5 % de inertes. La conversión por paso es del 80 % sobre el reactivo limitante y la selectividad del 100 %. Del efluente del reactor se condensa todo el acrilonitrilo formado y se hacen recircular los gases que no han reaccionado, previa purga para mantener la concentración de inertes en la recirculación en el 6 %. Calcular la composición y el caudal molar de la recirculación por Kmol de alimentación fresca. Reacción: CH CH

+ HCN

CH2=CH-CN

  El n – hexano se quema con aire en exceso, obteniéndose una corriente de gases de combustión que tiene la siguiente composición (en base seca): n – hexano: 0,268 %; oxígeno: 7,60 %; dióxido de carbono: 9,10 % y el resto nitrógeno. Determinar el porcentaje de aire en exceso (sobre la combustión total del n – hexano) y la conversión por paso.

  El cloruro de etilo se puede preparar haciendo reaccionar etano con cloro mediante la siguiente reacción: UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


2 C2H6 + Cl2



2 C2H5.Cl + H2

En el proceso (tal como se muestra en la figura) la alimentación fresca se mezcla con el reciclo y alimentan al reactor. Para lograr una alta conversión por paso (60 %) en la alimentación al reactor debe haber un 100 % de exceso de cloro sobre el etano. Para esas condiciones determinar la composición de la alimentación fresca y la relación de los moles del reciclo por cada mol de alimentación fresca (R/F1)

  Se sabe que un gas combustible contiene metano, etano y dióxido de carbono. Se queman 100 moles/minuto de ese gas con 921 moles/minuto de aire. Se toma 1 mol de los gases de combustión y se lo pasa por un condensador donde se retiene toda el agua producto de la combustión, determinándose que el agua condensada tiene una masa de 2,268 gramos. Posteriormente se realiza un análisis Orsat de los gases de combustión (que contiene CO 2, O2 en exceso y N2 y no contiene CO ni hidrocarburos sin combustionar) y se encuentra que tiene 11,9 % de CO2, que. Determinar la composición del gas combustible, como así también la de los gases de combustión en base seca. Comprobar los resultados realizando un balance de masa.

  Para obtener ácido nítrico se utiliza como materia prima el amoniaco, el cual se oxida con aire para obtener NO, de acuerdo con la siguiente reacción:

4 NH3 + 5 O2  4 NO + 6 H2O Se produce como reacción secundaria la siguiente:

2 NH3 + 3/2 O2  N2 + 3 H2O



En un reactor se ingresan 100 moles de NH 3 por minuto con 900 moles de aire (a 150º C). Del reactor sale, por minuto, una corriente de gases que tiene la siguiente composición: NO: 90 moles; H2O: 168 moles; N2: 716 moles; O2: 69 moles. Determinar cual es la conversión por paso y la selectividad.

  Una mezcla de acetileno (C2H2), de etileno (C2H4) y de agua alimenta un reactor como una corriente gaseosas. Las reacciones que se producen son las siguientes: C2 H4

+

CH.CH

H2 O

+

H2 O

CH3.CH2.OH

CH3.CHO

La conversión por paso del etileno es del 60 % en la reacción para producir alcohol. En la reacción del acetileno para producir acetaldehído la conversión por paso no es del 100 %. La alimentación al reactor tiene una relación molar entre el acetileno a etileno de 1,1:1 y también 1 kg de agua por kg de etileno que entra al reactor. Los productos que salen del reactor pasan a un separador en donde se obtiene varias corrientes: una de etanol líquido puro, otra de acetaldehído más agua y una corriente gaseosa de etileno más acetileno la cual se compone de 52,5 % de acetileno, que se recicla al reactor. Calcular la relación entre la corriente de reciclo y la alimentación nueva como así también la cantidad de alcohol y acido acético puro producido por cada 100 moles de etileno en la alimentación al reactor.

  El clorobenceno (C6H5.Cl) se prepara haciendo reaccionar cloro gaseoso a través de benceno líquido en presencia de un catalizador de cloruro férrico. SE producen reacciones colaterales para formar diclorobenceno y triclorobenceno. Se alimenta al reactor (que trabaja en estado continuo) con benceno puro y cloro grado técnico (que contiene un 98 % de cloro P/P y el resto impurezas que no entran en las reacciones, con un peso molecular promedio de 25). El efluente del reactor se divide en una corriente líquida (que contiene 65 % P/P de C6H6 sin reaccionar, 32 % P/P de C6H5.Cl, 2,5 % P/P de C6H4.Cl2 y 0,5 P/P % de C6H3.Cl3), y otra gaseosa que contiene solo HCl y las impurezas que entraron con el cloro. Determina: el porcentaje de alimentación en exceso (moles de benceno en exceso/moles de benceno que reaccionó); la conversión por paso del benceno, la selectividad a monoclorobenceno y la composición molar del las corrientes de salida del reactor.

Reacciones: C6H6 + Cl2  C6H5.Cl + HCl C6H6 + 2 Cl2  C6H4.Cl2 + 2 HCl C6H6 + 3 Cl2  C6H3.Cl3 + 2 HCl   El propileno se hidrogena en un reactor discontinuo de planta piloto para formar propano: UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


C3H6 (g) + H2 (g)  C3H8 (g) Se carga el reactor con un mol de propileno y un mol de hidrógeno a 25º C y a una presión absoluta de 32 atm. Después que se produce la reacción la temperatura se eleva a 250º C. Suponiendo que los gases se comporten como ideales, determinar: 1) Si la reacción tiene una conversión del 100 %, cual será la presión final a la temperatura de 250º C. 2) Si la presión que se alcanza en el reactor, a 250º C, es de 35,1 atm. absolutas, cual será la conversión de la reacción.

  La alimentación fresca a un reactor de síntesis de amoníaco consiste en una mezcla estequiométrica de N2 e H2 y como impureza contiene 1,6 % de argón. En las condiciones de operación la conversión por paso es del 30 %. Los productos pasan a un separador donde se elimina el amoníaco formado y se recicla al reactor, previa purga. La alimentación al reactor no debe superar el 2 % de argón. Determinar la composición de la purga y que cantidad de moles se purgan por cada 1 Tn de amoníaco producido.

  Unos de los métodos para poder determinar el caudal en grandes cañerías es el método de dilución, que consiste en inyectar en un punto de la tubería una sustancia que sea fácilmente detectable (que se denomina trazador) y luego analizar la concentración del mismo en un punto lo suficientemente alejado del primero para que se haya producido la mezcla total del trazador con el flujo de la tubería. Un gas que contiene 1 % molar de CO2 y el resto metano circula por una tubería en donde en un determinado punto se le inyectan 50 kg/minuto de CO 2. En otro punto alejado se encuentra que la concentración de CO2 es de 1,7 %. Calcular el caudal en moles/minuto del gas en el punto de inyección del trazador

  Se puede obtener benceno por deshidrogenación del tolueno en un reactor continuo. Como reacción secundaria se produce difenilo. La relación molar del tolueno al hidrógeno en la alimentación al reactor es 1:1 y la conversión por paso es del 50 %. Los productos que salen del reactor se envían a un separador donde la fracción líquida (benceno, tolueno y difenilo) se separa de la fracción gaseosa (metano, hidrógeno). La fracción líquida se envía a una columna de destilación donde separa el benceno puro y una mezcla tolueno – difenilo (esta mezcla tiene la siguiente composición molar: tolueno: 90 %; difenilo: 10 %). La fracción tolueno – difenilo se recircula al reactor previa purga. La corriente gaseosa que sale del separador también se recircula al reactor previa purga de 100 kmoles/hr. La alimentación fresca al reactor es de 95 Kmoles/hr de hidrógeno y 100 Kmoles /hr de tolueno. Determinar la selectividad de las reacciones y la composición de la alimentación al reactor. Reacciones: UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


Corrientes

F1

F2

A

R

H

P

O

C2H6 (CH2)2O Fracciones molares

H2O O2 N2

Caudal molar



C6H5.CH3 + H2 2 C6H5.CH3 + H2 

C6H6 + CH4

C6H5-C6H5 + 2 CH4

  Se va a producir óxido de etileno oxidación directa etano con aire. reacción es la siguiente:

por del La



C2H6 + O2 (CH2)2O + H2O

La relación entre el oxígeno y el etano en la alimentación al reactor es de 10:1 molar. La conversión por paso es del 18 %. Los productos que salen del reactor se envían a un separador donde el etano que no reaccionó se recicla al reactor, el oxígeno y nitrógeno se purgan, al igual que el agua formada y se separa una corriente de óxido de etileno puro. Determinar el caudal molar y la composición de todas las corrientes para una producción de 100 kmoles de óxido de etileno. Realizar un balance de masa.

 Se desea producir 1 Tn/hr de hierro metálico reduciendo óxido férrico con hidrógeno, de acuerdo a la siguiente reacción: F2O3 + 3 H2



2 Feº + 3 H2O

Los productos que salen del reactor se envían a un condensador donde se separa el agua formada y se recircula el hidrógeno que no ha reaccionado (ver figura). Debido a que el hidrógeno de la corriente de la alimentación fresca (F1) contiene un 1 % de UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


CO2 como impureza es necesario realizar una purga de manera tal que el contenido de este componente en la corriente de alimentación de hidrógeno al reactor (F2) no supere el 3,5 %. Si la relación molar de la corriente de recirculación (R) a la de la alimentación fresca (F1) es de 5:1 determinar el caudal molar de la purga (P) y su composición.

 En una planta se produce un gas que tiene que ser eliminado por combustión cuya composición es: CS2: 35 %; SO2: 10 %; H2O: 55 %. Calcular la cantidad de aire a utilizar por cada 100 moles de gas para que el SO 2 contenido en los gases de combustión no supere el 2 %. Suponer que se logra quemar totalmente el CS 2.  Un gas está constituido por una mezcla de propano y butano. Para determinar su composición una muestra se quema totalmente con aire en exceso. La composición de los gases de combustión (en base seca) es la siguiente: N 2: 84,8 %, CO2: 11,4 % y O2: 3,8 %. Determinar la composición del gas y el exceso de aire utilizado.  La urea se puede fabricar haciendo reaccionar metano, agua y nitrógeno a partir de las siguientes reacciones múltiples simultaneas:

NH3

CH4 + H2O  CO + 3 H2 CO + H2O  CO2 + H2 N2 + 3 H2  2 NH3 + 0,5 CO2  0,5 (NH2)2CO + 0,5 H2O

Se necesita diseñar un proceso para obtener 100 mol gr/min de urea en régimen estacionario a partir del metano, agua y nitrógeno. La corriente de salida del reactor no debe contener ningún reactante ni productos intermedios (CO, CO 2 o NH3), solamente contiene urea e hidrógeno. Determinar la composición de la alimentación y la de la corriente de salida del reactor. CH4 UTN - FRR. H2O DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

N2


 Una mezcla gaseosa con la siguiente composición: H 2: 68,4 %; N2: 22,6 %; CO2: 9 % se introduce en un reactor produciéndose las siguientes reacciones: (NH2)2CO H2 N2 + 3 H2  2 NH3 CO2 + H2  CO + H2O Hasta que los productos contienen 15 % de NH 3 y 5 % de H2O. Determinar la composición molar de los productos, que contiene N 2, H2, CO2, CO, NH3 y H2O.  Se desea conocer el caudal másico de los gases que salen por una chimenea. El gas de entrada a la chimenea contiene CO 2 con una concentración de 2,1 % P/P. Por el fondo de la chimenea se introduce CO2 puro con un caudal de 2 kg/min. Los gases que salen de la chimenea contienen 3,2 % P/P de CO 2. Determinar con esos datos el caudal másico de gases en la chimenea.  Un horno para la obtención de cal viva a partir de la calcinación de la caliza emplea como combustible un gas natural que tiene la siguiente composición: CH 4: 80,1 %, C2H6: 9,8 % N2: 10,1 %. La caliza tiene un 96,7 % P/P de carbonato de calcio, 2,1 % de humedad y el resto material inerte. El análisis de los gases que salen del horno tienen la siguiente composición: CO2: 17,7 %, O2: 3,4 %, N2: 78,9 %. Determinar los kilogramos de cal que se producen y el número de kilomoles de aire utilizado por cada 100 kilomoles de gas natural consumido.  Se quema n-hexano (C6H14) con aire en exceso. El análisis de los productos de la combustión en base seca arroja el siguiente resultado: N 2: 82,1 %, CO2:9 %, O2: 8,6 %, C4H16: 0,3. Calcular la conversión por paso de la combustión y el porcentaje de exceso de aire con que se alimentó al reactor.  Para producir una mezcla reductora de CO e H 2 se hace reaccionar metano con vapor de agua de acuerdo a la siguiente reacción: CH4 + H2O



CO + 3 H2

Como reacción colateral reacciona el CO con vapor de agua: UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


CO + H2O



CO2 + H2

La conversión molar por paso del CH4 es del 95 %. Si se alimenta el reactor con 1000 moles de metano por hora y 2500 moles de agua por hora determinar la selectividad si en la corriente de salida del reactor se tiene un 7 % molar de CO2 en base seca.  Una mezcla gaseosa con la siguiente composición: H 2: 68,4 %; N2: 22,6 %; CO2: 9 % se introduce en un reactor produciéndose las siguientes reacciones: N2 + 3 H2  2 NH3 CO2 + H2  CO + H2O Hasta que los productos contienen 15 % de NH 3 y 5 % de H2O. Determinar la composición molar de los productos, que contiene N 2, H2, CO2, CO, NH3 y H2O.  Se está probando un nuevo catalizador para producir un gas reductor que consiste en una mezcla de CO e H2. Para ello se hace reaccionar en un primer reactor metano con vapor de agua en exceso, produciéndose la siguiente reacción:

CH4 + 2 H2O



CO2 + 4 H2

(1)

Una segunda reacción, que se produce en el mismo reactor, convierte el CO2 a CO por medio de la siguiente reacción:

CO2 + H2



CO + H2O

(2)

La conversión molar por paso del metano en la primera reacción es del 100 % y la del CO 2 en la segunda es del 80 % del. Los productos que salen del reactor (que contiene CO 2, H2, CO y H2O) se envían a un condensador que condensa y elimina todo el vapor de agua de esta corriente (se condensa 100 moles de agua por cada 100 moles de metano) y luego se envían a un segundo reactor donde solamente se produce la reacción (2) siendo su conversión molar por paso de esta reacción del 100 %. El análisis de lo gases reductores que salen del segundo reactor (en base seca) determina que contiene un 25 % de CO y un 75 % de H2. Determinar la relación molar del metano y el agua que se alimenta al primer reactor.

 Un gas combustible contiene una mezcla de CH 4, CH3.OH y N2 se quema con aire en un 20 % de exceso sobre el aire estequiometrico para producir la combustión. La composición de los gases de combustión en base seca, es la siguiente: CO 2: 10,2 %; O2: 3,7 % y N2: 86 %. Determinar la composición de la mezcla de gas combustible y los moles de aire necesario para producir 100 moles de gases de combustión sin considerar el agua.  UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


Un gas está constituido por una mezcla de propano y butano. Para determinar su composición una muestra se quema totalmente con aire en exceso. La composición de los gases de combustión (en base seca) es la siguiente: N 2: 84,8 %, CO2: 11,4 % y O2: 3,8 %. Determinar la composición del gas y el exceso de aire utilizado.  La urea se puede fabricar haciendo reaccionar metano, agua y nitrógeno a partir de las siguientes reacciones múltiples simultaneas:

NH3

CH4 + H2O  CO + 3 H2 CO + H2O  CO2 + H2 N2 + 3 H2  2 NH3 + 0,5 CO2  0,5 (NH2)2CO + 0,5 H2O

Se necesita diseñar un proceso para obtener 100 mol gr/min de urea en régimen estacionario a partir del metano, agua y nitrógeno. La corriente de salida del reactor no debe contener ningún reactante ni productos intermedios (CO, CO 2 o NH3), solamente contiene urea e hidrógeno. Determinar la composición de la alimentación y la de la corriente de salida del reactor. CH4 H2O N2

(NH2)2CO H2

 Una fábrica de biodiesel produce como subproducto glicerina para lo cual se propone reaccionar la misma con vapor de agua a alta presión y temperatura para producir hidrógeno de acuerdo a la siguiente reacción: C3H8O3 + 3 H2O



3 CO2 + 7 H2

En la alimentación al reactor se mantiene una relación molar de agua a glicerina de 5 a 1. La fracción molar del H 2 en la corriente de productos es de 0,54. Determinar para esas condiciones la conversión por paso.  Se quema n-hexano (C6H14) con aire en exceso. Un análisis de los gases de combustión determina que tiene la siguiente composición; N 2: 83,6 %; CO2: 10,80 %; O2: 5,13 %; y C6H14: 0,47 %. Calcular la conversión por paso y el exceso de aire utilizado (moles de aire ingresados al quemador/ moles de aire usados en la combustión). 



Se desea producir 1 Tn/hr de hierro metálico reduciendo óxido férrico con hidrógeno, de acuerdo a la siguiente reacción: F2O3 + 3 H2



2 Feº + 3 H2O

Los productos que salen del reactor se envían a un condensador donde se separa el agua formada y se recircula el hidrógeno que no ha reaccionado (ver figura). Debido a que el hidrógeno de la corriente de la alimentación fresca (F1) contiene un 1 % de CO2 como impureza es necesario realizar una purga de manera tal que el contenido de este componente en la corriente de alimentación de hidrógeno al reactor (F2) no supere el 3,5 %. Si la relación molar de la corriente de recirculación (R) a la de la alimentación fresca (F1) es de 5:1 determinar el caudal molar de la purga (P) y su composición.

 Se produce óxido de etileno por oxidación parcial del etileno por la siguiente reacción: 2 C2H4 + O2



2 C2H4O

Como reacción colateral no deseada se produce la combustión del etileno: C2H4 + 3 O2



2 CO2 + 2 H2O

En un reactor discontinuo se carga con etileno, O 2 y N2 con una composición molar inicial iguala a la siguiente: C2H4: 10 %, O2: 12 y N2: 78 %. Se calienta el reactor para que se produzca la reacción y luego se enfría para condensar toda el agua y se analiza los gases de salida y se encuentra que todo el O2 se consumió y que la concentración molar del etileno en estos gases es de 5,1 %. Determinar la conversión por paso y la selectividad.  La isobutilacetofenona (que es un intermediario para producir ibuprofeno) se produce haciendo reaccionar el isobutilbenceno (C 10H14) y el anhídrido acético (C4H6O3) en un reactor catalítico, produciendo ácido acético como subproducto. El UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


reactor se C10H14alimenta con 1200 mol gr/hr de isobutibenceno y 1200 mol gr/hr de anhídrido acético produciéndose la siguiente reacción: C10H14 + C4H6O3



C12H16O + CH3COOH

El análisis químico de la corriente de salida del reactor determina que contiene un 42 % molar de ácido acético. Determinar la composición del efluente del reactor y la conversión molar por paso.  La urea (NH2)2CO se fabrica haciendo reaccionar amoníaco con bióxido de carbono. 2 NH3 + CO2



(NH2)2CO + H2O

Para ello se mezclan dos corrientes gaseosas, una con un caudal de 230 moles/minuto y una composición de 85 % de NH 3 y 15 % de CO2 y otra con un caudal de 100 molgr/minuto y una composición de 80 % de CO 2 y 20 % de agua, alimentándose después al reactor. Dentro del reactor el NH 3 reacciona a razón de 180 molgr/minuto. Determinar la composición de la corriente de productos y la conversión molar por paso.  Se alimenta un reactor con una corriente de N 2O4 con un caudal molar de 84 mol gr/min en donde se descompone en parte en NO2, de acuerdo a la siguiente reacción: N2O4



2 NO2

El caudal molar a la salida del reactor es de 110 mol gr/min. Calcular la conversión por paso y la composición de los gases de salida del reactor.  El formaldehído (H.CHO) se produce por oxidación parcial del metanol (CH 3.OH) con oxígeno puro. Cuando se produce este compuesto también se presentan reacciones secundarias como la formación de ácido fórmico (H.COOH) y la de combustión total. Un reactor se alimenta con 100 kmoles/hr de metanol y 40 kmoles/hr de O 2. La conversión molar por paso del metanol es del 40 % y el 95 % de los moles del oxígeno se consume. La corriente de los productos de estas reacciones tiene un 10 % de CO2 (tomado en base seca). Determinar la composición de la corriente de productos a la salida del reactor.  El alcohol iso propílico se produce por hidrogenación de la acetona, según la siguiente fórmula: C2 H6O + H2




C3H8O CÁTEDRA DE INTEGRACIÓN II PAG. 25

El formaldehído (H.CHO) se produce por oxidación parcial del metanol (CH 3.OH) con oxígeno puro. Cuando se produce este compuesto también se presentan reacciones secundarias como la formación de ácido fórmico (H.COOH) y la de combustión total. Un reactor se alimenta con 100 kmoles/hr de metanol y 40 kmoles/hr de O 2. La conversión molar por paso del metanol es del 40 % y el 95 % de los moles del oxígeno se consume. La corriente de los productos de estas reacciones tiene un 10 % de CO2 (tomado en base seca). Determinar la composición de la corriente de productos a la salida del reactor. Los reactantes entran al reactor en proporciones estequiométricas y la conversión por paso es del 45 %. Los productos salen del reactor y se envían a un separador de el cual se obtienen tres corrientes, una de H2 que no ha reaccionado (que se recicla al reactor) otra de acetona que no ha reaccionado (que también se recicla) y la última de alcohol isopropílico, que es el producto deseado. Obtener los caudales molares y la composición de cada corriente para obtener 100 kmoles de alcohol.

El metanol se puede obtener haciendo reaccionar monóxido de carbono e hidrógeno según la siguiente reacción: CO + 2 H2



CH3.OH

Una corriente de alimentación fresca se une a una corriente de recirculación y se alimenta al reactor. La corriente que sale del reactor pasa por un condensador y condensa parte del metanol formado, mientras se hace recircular el monóxido de carbono que no ha reaccionado y el metanol no condensado. La corriente que va del reactor al condensador tiene un caudal molar de 275 moles por minuto y contiene 11,2 % P/P de hidrógeno; 78,46 % P/P de monóxido y 10,34 % P/P de metanol. La fracción molar de metanol en la corriente de recirculación es de 0,004. Calcular el caudal molar del CO e H2 en la alimentación fresca, la cantidad de metanol líquido producido y la composición del reciclo.  Una planta produce etileno para otros dos procesos, uno en donde se produce óxido de etileno mediante la siguiente reacción: UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


CH2=CH2 + ½ O2

→

CH2.CH2.O

(1)

En el otro proceso se produce alcohol etílico por la siguiente reacción: CH2=CH2 + H2O

→

CH3.CH2.OH

(2)

En la alimentación al reactor F la relación molar entre el etileno, el oxígeno y el agua es de 1:1:1. Esta corriente se divide en dos y el 25 % molar se envía al reactor 1 (donde se produce la reacción 1 mediante un catalizador selectivo) y el 75 % restante al reactor 2 (donde se produce la reacción 2 mediante otro catalizador). Las corrientes que salen de los reactores se envían a un separador donde se separa una corriente de óxido de etileno (puro) otra de alcohol etílico (puro) y una corriente de reciclo que vuelve al mezclador de la alimentación. Para 100 moles de etileno en la corriente F se obtienen 7,5 moles de óxido de etileno y 41,25 moles de alcohol etílico. Determinar que cantidad de etileno, oxígeno y agua debe tener la alimentación fresca, la composición del reciclo y la conversión por paso de cada reactor.

 Se produce NH3 mezclando con una corriente de hidrógeno que contiene un 2 % de inertes y una de nitrógeno que contiene un 3,5 % de inertes. La corriente de alimentación al reactor no debe contener más de un 15 % de inertes y el H 2 y N2 deben estar en proporciones estequiométricas. La conversión por paso es del 30 %, por lo que la corriente de salida del reactor se envía a un separador para extraer el NH3 producido y reciclar los gases que no han reaccionado al reactor, produciendo previamente una purga. Determinar el caudal molar de la corriente fresca de H 2, N2 y de purga para producir 100 moles de NH3



 En un quemador de una planta de energía se utiliza metano como combustible, quemándolo con una 80 % de exceso de aire (sobre el teórico necesario). El quemador no funciona bien y no quema totalmente al metano y parte lo hace a monóxido de carbono. La conversión por paso es del 90 % y la selectividad del 75 %. A fin de darle una solución rápida a esta falla y a su ves quemar el metano que no ha reaccionado, el monóxido de carbono formado y aumentar la temperatura de los gases, se agrega un post quemador más eficiente, donde se inyecta el metano suficiente para utilizar todo el oxígeno remanente. Determinar por cada 100 moles de metano utilizado en el quemador, cuanto metano se debe agregar en el post quemador y la composición de los gases de salida de este.  El clorobenceno se produce haciendo reaccionar cloro gaseoso a través de benceno líquido. Como reacciones secundarias no deseadas el clorobenceno sigue reaccionando con el cloro produciendo diclorobenceno y luego triclorobenceno. La alimentación al reactor consiste de benceno puro y cloro grado técnico (98 % P/P de cloro y 2 % P/P de inertes de peso molecular promedio de 25). El líquido a la salida del reactor contiene un 65 % P/P de benceno, 32 % P/P de monoclorobenceno, 2,5 % P/P de diclorobenceno y 0,5 % P/P de triclorobenceno. El gas que sale del reactor contiene solamente HCl y los inertes que arrastra el cloro. Determinar la conversión molar por paso del benceno y su selectividad como así también la composición molar de los gases de salida del reactor.  El dióxido de cloro se utiliza para blanquear la pasta de celulosa. Una forma de producirlo es según la siguiente reacción: 6 NaClO3 + 6 H2SO4 + CH3OH  6 ClO2 + 6 NaHSO4 + CO2 + 5 H2O

En un reactor cubierto de plomo se carga 1500 kmoles de NaClO 3, 1500 kmoles de H2SO4 y 200 kmoles de CH3OH. Se cierra el reactor y se realiza la reacción. Suponiendo que la conversión molar por paso del reactivo limitante es del 90 %, determinar la composición de los productos que salen del reactor.  El n-butano se deshidrogena a buteno en un reactor catalítico donde la conversión molar por paso es del 5 % y la selectividad (moles de butano reaccionante al producto deseado) es del 50 %. El efluente del reactor se envía a una planta de separación que genera cuatro corrientes: una de butano que se recicla al reactor, una segunda de butano, una tercera de coque y una cuarta un gas residual que tiene la siguiente composición: CH4: 5 %; C2H6: 15 %; C2H4: 10 %; H2: 70 %. Calcular los kmoles de butano, coque y gas residual producido por kmol de butano en la alimentación fresca. Desarrollar el balance de masa del sistema.  UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


El análisis de un combustible es el siguiente: 87,3 % P/P de C; 12,6 % P/P de H 2 y 0,1 % P/P de S. Este combustible se quema con un 20 % de exceso de aire. El aire se precalienta a 171º C y entra al quemador a una presión manométrica de 180 mm de Hg. El azufre y el hidrógeno se oxidan completamente y el carbono un 5 % se quema a CO y el resto a CO2. Calcular la relación de m3 de aire por kg de combustible en esas condiciones.  Se alimenta 10000 kg/h a un sistema evaporador – cristalizador con una solución al 30 % P/P de Na2CO3 tal como muestra la figura, obteniéndose una corriente de cristales secos y con 100 % de pureza, y una solución residual saturada cuya concentración es de 17,7 % P/P de Na2CO3. La relación del caudal másico de cristales a la de solución residual es de 3,5. Determinar el caudal másico de todas las corrientes.

 El etanol se puede producir por hidratación del etileno: 

C2H4 + H2O

C2H5.OH

Como reacción secundaria se produce dietil éter: 2 C2H5.OH



(C2H5)2O + H2O

La alimentación al reactor contiene etileno y vapor de agua en una relación molar de 3:2 y 10 % molar de sustancias inertes. La conversión por paso molar del etileno es del 20 % y la selectividad del 58 %. Calcular la composición molar del efluente del reactor  El etilen glicol (HOCH2-CH2OH) se utiliza como anticongelante y se obtiene haciendo reaccionar óxido de etileno con agua de acuerdo a la siguiente reacción: C2H4O + H2O



HOCH2-CH2OH

Como reacción colateral no deseada es la reacción del etilen glicol con oxido de etileno para producir di etilen glicol. La reacción es la siguiente:





HOCH2-CH2OH + C2H4O

HOCH2CH2-O-CH2CH2OH

En un reactor catalítico se alimenta con 10 mol gr/min de óxido de etileno y 30 mol gr/min de agua. La conversión por paso del óxido de etileno es del 92 % y la selectividad del 85 %. Determinar la composición de la corriente de salida del reactor.  Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído por deshidrogenación del alcohol metílico por medio de la siguiente ecuación: CH3.OH



H.CHO + H2

La conversión por paso en el reactor es del 70 %. Posteriormente un equipo separa las corrientes de formaldehído, de metanol no reaccionado y la de hidrógeno. Se deben obtener 600 kg de formaldehído. Calcular la alimentación fresca de metanol a utilizar en los siguientes casos: cuando no hay recirculación; cuando se recircula el metanol recuperado.  Se desea saber el caudal másico de los gases que salen de una chimenea. Se sabe que lo gases que entran a la chimenea contienen un 2,1 % P/P de CO 2. En un punto intermedio de la misma se introducen 2 kg/min de CO 2 puro y al analizar el gas de salida de la chimenea se determina que contienen 3,2 % de CO 2 P/P. Calcular el caudal másico.  El metano y el oxígeno reaccionan en presencia de un catalizador para producir formaldehído. En una reacción paralela parte del metano combustiona a CO 2 y H2O.

 HCHO + H2O CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O CH4 + O2

La relación molar entre el metano y el oxígeno en la entrada al reactor es de 1:1. La conversión por paso del metano es del 70 % y la selectividad del 85 %. Calcular la composición en base seca de los productos a la salida del reactor.  El alcohol metílico se puede obtener haciendo reaccionar CO y H 2: CO + 2H2



CH3OH

La corriente fresca al reactor (F) contiene solo CO y H 2; posteriormente se une a una corriente de recirculación (R) y la mezcla de ambas alimenta la reactor (corriente F1). Parte del metanol formado se condensa y se recircula el resto conjuntamente con el CO y H2 que no ha reaccionado. La corriente que sale del reactor (P) tiene un UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


caudal 275

molar

de

moles/minuto y su composición es la siguiente: H 2: 10,6 % P/P; CO: 64 % P/P y 25,4 % P/P de CH3OH. La fracción molar del metanol en la corriente de recirculación ( R) es de 0,04. Determinar los moles de CH 3OH obtenido en la corriente P1 y la conversión por paso.

 Una solución de Na2CO3 al 30 % P/P se alimenta con un caudal másico de 10000 kg/hr a un sistema constituido por un evaporador y un cristalizador. La relación en masa de los cristales que se obtienen en el cristalizador respecto a la solución saturada es de 3,5. La solución saturada tiene una concentración del 17,7 % P/P de Na2CO3. Determinar que cantidad de cristales se obtienen y que cantidad de vapor de agua se elimina en el evaporador.

 UTN - FRR. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA


Una mezcla que contiene 84,2 % P/P de Si Cl 4 y 15,8 % P/P de Zn se alimenta continuamente en un reactor experimental con un caudal de 303 gr/hr operando en estado estacionario. Dentro del reactor se produce silicio mediante la siguiente reacción:

SiCl4 + 2 Zn



Siº + 2 ZnCl2

La corriente de salida del reactor contiene Siº, ZnCl 2 y SiCl4. Calcular la composición de la corriente de salida (P/P)  Un reactor continuo y en estado estacionario para producir óxido de etileno se alimenta con 20000 kmoles/hr de de etileno y con 11000 kmoles/hr de oxígeno puro. La reacción principal es la siguiente: C2H4 + ½ O2



C2H4O

Como reacción secundaria se produce la de combustión. La conversión por paso del etileno es del 25 % y se consume el 90 % del oxígeno. La corriente de salida del reactor contiene C2H4, O2, CO2, H2O y C2H4O. Determinar la composición de esta corriente.  El anhídrido maleico se produce oxidando el benceno con aire en un reactor catalítico a 400º C. La reacción es la siguiente: C6H6 + 4,5 O2



C4H2O3 + 2 CO2 + 2 H2O

Como reacción secundaria se produce la reacción de combustión del benceno C6H6 + 7,5 O2



6 CO2 + 3 H2O

El oxígeno y el benceno entran al reactor en proporciones estequiométricas (para la reacción principal). La conversión molar por paso es del 50 %, recirculándose solamente el benceno que no ha reaccionado, los demás productos que salen por la corriente P. El rendimiento global del proceso (moles de anhídrido maleico producido por moles de benceno en la alimentación fresca) es del 90 %. Determinar la selectividad de la reacción y la composición molar de cada una de las corrientes.



F1

F2

R

P

C6H6 C4H2O3 O2 N2 CO2 H2O

 En una fábrica de extracción de aceite vegetal el n-hexano residual (C6H14) se lo envía a la caldera para su combustión con aire en exceso. Por defecto de los quemadores la combustión no es total, por lo cual se obtiene un gas de combustión con la siguiente composición: CO2: 6,3 %, C6H14: 0,7 %, O2: 11,6 %, N2: 81,3 %. Determinar la conversión por paso y el exceso de aire (moles de aire totales/moles de aire necesarios para la combustión total).  La reacción entre el etileno y el ácido bromhídrico se realiza en un reactor continuo. Se analiza la corriente que sale del reactor y se encuentra que contiene 50 % en moles de C2H5.Br y 33,3 % de HBr. La alimentación al reactor contiene solo etileno y ácido bromhídrico. Calcular la conversión por paso, determinar el reactivo limitante y el exceso en que se encuentra este. Reacción: C2H4 + HBr




C2H5.Br


Problemas de Examen - III

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