Cuadernillo Balances Unidad2 Lrm 3n166b
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE COAHUILA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
Titular: Lucero Rosales Marines
BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
INGENIERO QUÍMICO
Cuadernillo de Trabajo Alumno: _______________________________________________________________________ Modulo: 667119
AGOSTO -‐ DICIEMBRE 2013 SALTILLO; COAHUILA
Unidad II BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA Preguntas: 1. ¿Cuál es la diferencia de un sistema estacionario y un sistema dinámico? 2. De manera general, ¿cual cree usted es el procedimiento a seguir para abordar y comenzar a resolver un problema de balance de materia?, ¿Cuál sería la secuencia de pasos que usted haría? 3. ¿En qué consiste la acumulación en un sistema?, cite tres ejemplos. 4. Explique la importancia de un análisis de grados de libertad antes de tratar de resolver un problema de Balances de Materia. 5. Expliquen al menos tres motivos del porque es importante usar la recirculación en un proceso químico. 6. ¿Qué uso e importancia tienen las reacciones de combustión y porque en su mayoría hacen referencia de O2 en exceso? 7. ¿Qué es un gas de chimenea? 8. ¿Qué es lo que se ve afectado en caso de que se llegue a realizar cálculos y operaciones sin tomar en cuenta la estequiometria de la reacción? 9. ¿Por qué es importante que algunos procesos deban tener una corriente de purgado? 10. ¿Cuál es la diferencia entre derivación y purgado en un proceso? 11. ¿Qué es una una conversión fraccional global y una conversión fraccional en una sola pasada? 2.1. Balances de Materia sin Reacción Química 1. Con el objeto de preparar una disolución de ácido sulfúrico al 50.0%, un acido diluido de desecho de desecho que contiene 28.0% de H2SO4, se mezcla con un ácido comprado que contiene 96.0% de H2SO4 ¿Cuántos kilogramos del ácido concentrado será necesario adquirir por cada 100kg de ácido diluido? 2. Un secador ite madera mojada (30.5% agua) y reduce el contenido de agua al 5.6%. Queremos determinar los kg de agua eliminados por kg de madera que ingresa en el proceso. Haga un dibujo del proceso, coloque los datos en la figura, determine el número de variables cuyos valores se desconocen y el número de ecuaciones independientes que es posible escribir para el proceso, calcule los grados de libertad, escoja una base de cálculo (en caso de ser necesario), ¿Puede haber una solución única?
3. Se introducen introducen cristales de Na2CO3*10H2O en una disolución saturada de Na2CO3 en agua a lOO°C. ¿Qué porcentaje del Na2CO3 del Na2CO3 * 10H20 se recupera en el sólido que precipita, el cual es Na2CO3 * H2O? Datos a 100°C: La disolución saturada tiene 3 1.2% de Na2CO3; el peso molecular del Na2CO3 es 106. 4. Una disolución acuosa contiene 60% de Na2 S2O2 junto con 1% de impurezas solubles. Al enfriarla a lO°C, se separa por cristalización Na2S2O2 * 5H2O. La solubilidad de este hidrato es de 1.8Ib de Na2S2O2 * 5H2O/lb de agua libre. Los cristales que se extraen llevan como disolución adherente 0.06Ib de disolución/lb de cristales. Los cristales se secan para eliminar el agua restante (pero no el agua de hidratación). Los cristales secos fínales de Na2S2O2 *5H2O no deben contener más de un 0.1% de impurezas. A fin de cumplir con esta especificación, la disolución original se diluye con agua antes de enfriarse. Con base en 100Ib de la disolución original, calcule: a) La cantidad de agua que se agrega antes de enfriar. b) El porcentaje de recuperación de Na2S2O2 en los cristales hidratados secos. 5. Un fabricante tiene un contrato para producir carbón artificial para asar carne con un contenido máximo garantizado de 10% de humedad y 10% de ceniza. El material básico que usan tiene el análisis: humedad 12.4%, material volátil 16.6%, carbono 57.5% y ceniza 13.5%. A fin de satisfacer las especificaciones (en sus límites), el fabricante planea mezclar con el material base una cierta cantidad de coque de petróleo que tiene el análisis: material volátil 8.2%, carbono 88.7% y humedad 3.1%. ¿Cuánto coque de petróleo deberán agregar a cada 1OOIb del material base? 6. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7% de humedad. Esta caseína la venden a $8.00/100 lb. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad. Sus costos de secado son $0.80/100Ib de agua eliminada. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? 7. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7% de humedad. Esta caseína la venden a $8.00/100 lb. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad. Sus costos de secado son $0.80/100Ib de agua eliminada. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? 8. Se diseña un evaporador de triple efecto para reducir el agua de una salmuera desde un 75% hasta un 3% en peso. A la salida del primer evaporador queda un 67% de agua y a la salida del segundo queda un 50% de agua. Si se quiere producir 15000 kg/hr de sal, determine: a. La corriente de salmuera alimentada al evaporador. b. La cantidad de agua extraída en cada etapa del evaporador. 9. El jugo de naranja fresco consiste generalmente en 12% en peso de sólidos en solución Acuosa (% en peso); dichos sólidos son principalmente azúcares. Apara reducir los costos de traslado a menudo se concentra, a menudo se concentra el jugo antes de embarcarse y luego se reconstituye antes de embarcarse y luego se reconstituye al llegar a su destino. El proceso de concentración se efectúa en evaporadores de diseño especial, de tiempo de residencia corto que operan a presiones menores que la atmosférica para reducir las pérdidas de los componentes de sabor y aroma,
presentes en cantidades muy pequeñas y que son muy volátiles y sensibles al calor. Como generalmente no pueden evitarse algunas pérdida de estos componentes, la práctica común es concentrar el jugo un poco más de lo necesario y después agregar una pequeña cantidad de jugo fresco al concentrado para obtener un producto de mejor aroma y sabor. Supóngase que se utiliza 10% de la alimentación a dicho proceso para la reconstitución y que se opera al evaporador para obtener un jugo de descarga que contiene 80% de sólidos en solución. Si al proceso se alimentan 10.000 lb/h de jugo fresco, establecer el balance de masas y calcular la composición del producto final. 10. Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semilla de algodón, usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias. Conociendo la composición de la alimentación con semilla de algodón cruda que consiste (% en peso) en: 14% de material celulósico, 37% de pasta, 49% de aceite. Calcular la composición del extracto de aceite que se obtendrá utilizando 18lb de hexano por cada lb de semilla cruda.
11.
La obtención de café en polvo procede de acuerdo a las siguientes etapas: Molienda de los granos Tostado a 150°C Lixiviación del café en polvo a 90°C Concentración de la solución en evaporador de simple efecto Eliminación del agua por secado flash, mediante el impacto de aire caliente con la solución concentrada de café finamente pulverizada, en un ciclón Envasado
Se procesan 300 kg de café en grano, en la molienda se pierde el 2% del material, en el tostado se pierde un10% (humedad + gases), en la lixiviación se emplean 1000 litros de agua a 90°C obteniéndose 1050 litros de una solución al 10% en peso de sólidos solubles (densidad 1kg/L). Esa solución se concentra por evaporación hasta 50% de sólidos en peso, luego se seca en evaporador flash, obteniendo como producto el café en polvo que se envasa para su despacho a) Haga el diagrama de flujo del proceso, indicando en el las entradas y salidas, con todos los datos (T°, composición, masa etc.). b) Haga un balance de masas del proceso, indicando la cantidad de café, desecho y agua que entra y sale en cada etapa
2.2. Balances de Materia con Reacción Química 1. Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composición de los humos en % base seca. 2. Se quema etano (C2H6) con 50% de aire en exceso. El porcentaje de conversión del etano es de 90% del etano quemado, 25% reacciona para formar CO y el resto para formar CO2. Calcule la composición del gas de emisión y la relación entre el gas de emisión húmedo y el seco. 3. El acetonitrilo se produce con la reacción del propileno, amoniaco y oxigeno, como se muestra: C3H6 + NH3 + 3/2 O2
C3H3N + 3 H2O
La alimentación contiene 10% en mol de propileno, 12% en mol de amoniaco y 78% en mol de aire. Se alcanza una conversión fraccionaria de 30% del reactivo limitante. Determine cuál es el reactivo limitante, el porcentaje en el que los otros reactivos están en exceso y las velocidades de flujo molares de todos los productos gaseosos para una conversión de 30% del reactivo limitante, tomando como base de alimentación 100 moles. 4. Se están contemplando combustibles distintos de la gasolina para los vehículos de motor porque generan niveles más bajos de contaminantes que la gasolina. Se ha sugerido el propano comprimido como fuente de potencia económica para vehículos. Suponga que en una prueba se queman 20 kg de C3H8 con 400 kg de aire para producir 44 kg de CO2 y 12 kg de CO. ¿Cuál fue el porcentaje de aire en exceso? 5. Se usa una llamarada para convertir gases no quemados en productos inocuos como CO2 y H2O. Si un gas con la siguiente composición porcentual se quema en la llamarada –CH4: 70%, C3H8: 5%, CO: 15%, O2: 5%, N2: 5%-‐ y el gas de chimenea contiene 7.73% de CO2, 12.35% de H2O y el resto es O2 y N2, ¿Qué porcentaje de aire en exceso se usó? 6. Se mezcla Mezcla inicialmente etano con oxígeno para obtener un gas que contiene 80% de C2H6 y 20% de 02, que luego se quema en un motor con 200% de aire en exceso. El 80% del etano se convierte en CO2, el 10% se quema a CO y el 10% no se quema. Calcule la composición del gas de salida sobre una base húmeda. 7. Un gas preparado especialmente con 80.0% de CH4 y 20.0% de N2 se quema con aire en una caldera. El análisis de Orsat del gas de chimenea producido es: 1.2% de CO2, 4.9% de O2 y 93.9% de N2. A fin de reducir la concentración de CO2 en el gas de chimenea, una buena parte del CO2 de la caldera se absorbe antes de que los gases de la combustión pasen a la chimenea. Suponga que la combustión es completa. Calcule el aire en exceso y la razón entre los moles de los gases que salen por la chimenea y los moles del gas de alimentación.
8. Un gas natural de composición desconocida se quema con aire. Un análisis del gas proporciona los siguientes resultados: 0,130mol de H2O/moles gas húmedo. El análisis de Orsat del gas de salida: 1,5% CO; 6,0% CO2; 8,2% O2 y 84,3% N2. Calcule la relación entre el hidrogeno y el carbono en el gas, y especule que gas puede ser. 9. En la fermentación anaerobia de granos, la levadura Succharomyces cerevisiue digiere glucosa de origen vegetal para formar los productos etanol y ácido propenoico mediante las siguientes reacciones globales: Reacción 1: C6H12O6 + 2C2H5OH + 2CO2 Reacción 2: C6H12O6 + 2C2H3CO2H + 2H2O En un proceso por lotes, un tanque se carga con 400kg de una disolución de glucosa en agua al 12%. Durante la fermentación se produce 120kg de dióxido de carbono y quedan 90kg de glucosa sin reaccionar. ¿Cuáles son los porcentajes en peso de alcohol etílico y ácido propenoico que quedan en el caldo? Suponga que las bacterias no asimilan nada de glucosa. 10. La generación de biogás rico en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos, y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. Es más, en la Comunidad Europea (CE) las plantas de biogás están exentas de los impuestos de energía y de carbón, lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial. Consideremos sólo la combustión del metano. La figura siguiente muestra un proceso de combustión simple. Realice el balance de moles de acuerdo a uno de los métodos vistos.
11. Coque seco compuesto por 4% de sólidos inertes (ceniza), 90% de carbono y 6% de hidrógeno se quema en un horno con aire seco. El residuo sólido de la combustión contiene 10% de carbono y 90% de ceniza inerte (y nada de hidrógeno). El contenido de ceniza inerte no interviene en la reacción. El análisis de Orsat del gas de chimenea es: 13.9% de CO2, 0.8% de CO, 4.3% de O2 y 81.O% de N2. Calcule el porcentaje de aire en exceso con base en la combustión completa del coque.
12. El gas de dióxido de cloro se utiliza en la industria papelera para blanquear la pulpa producida en un molino Kraft. El gas se produce haciendo reaccionar clorato de sodio, acido sulfúrico y metanol, en reactores recubiertos de plomo: Suponga que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO3 y H2SO4 por mol de CH3OH
a. Determine el reactivo limitante.
b. Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas métricas por hora de ClO2, suponiendo que se obtiene una conversión del 85 %. c. Determine el flujo molar y la composición que sale del reactor. 2.3. Balances de Materia sin Reacción Química en Equipos Múltiples 1. Varios flujos se mezclan como se muestra en la figura. Calcule la velocidad de cada flujo expresada en kg/s.
2. Una mezcla de tres compuestos orgánicos; benceno (B), tolueno (T) y xileno (X), se separa por destilación fraccionada continua en dos torres de destilación. En la primera se obtiene como producto de tope el 80 % del benceno alimentado. La segunda torre se alimenta con 1700 lb/h, de las cuales un 60 % sale como producto de tope. Calcule: El flujo de alimentación al sistema, en lb/h, y la composición de ella. La cantidad de benceno, lb/h, obtenido en la primera columna como producto de tope. La cantidad de xileno obtenido en la segunda torre como producto de cola, en lb/h.
3. En la figura se muestra un diagrama de flujo simplificado de la fabricación de azúcar. La caña de azúcar se alimenta a un molino donde se extrae jarabe por trituración; el “bagazo” resultante contiene 80% de pulpa. El jarabe (E) que contiene fragmentos finamente divididos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente (H) que contiene 15% de azúcar y 85% de agua. El evaporador produce un jarabe “pesado” y el cristalizador produce 1000 lb/h de cristales de azúcar. a. Determine el agua eliminada en el evaporador en lb/h. b. Determine las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho G. c. Determine la tasa de alimentación de caña de azúcar a la unidad en Ib/h. d. Del azúcar que entra con la caña, ¿Qué porcentaje se pierde con el bagazo? e. ¿Es ésta una operación eficiente? Explique por qué sí o por qué no.
2.4. Balances de Materia con Reacción Química en Equipos Múltiples 1.
Para producir el detergente”X” se cuenta con las siguientes materias primas: Benceno C6 H6 Dodeceno C12 H24 Ácido Sulfúrico H2 SO4 Hidróxido de Sodio NaOH Tricloruro de Aluminio Alcl3
Y se puede hacer uso de las siguientes reacciones: 1. C6H6 + C12H24 Alcl3 C6H5 ·∙ C12H25 Condiciones de separación: 85% de conversión, el benceno entra al reactor en un 30% de exceso. 2. C6H5 ·∙ C12H25 + H2SO4 C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3H + H2O Condiciones de separación: 100% de conversión, el ácido sulfúrico entra al reactor con un 25% de exceso. 3. C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3H + NaOH C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3Na + H2O Condiciones de operación: 100% de conversión, el NaOH entra como una solución acuosa al 20% mol. Realice el diagrama de flujo y los cálculos correspondientes de lo que se obtendría con 1000kg/hr de Benceno. 2. La deshidrogenación del propano (C3H8) en un reactor catalítico produce propileno según la reacción: C3H8 à C3H6 + H2 El proceso debe diseñarse para una conversión global de propano de 95%. Los productos de la reacción se separan en dos flujos: el primero, que contiene H2, C3H6 y 0,555% de propano que sale del reactor, se toma como el producto; el segundo flujo, que contiene el resto del propano que no ha reaccionado y 5% del propileno, en el flujo de productos, se hace recircular en el reactor. Calcule la composición del producto, el cociente (moles hechos recircular)/ (moles de alimentación fresca) y la conversión en una sola etapa. 3. A causa del aumento en los costos de los combustibles y por la incertidumbre del suministro de un combustible en particular, muchas compañías operan dos hornos, uno con gas natural y el otro con aceite combustible. En la RAMAD Corp., cada horno tenía su propio suministro de oxígeno; el horno de aceite usaba un flujo de gas con el siguiente análisis: O2 con 20%; N2 con 76%; CO2 con 4%, pero los gases de chimenea salían por una chimenea común. Véase en la figura siguiente.
Durante una tormenta de nieve, ningún transporte pudo llegar a la RAMAD Corp., y los funcionarios se comenzaron a preocupar por el agotamiento de las reservas de aceite combustible, ya que el suministro de gas natural se estaba usando a la velocidad máxima posible. La reserva de aceite combustible era de apenas 560 bbl (barriles). ¿Cuántas horas podía operar la compañía antes de tener que parar si no se conseguía aceite combustible adicional? ¿Cuántas lbmol/h de gas natural se estaban consumiendo? La carga mínima de calentamiento de la compañía, traducida en gas de chimenea producido, era de 6205 lbmol/h de gas de chimenea seco. El análisis de los combustibles y del gas de chimenea en ese momento era:
El peso molecular del aceite combustible era de 7,91 lbm/lbmol, y su densidad era de 7,578 lbm/gal. Todas las fracciones de los compuestos son en base molar.
2.5. Balances de Materia sin Reacción Química en Equipos con Reciclaje, Derivación y/o Purgado 1. En una máquina de papel sanitario, una vez que se elimina el agua del papel en las diversas etapas, ésta se devuelve para transportar más pulpa (85% fibra) a través del sistema. Véase la figura. Calcule las cantidades de fibra desconocidas (todos los valores de la figura están en kg) en kg.
2. A continuación se muestra el diagrama de flujo de un proceso en régimen permanente para la recuperación de cromato de potasio cristalino (K2CrO4) a partir de una disolución acuosa de esta sal.
Se combinan cuatro mil quinientos kilogramos por hora de una disolución que contiene 1/3 K2CrO4 en masa, y un flujo de recirculación que contiene 36,36% de K2CrO4 en masa; el flujo combinado alimenta un evaporador. El flujo concentrado que sale del evaporador contiene 49,40% de K2CrO4; este flujo alimenta un cristalizador, en donde se enfría (produciendo la precipitación de los cristales de K2CrO4 a partir de la disolución) y después se filtra. El filtrado consiste en cristales de K2CrO4 y una disolución que contiene 36,36% en masa de K2CrO4; los cristales representan 95% de la masa total del filtrado. La disolución que pasa a través del filtro, que contiene también 36,36% de K2CrO4, es el flujo de recirculación. Calcule el peso del agua extraída en el evaporador, la velocidad de producción del K2CrO4 cristalino, el cociente (Kg de flujo hecho recircular)/ (Kg de alimentación fresca) y las velocidades de alimentación con las que deben diseñarse el evaporador y el cristalizador.
3. Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una mezcla de 50% benceno y 50% tolueno. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de benceno, y la cola W de la columna contiene 96% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D) y del reflujo (R) es idéntica porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído (D). 4. Se utiliza un sistema de purificación con recirculación, para recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF en aire. El producto deberá tener únicamente 10% de DMF. Calcule la fracción de recirculación, suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad.
5. La fabricación de productos como la penicilina, la tetraciclina, las vitaminas y otros fármacos, así como de químicos para fotografía, colorantes y otros compuestos orgánicos finos por lo regular requiere la separación de los sólidos suspendidos de su licor madre por centrifugación, seguida de secado de la torta húmeda. Un sistema de ciclo cerrado, como se muestra en la figura, para la descarga de la centrífuga, el secado, el transporte y la recuperación de solvente incorpora equipo diseñado especialmente para manejar materiales que requieren condiciones estériles y libres de contaminación. Dadas las mediciones experimentales del equipo de planta piloto bosquejadas en la figura. ¿Cuál es la velocidad en lbm/h del flujo de reciclaje R?
6. En el área de preparación de la alimentación a una planta que fabrica gasolina, se elimina isopentano de una gasolina libre de butano. Supongamos, para simplificar, que el proceso y los componentes son como se muestra en la figura. ¿Qué fracción de la gasolina libre de butano se pasa por la torre de isopentano? El proceso está en estado estacionario y no ocurre reacción.
7. Frecuentemente se utiliza un método de purificación de gases que consiste en la absorción selectiva de los componentes indeseables del gas, en un medio líquido específicamente seleccionado. Posteriormente se regenera el medio líquido mediante un tratamiento químico o térmico para liberar al medio absorbido. En una instalación particular se alimentan temporalmente 10.00 moles/h a un sistema de purificación (diseñado para eliminar compuestos de azufre), cuya capacidad de diseño es de 820 moles/h. Como el sistema de absorción simplemente puede manejar 82% de este flujo, se propone derivar una corriente con el exceso, de manera que la concentración de H2S en la salida del sistema de absorción se reduzca lo suficiente para que la mezcla de salida contenga únicamente 1% de H2S y 0,3% de COS en base molar. Calcule todos los flujos del sistema. La corriente de alimentación consiste (en base molar) de 15% de CO2, 5% de H2S y 1.41% de COS; el resto es CH4.
8. El tren de separación de cuatro unidades que se muestra en la figura ha sido diseñado para separar 1250 moles/hr de una alimentación de hidrocarburos que contiene 20% de Ch4, 25% de C2H6. 40% de C3H8 y el resto de C4H10 (% mol) en fracciones. Con las composiciones indicadas. Calcular los flujos de todas las corrientes en el proceso, suponiendo que la recirculación a la unidad I es de 50% de los fondos de la unidad II.
2.6. Balances de Materia con Reacción Química en Equipos con Reciclaje, Derivación y/o Purgado 1. Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído e hidrógeno a partir de metanol. La reacción alcanza una conversión en una sola etapa del 70% (conversión molar). El metanol en el producto del reactor se separa del formaldehido y del hidrógeno mediante el empleo de un separador especial. La velocidad de producción del formaldehído es de 800kg/hr. a) Calcule la velocidad de alimentación de metanol (kmol/hr) que requiere el proceso suponiendo que no hay recirculación. b) Si se desea alcanzar una conversión global del 95%. ¿Cuál debe ser el flujo molar de la corriente de recirculación? 2. El metanol puede producirse por medio de la reacción del dióxido de carbono e hidrógeno, según: CO2 + 3 H2
CH3OH + H2O
La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones estequiometricas y 0,5% en mol de componentes inertes (I). El flujo de salida del reactor pasa a un condensador, que extrae esencialmente todo el metanol y el agua formados, pero no así los reactivos ni los componentes inertes. Estas sustancias se hacen recircular al reactor. Para evitar que se acumulen las sustancias inertes en el sistema, se extrae un flujo de purgado de recirculación de la misma corriente de recirculación. La alimentación al reactor contiene 2% en mol de sustancias inertes, y la conversión en una sola etapa es de 60%. Calcule las velocidades de flujo molar de la alimentación fresca, de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado para una velocidad de producción de metanol de 1000 mol/h. 3. El etiltolueno puede obtenerse por alquilación catalítica del tolueno con etanol en fase vapor en una instalación como la esquematizada en la figura:
La alimentación nueva contiene un 205 de exceso de etanol sobre el estequiométrico necesario, y en el reactor se convierte el 80% de tolueno alimentado. Los productos de reacción pasan a un separador del que se obtienen dos corrientes, una corriente C que contiene 35% mol de agua y todo el etiltolueno formado, y otra corriente S que se divide en dos, una de purga P, para evitar que se acumule el vapor de agua formado, y otra corriente R, que se recircula al reactor. Si la relación entre corrientes C y P es 2:1 (en moles). Calcule: a) Los flujos y composiciones de todas las corrientes indicadas. b) El rendimiento de tolueno a etiltolueno.
4. Se ha despertado un interés considerable en la conversión de carbón en productos líquidos más útiles para la subsecuente producción de compuestos químicos. Dos de los principales gases que podemos generar en condiciones apropiadas a partir de la combustión de carbón in situ en presencia de vapor de agua (como sucede en presencia de aguas freáticas) son H2 y CO. Después de lavarlos, estos dos gases se pueden combinar para producir metanol de acuerdo con la siguiente ecuación: CO + 2H2 CH3OH La figura, ilustra un proceso en estado estacionario. Todas las composiciones están en fracciones o porcentajes molares. Los flujos están en moles.
Como se observa en la figura, que una fracción del CH4, ingresa en el proceso, pero no participa en la reacción. Se usa un flujo de purgado para mantener la concentración de CH4 en la salida del separador en no más de 3,2% mol. La conversión en una pasada del CO por el reactor es del 18%. Calcule los moles de reciclaje, CH3OH, el purgado por mol de alimentación, y también calcule la composición del gas de purgado. 5. El azúcar refinada (sacarosa) se puede convertir en glucosa y fructosa mediante el proceso de inversión: C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 Sacarosa d-‐Glucosa d-‐Fructosa La combinación de glucosa y fructosa se denomina azúcar invertido. Si ocurre una conversión del 90% de la sacarosa en una pasada por el reactor, ¿Cuál será el flujo de reciclaje por cada 100 Lbm de alimentación nueva de la disolución de sacarosa que entra en el proceso como se muestra en la figura? ¿Cuál será la concentración de azúcar invertido (Z) en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto? Las concentraciones de los componentes en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto son las mismas.
6. El isooctano se produce por la reacción de isobutano y butilieno en una combustión con ácido sulfúrico concentrado: i-‐C4H10 + C4H8 à i-‐C8H18 La alimentación fresca al proceso fluye a una velocidad de 60,000 Kg/hr y contiene 25% mol de isobutano, 25% de butileno y 50% de n-‐butano, el cual es químicamente inerte en este proceso. La alimentación fresca combina con tres corrientes de recirculación distintas, como se ve en el diagrama de flujo, y la mezcla entra al reactor. Se consume casi todo el butileno que se alimenta a este último. Una porción del efluente del reactor se recircula de nuevo a la entrada de éste y el resto pasa a un decantador, el cual se permite que se separen las fases acuosa (ácido sulfúrico) y de hidrocarburo. 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 200mol de isobutano por mol de butileno y 2 kg de ácido sulfúrico al 91% en peso por kg de hidrocarburo. La corriente que se obtiene combinando la alimentación fresca y la recirculación de isobutano contiene 5mol de isobutano por mol de butileno. Se desea determinar la velocidad de flujo molar (kmol/hr) de cada componente de la alimentación fresca y de las corrientes de producto, de la emulsión, del isobutano y de la recirculación ácida.
a) Dibuje y marque en su totalidad el diagrama de flujo del proceso, haga el análisis de grados de libertad del proceso total y de los subprocesos, y escriba las ecuaciones que utilizaría para determinar las velocidades de flujo necesarias (Sugerencia: comience calculando la velocidad de flujo molar de la corriente de alimentación fresca). b) Lleve a cabo todos los cálculos necesarios.
2.7. Problemas Adicionales 1. En la fabricación de acetato de vinilo se descarga al alcantarillado un poco de ácido acético que no reaccionó, junto con otros compuestos. Se ha acusado a la compañía de descargar diversos contaminantes en una cantidad superior al límite especificado por la ley. No es posible medir la descarga directamente porque no se han instalado dispositivos para medir el flujo, pero es posible tomar muestras de líquido en diferentes puntos de las tuberías de drenaje y medir la concentración de cloruro de potasio. En una alcantarilla, la concentración es de 0.105%. Se introduce una disolución de 400 g de KCI en 1 L a una velocidad constante de 1 L por minuto durante un lapso de media hora en una alcantarilla situada 500ft corriente abajo, y a 1200ft corriente abajo se mide una concentración media en estado estacionario de KCI de 0.281%. ¿Cuál es la velocidad de flujo del fluido por el drenaje en kg/min? 2. En fechas recientes se ha centrado la atención en la contaminación de las aguas del río Hudson, sobre todo la contaminación proveniente de las descargas de aguas residuales y desechos industriales. Es muy difícil determinar con precisión qué cantidad de efluente se introduce en el río porque es imposible atrapar y pesar el material, la construcción de vertederos es problemática, etc. Un método que se ha sugerido es agregar ion bromo como trazador a un flujo de aguas residuales dado, dejar que se mezcle bien, y muestrear el flujo una vez que se haya mezclado. En una prueba de la propuesta se añaden 10 libras de NaBr por hora durante 24 horas a un flujo de aguas residuales que prácticamente no contiene bromo. Cierta distancia corriente abajo del punto en que se agregó la sal, un muestreo del flujo de aguas residuales indica una concentración de 0.012% de NaBr. La densidad de las aguas residuales es de 60.3 lb/ft3 y la densidad del agua del río es de 62.4 lb/R3. ¿Cuál es la tasa de flujo de las aguas residuales en lb/min? 3. Lea cada una de las siguientes situaciones. Indique cuál es el sistema. Dibuje el diagrama. Clasifíquelos como uno o más de los siguientes: sistema abierto, sistema cerrado, proceso en estado estacionario, proceso en estado no estacionario. a) Usted llena el radiador de su automóvil con refrigerante.
b) Usted drena el radiador de su automóvil.
c) Usted llena demasiado el radiador del automóvil y el refrigerante se derrama hacia el suelo. d) El radiador está lleno y la bomba de agua circula agua entre el motor y el radiador mientras el motor está funcionando.
4. En una planta de ácido sulfúrico, se mezclan 100 lbmol/h de una corriente que contiene 90 % mol de H2SO4 en agua, con 200 lbmol/h de otra que contienen 95% mol de H2SO4 en agua y con 200 lbmol/h de una corriente que consiste de 15% mol de SO3 en N2. El resultado son 480 lbmol/h de una corriente mezclada que contiene 170 lbmol/h de N2, 62,5 % mol de H2SO4, nada de agua y el resto SO3. Determine, mediante cálculos, si: a. Se conserva la masa total, ¿por qué? b. Se conserva el número total de moles, ¿por qué? c. Se conserva el número de moles de cada tipo de átomos. d. Se conserva la masa de cada sustancia.
5.
Las reacciones: C2H6
C2H4 + H2
C2H6 + H2
2 CH4
Se llevan a cabo en un reactor continuo en régimen permanente. La alimentación consiste de 85,0% en mol de etano (C2H6) y el resto de sustancias inertes (I). La conversión fraccionaria de etano es 0,501 y el rendimiento fraccionario del etileno es 0,471. Calcule la composición molar del producto gaseoso y la selectividad del etileno en la producción de metano. 6. El metano se quema con oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. La alimentación contiene 20% en mol de CH4, 60% de O2 y 20% de CO2 y se alcanza una conversión del reactivo limitante de 90%. Calcule la composición molar del flujo de productos utilizado: a. Los balances de especies moleculares. b. Los balances de especies atómicas. c. El grado de avance de la reacción. 7. A fin de neutralizar el ácido en una corriente de desecho (compuesta por H2SO4 y H2O), se agrega a ésta piedra caliza seca molida (composición: 95% de CaCO3 y 5% de materiales inertes). El sedimento seco que se extrae del proceso se analiza parcialmente quemándolo en un horno. El único gas que se forma es CO2. El CO2 representa el 10% en peso del sedimento seco. ¿Qué porcentaje del CaCO3 puro de la piedra caliza no reaccionó en la neutralización? 8. La destrucción térmica de desechos peligrosos implica la exposición controlada de los desechos a temperaturas elevadas (por lo regular 900°C o mas) en un entorno oxidante. Entre los tipos de equipo para destrucción térmica están las calderas de alta temperatura, los hornos para cemento y los hornos industriales en los que los desechos peligrosos se queman como combustibles. En un sistema correctamente diseñado, el combustible primario (100% de material combustible) se mezcla con desechos a fin de producir una alimentación para la caldera. a) Se desea limpiar arena que contiene 30% en peso de 4,4’-‐diclorobifenilo [un ejemplo de bifenilo policlorado (PCB)] por combustión con hexano en exceso a fin de producir una alimentación que sea 60% en peso de combustible. ¿Cuántas toneladas de hexano se necesitarían para descontaminar ocho toneladas de esta arena? b) Escriba las dos reacciones que tendrían lugar en condiciones ideales si la mezcla de hexano y arena contaminada se alimentara al proceso de oxidación térmica tratando de obtener los productos más satisfactorios desde el punto de vista ambiental. ¿Cómo sugeriría usted tratar el gas de salida del quemador? Explique. c) El incinerador recibe un flujo de aire enriquecido con oxígeno que contiene 40% de 02 y 60% de N2 a fin de promover la operación a alta temperatura. Se averigua que el gas de salida tiene Xco2 = 0.1654 y XO2 = 0.1220. Utilice esta información y los datos relativos a la composición de la alimentación que se dieron antes para calcular: 1) todas las concentraciones en el gas de salida y 2) el porcentaje de 02 en exceso empleado en la reacción.
9. Este problema se basa en los datos de G. F. Payne, “Bioseparations of Traditional Fermentation Products”, en Chemical Engineering Problems in Biotechnology, ed. por M. L. Schuler, American Institute of Chemical Engineers, Nueva York, 1989. Examine la figura. Se proponen tres esquemas de separación para aislar los productos de fermentación deseados del resto de la disolución. Se deben separar 10 litros por minuto de un caldo que contiene 100 gr/L de un producto indeseable de modo que la concentración en el flujo de salida se reduzca a (no más de) 0.1 g/L. ¿Cuál de los tres diagramas de flujo requiere la menor cantidad de disolvente orgánico puro nuevo? Ignore los cambios de densidad que pudiera haber en las disoluciones. Utilice valores iguales del disolvente orgánico en (b), es decir, 𝐹!° + 𝐹!° + 𝐹!° = 𝐹 ° La relación entre la concentración del material indeseable en la fase acuosa y en la fase orgánica es de 10 a 1, es decir, 𝑐 ! /𝑐 ° = 10 en los flujos de salida de cada una de las unidades.
10. La glucosa isomerasa inmovilizada se emplea como catalizador en la producción de fructosa a partir de glucosa en un reactor de lecho fijo (el disolvente es agua). Para el sistema de la figura, qué porcentaje de conversión de glucosa tiene lugar en una pasada por el reactor si la razón entre el flujo de salida y el flujo de reciclaje en unidades de masa es igual a 8,33? El diagrama es:
Titular: Lucero Rosales Marines
BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
INGENIERO QUÍMICO
Cuadernillo de Trabajo Alumno: _______________________________________________________________________ Modulo: 667119
AGOSTO -‐ DICIEMBRE 2013 SALTILLO; COAHUILA
Unidad II BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA Preguntas: 1. ¿Cuál es la diferencia de un sistema estacionario y un sistema dinámico? 2. De manera general, ¿cual cree usted es el procedimiento a seguir para abordar y comenzar a resolver un problema de balance de materia?, ¿Cuál sería la secuencia de pasos que usted haría? 3. ¿En qué consiste la acumulación en un sistema?, cite tres ejemplos. 4. Explique la importancia de un análisis de grados de libertad antes de tratar de resolver un problema de Balances de Materia. 5. Expliquen al menos tres motivos del porque es importante usar la recirculación en un proceso químico. 6. ¿Qué uso e importancia tienen las reacciones de combustión y porque en su mayoría hacen referencia de O2 en exceso? 7. ¿Qué es un gas de chimenea? 8. ¿Qué es lo que se ve afectado en caso de que se llegue a realizar cálculos y operaciones sin tomar en cuenta la estequiometria de la reacción? 9. ¿Por qué es importante que algunos procesos deban tener una corriente de purgado? 10. ¿Cuál es la diferencia entre derivación y purgado en un proceso? 11. ¿Qué es una una conversión fraccional global y una conversión fraccional en una sola pasada? 2.1. Balances de Materia sin Reacción Química 1. Con el objeto de preparar una disolución de ácido sulfúrico al 50.0%, un acido diluido de desecho de desecho que contiene 28.0% de H2SO4, se mezcla con un ácido comprado que contiene 96.0% de H2SO4 ¿Cuántos kilogramos del ácido concentrado será necesario adquirir por cada 100kg de ácido diluido? 2. Un secador ite madera mojada (30.5% agua) y reduce el contenido de agua al 5.6%. Queremos determinar los kg de agua eliminados por kg de madera que ingresa en el proceso. Haga un dibujo del proceso, coloque los datos en la figura, determine el número de variables cuyos valores se desconocen y el número de ecuaciones independientes que es posible escribir para el proceso, calcule los grados de libertad, escoja una base de cálculo (en caso de ser necesario), ¿Puede haber una solución única?
3. Se introducen introducen cristales de Na2CO3*10H2O en una disolución saturada de Na2CO3 en agua a lOO°C. ¿Qué porcentaje del Na2CO3 del Na2CO3 * 10H20 se recupera en el sólido que precipita, el cual es Na2CO3 * H2O? Datos a 100°C: La disolución saturada tiene 3 1.2% de Na2CO3; el peso molecular del Na2CO3 es 106. 4. Una disolución acuosa contiene 60% de Na2 S2O2 junto con 1% de impurezas solubles. Al enfriarla a lO°C, se separa por cristalización Na2S2O2 * 5H2O. La solubilidad de este hidrato es de 1.8Ib de Na2S2O2 * 5H2O/lb de agua libre. Los cristales que se extraen llevan como disolución adherente 0.06Ib de disolución/lb de cristales. Los cristales se secan para eliminar el agua restante (pero no el agua de hidratación). Los cristales secos fínales de Na2S2O2 *5H2O no deben contener más de un 0.1% de impurezas. A fin de cumplir con esta especificación, la disolución original se diluye con agua antes de enfriarse. Con base en 100Ib de la disolución original, calcule: a) La cantidad de agua que se agrega antes de enfriar. b) El porcentaje de recuperación de Na2S2O2 en los cristales hidratados secos. 5. Un fabricante tiene un contrato para producir carbón artificial para asar carne con un contenido máximo garantizado de 10% de humedad y 10% de ceniza. El material básico que usan tiene el análisis: humedad 12.4%, material volátil 16.6%, carbono 57.5% y ceniza 13.5%. A fin de satisfacer las especificaciones (en sus límites), el fabricante planea mezclar con el material base una cierta cantidad de coque de petróleo que tiene el análisis: material volátil 8.2%, carbono 88.7% y humedad 3.1%. ¿Cuánto coque de petróleo deberán agregar a cada 1OOIb del material base? 6. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7% de humedad. Esta caseína la venden a $8.00/100 lb. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad. Sus costos de secado son $0.80/100Ib de agua eliminada. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? 7. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7% de humedad. Esta caseína la venden a $8.00/100 lb. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad. Sus costos de secado son $0.80/100Ib de agua eliminada. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? 8. Se diseña un evaporador de triple efecto para reducir el agua de una salmuera desde un 75% hasta un 3% en peso. A la salida del primer evaporador queda un 67% de agua y a la salida del segundo queda un 50% de agua. Si se quiere producir 15000 kg/hr de sal, determine: a. La corriente de salmuera alimentada al evaporador. b. La cantidad de agua extraída en cada etapa del evaporador. 9. El jugo de naranja fresco consiste generalmente en 12% en peso de sólidos en solución Acuosa (% en peso); dichos sólidos son principalmente azúcares. Apara reducir los costos de traslado a menudo se concentra, a menudo se concentra el jugo antes de embarcarse y luego se reconstituye antes de embarcarse y luego se reconstituye al llegar a su destino. El proceso de concentración se efectúa en evaporadores de diseño especial, de tiempo de residencia corto que operan a presiones menores que la atmosférica para reducir las pérdidas de los componentes de sabor y aroma,
presentes en cantidades muy pequeñas y que son muy volátiles y sensibles al calor. Como generalmente no pueden evitarse algunas pérdida de estos componentes, la práctica común es concentrar el jugo un poco más de lo necesario y después agregar una pequeña cantidad de jugo fresco al concentrado para obtener un producto de mejor aroma y sabor. Supóngase que se utiliza 10% de la alimentación a dicho proceso para la reconstitución y que se opera al evaporador para obtener un jugo de descarga que contiene 80% de sólidos en solución. Si al proceso se alimentan 10.000 lb/h de jugo fresco, establecer el balance de masas y calcular la composición del producto final. 10. Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semilla de algodón, usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias. Conociendo la composición de la alimentación con semilla de algodón cruda que consiste (% en peso) en: 14% de material celulósico, 37% de pasta, 49% de aceite. Calcular la composición del extracto de aceite que se obtendrá utilizando 18lb de hexano por cada lb de semilla cruda.
11.
La obtención de café en polvo procede de acuerdo a las siguientes etapas: Molienda de los granos Tostado a 150°C Lixiviación del café en polvo a 90°C Concentración de la solución en evaporador de simple efecto Eliminación del agua por secado flash, mediante el impacto de aire caliente con la solución concentrada de café finamente pulverizada, en un ciclón Envasado
Se procesan 300 kg de café en grano, en la molienda se pierde el 2% del material, en el tostado se pierde un10% (humedad + gases), en la lixiviación se emplean 1000 litros de agua a 90°C obteniéndose 1050 litros de una solución al 10% en peso de sólidos solubles (densidad 1kg/L). Esa solución se concentra por evaporación hasta 50% de sólidos en peso, luego se seca en evaporador flash, obteniendo como producto el café en polvo que se envasa para su despacho a) Haga el diagrama de flujo del proceso, indicando en el las entradas y salidas, con todos los datos (T°, composición, masa etc.). b) Haga un balance de masas del proceso, indicando la cantidad de café, desecho y agua que entra y sale en cada etapa
2.2. Balances de Materia con Reacción Química 1. Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composición de los humos en % base seca. 2. Se quema etano (C2H6) con 50% de aire en exceso. El porcentaje de conversión del etano es de 90% del etano quemado, 25% reacciona para formar CO y el resto para formar CO2. Calcule la composición del gas de emisión y la relación entre el gas de emisión húmedo y el seco. 3. El acetonitrilo se produce con la reacción del propileno, amoniaco y oxigeno, como se muestra: C3H6 + NH3 + 3/2 O2
C3H3N + 3 H2O
La alimentación contiene 10% en mol de propileno, 12% en mol de amoniaco y 78% en mol de aire. Se alcanza una conversión fraccionaria de 30% del reactivo limitante. Determine cuál es el reactivo limitante, el porcentaje en el que los otros reactivos están en exceso y las velocidades de flujo molares de todos los productos gaseosos para una conversión de 30% del reactivo limitante, tomando como base de alimentación 100 moles. 4. Se están contemplando combustibles distintos de la gasolina para los vehículos de motor porque generan niveles más bajos de contaminantes que la gasolina. Se ha sugerido el propano comprimido como fuente de potencia económica para vehículos. Suponga que en una prueba se queman 20 kg de C3H8 con 400 kg de aire para producir 44 kg de CO2 y 12 kg de CO. ¿Cuál fue el porcentaje de aire en exceso? 5. Se usa una llamarada para convertir gases no quemados en productos inocuos como CO2 y H2O. Si un gas con la siguiente composición porcentual se quema en la llamarada –CH4: 70%, C3H8: 5%, CO: 15%, O2: 5%, N2: 5%-‐ y el gas de chimenea contiene 7.73% de CO2, 12.35% de H2O y el resto es O2 y N2, ¿Qué porcentaje de aire en exceso se usó? 6. Se mezcla Mezcla inicialmente etano con oxígeno para obtener un gas que contiene 80% de C2H6 y 20% de 02, que luego se quema en un motor con 200% de aire en exceso. El 80% del etano se convierte en CO2, el 10% se quema a CO y el 10% no se quema. Calcule la composición del gas de salida sobre una base húmeda. 7. Un gas preparado especialmente con 80.0% de CH4 y 20.0% de N2 se quema con aire en una caldera. El análisis de Orsat del gas de chimenea producido es: 1.2% de CO2, 4.9% de O2 y 93.9% de N2. A fin de reducir la concentración de CO2 en el gas de chimenea, una buena parte del CO2 de la caldera se absorbe antes de que los gases de la combustión pasen a la chimenea. Suponga que la combustión es completa. Calcule el aire en exceso y la razón entre los moles de los gases que salen por la chimenea y los moles del gas de alimentación.
8. Un gas natural de composición desconocida se quema con aire. Un análisis del gas proporciona los siguientes resultados: 0,130mol de H2O/moles gas húmedo. El análisis de Orsat del gas de salida: 1,5% CO; 6,0% CO2; 8,2% O2 y 84,3% N2. Calcule la relación entre el hidrogeno y el carbono en el gas, y especule que gas puede ser. 9. En la fermentación anaerobia de granos, la levadura Succharomyces cerevisiue digiere glucosa de origen vegetal para formar los productos etanol y ácido propenoico mediante las siguientes reacciones globales: Reacción 1: C6H12O6 + 2C2H5OH + 2CO2 Reacción 2: C6H12O6 + 2C2H3CO2H + 2H2O En un proceso por lotes, un tanque se carga con 400kg de una disolución de glucosa en agua al 12%. Durante la fermentación se produce 120kg de dióxido de carbono y quedan 90kg de glucosa sin reaccionar. ¿Cuáles son los porcentajes en peso de alcohol etílico y ácido propenoico que quedan en el caldo? Suponga que las bacterias no asimilan nada de glucosa. 10. La generación de biogás rico en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos, y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. Es más, en la Comunidad Europea (CE) las plantas de biogás están exentas de los impuestos de energía y de carbón, lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial. Consideremos sólo la combustión del metano. La figura siguiente muestra un proceso de combustión simple. Realice el balance de moles de acuerdo a uno de los métodos vistos.
11. Coque seco compuesto por 4% de sólidos inertes (ceniza), 90% de carbono y 6% de hidrógeno se quema en un horno con aire seco. El residuo sólido de la combustión contiene 10% de carbono y 90% de ceniza inerte (y nada de hidrógeno). El contenido de ceniza inerte no interviene en la reacción. El análisis de Orsat del gas de chimenea es: 13.9% de CO2, 0.8% de CO, 4.3% de O2 y 81.O% de N2. Calcule el porcentaje de aire en exceso con base en la combustión completa del coque.
12. El gas de dióxido de cloro se utiliza en la industria papelera para blanquear la pulpa producida en un molino Kraft. El gas se produce haciendo reaccionar clorato de sodio, acido sulfúrico y metanol, en reactores recubiertos de plomo: Suponga que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO3 y H2SO4 por mol de CH3OH
a. Determine el reactivo limitante.
b. Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas métricas por hora de ClO2, suponiendo que se obtiene una conversión del 85 %. c. Determine el flujo molar y la composición que sale del reactor. 2.3. Balances de Materia sin Reacción Química en Equipos Múltiples 1. Varios flujos se mezclan como se muestra en la figura. Calcule la velocidad de cada flujo expresada en kg/s.
2. Una mezcla de tres compuestos orgánicos; benceno (B), tolueno (T) y xileno (X), se separa por destilación fraccionada continua en dos torres de destilación. En la primera se obtiene como producto de tope el 80 % del benceno alimentado. La segunda torre se alimenta con 1700 lb/h, de las cuales un 60 % sale como producto de tope. Calcule: El flujo de alimentación al sistema, en lb/h, y la composición de ella. La cantidad de benceno, lb/h, obtenido en la primera columna como producto de tope. La cantidad de xileno obtenido en la segunda torre como producto de cola, en lb/h.
3. En la figura se muestra un diagrama de flujo simplificado de la fabricación de azúcar. La caña de azúcar se alimenta a un molino donde se extrae jarabe por trituración; el “bagazo” resultante contiene 80% de pulpa. El jarabe (E) que contiene fragmentos finamente divididos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente (H) que contiene 15% de azúcar y 85% de agua. El evaporador produce un jarabe “pesado” y el cristalizador produce 1000 lb/h de cristales de azúcar. a. Determine el agua eliminada en el evaporador en lb/h. b. Determine las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho G. c. Determine la tasa de alimentación de caña de azúcar a la unidad en Ib/h. d. Del azúcar que entra con la caña, ¿Qué porcentaje se pierde con el bagazo? e. ¿Es ésta una operación eficiente? Explique por qué sí o por qué no.
2.4. Balances de Materia con Reacción Química en Equipos Múltiples 1.
Para producir el detergente”X” se cuenta con las siguientes materias primas: Benceno C6 H6 Dodeceno C12 H24 Ácido Sulfúrico H2 SO4 Hidróxido de Sodio NaOH Tricloruro de Aluminio Alcl3
Y se puede hacer uso de las siguientes reacciones: 1. C6H6 + C12H24 Alcl3 C6H5 ·∙ C12H25 Condiciones de separación: 85% de conversión, el benceno entra al reactor en un 30% de exceso. 2. C6H5 ·∙ C12H25 + H2SO4 C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3H + H2O Condiciones de separación: 100% de conversión, el ácido sulfúrico entra al reactor con un 25% de exceso. 3. C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3H + NaOH C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3Na + H2O Condiciones de operación: 100% de conversión, el NaOH entra como una solución acuosa al 20% mol. Realice el diagrama de flujo y los cálculos correspondientes de lo que se obtendría con 1000kg/hr de Benceno. 2. La deshidrogenación del propano (C3H8) en un reactor catalítico produce propileno según la reacción: C3H8 à C3H6 + H2 El proceso debe diseñarse para una conversión global de propano de 95%. Los productos de la reacción se separan en dos flujos: el primero, que contiene H2, C3H6 y 0,555% de propano que sale del reactor, se toma como el producto; el segundo flujo, que contiene el resto del propano que no ha reaccionado y 5% del propileno, en el flujo de productos, se hace recircular en el reactor. Calcule la composición del producto, el cociente (moles hechos recircular)/ (moles de alimentación fresca) y la conversión en una sola etapa. 3. A causa del aumento en los costos de los combustibles y por la incertidumbre del suministro de un combustible en particular, muchas compañías operan dos hornos, uno con gas natural y el otro con aceite combustible. En la RAMAD Corp., cada horno tenía su propio suministro de oxígeno; el horno de aceite usaba un flujo de gas con el siguiente análisis: O2 con 20%; N2 con 76%; CO2 con 4%, pero los gases de chimenea salían por una chimenea común. Véase en la figura siguiente.
Durante una tormenta de nieve, ningún transporte pudo llegar a la RAMAD Corp., y los funcionarios se comenzaron a preocupar por el agotamiento de las reservas de aceite combustible, ya que el suministro de gas natural se estaba usando a la velocidad máxima posible. La reserva de aceite combustible era de apenas 560 bbl (barriles). ¿Cuántas horas podía operar la compañía antes de tener que parar si no se conseguía aceite combustible adicional? ¿Cuántas lbmol/h de gas natural se estaban consumiendo? La carga mínima de calentamiento de la compañía, traducida en gas de chimenea producido, era de 6205 lbmol/h de gas de chimenea seco. El análisis de los combustibles y del gas de chimenea en ese momento era:
El peso molecular del aceite combustible era de 7,91 lbm/lbmol, y su densidad era de 7,578 lbm/gal. Todas las fracciones de los compuestos son en base molar.
2.5. Balances de Materia sin Reacción Química en Equipos con Reciclaje, Derivación y/o Purgado 1. En una máquina de papel sanitario, una vez que se elimina el agua del papel en las diversas etapas, ésta se devuelve para transportar más pulpa (85% fibra) a través del sistema. Véase la figura. Calcule las cantidades de fibra desconocidas (todos los valores de la figura están en kg) en kg.
2. A continuación se muestra el diagrama de flujo de un proceso en régimen permanente para la recuperación de cromato de potasio cristalino (K2CrO4) a partir de una disolución acuosa de esta sal.
Se combinan cuatro mil quinientos kilogramos por hora de una disolución que contiene 1/3 K2CrO4 en masa, y un flujo de recirculación que contiene 36,36% de K2CrO4 en masa; el flujo combinado alimenta un evaporador. El flujo concentrado que sale del evaporador contiene 49,40% de K2CrO4; este flujo alimenta un cristalizador, en donde se enfría (produciendo la precipitación de los cristales de K2CrO4 a partir de la disolución) y después se filtra. El filtrado consiste en cristales de K2CrO4 y una disolución que contiene 36,36% en masa de K2CrO4; los cristales representan 95% de la masa total del filtrado. La disolución que pasa a través del filtro, que contiene también 36,36% de K2CrO4, es el flujo de recirculación. Calcule el peso del agua extraída en el evaporador, la velocidad de producción del K2CrO4 cristalino, el cociente (Kg de flujo hecho recircular)/ (Kg de alimentación fresca) y las velocidades de alimentación con las que deben diseñarse el evaporador y el cristalizador.
3. Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una mezcla de 50% benceno y 50% tolueno. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de benceno, y la cola W de la columna contiene 96% de tolueno. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio. Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extraído (D) y del reflujo (R) es idéntica porque el flujo V se condensa por completo. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído (D). 4. Se utiliza un sistema de purificación con recirculación, para recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF en aire. El producto deberá tener únicamente 10% de DMF. Calcule la fracción de recirculación, suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad.
5. La fabricación de productos como la penicilina, la tetraciclina, las vitaminas y otros fármacos, así como de químicos para fotografía, colorantes y otros compuestos orgánicos finos por lo regular requiere la separación de los sólidos suspendidos de su licor madre por centrifugación, seguida de secado de la torta húmeda. Un sistema de ciclo cerrado, como se muestra en la figura, para la descarga de la centrífuga, el secado, el transporte y la recuperación de solvente incorpora equipo diseñado especialmente para manejar materiales que requieren condiciones estériles y libres de contaminación. Dadas las mediciones experimentales del equipo de planta piloto bosquejadas en la figura. ¿Cuál es la velocidad en lbm/h del flujo de reciclaje R?
6. En el área de preparación de la alimentación a una planta que fabrica gasolina, se elimina isopentano de una gasolina libre de butano. Supongamos, para simplificar, que el proceso y los componentes son como se muestra en la figura. ¿Qué fracción de la gasolina libre de butano se pasa por la torre de isopentano? El proceso está en estado estacionario y no ocurre reacción.
7. Frecuentemente se utiliza un método de purificación de gases que consiste en la absorción selectiva de los componentes indeseables del gas, en un medio líquido específicamente seleccionado. Posteriormente se regenera el medio líquido mediante un tratamiento químico o térmico para liberar al medio absorbido. En una instalación particular se alimentan temporalmente 10.00 moles/h a un sistema de purificación (diseñado para eliminar compuestos de azufre), cuya capacidad de diseño es de 820 moles/h. Como el sistema de absorción simplemente puede manejar 82% de este flujo, se propone derivar una corriente con el exceso, de manera que la concentración de H2S en la salida del sistema de absorción se reduzca lo suficiente para que la mezcla de salida contenga únicamente 1% de H2S y 0,3% de COS en base molar. Calcule todos los flujos del sistema. La corriente de alimentación consiste (en base molar) de 15% de CO2, 5% de H2S y 1.41% de COS; el resto es CH4.
8. El tren de separación de cuatro unidades que se muestra en la figura ha sido diseñado para separar 1250 moles/hr de una alimentación de hidrocarburos que contiene 20% de Ch4, 25% de C2H6. 40% de C3H8 y el resto de C4H10 (% mol) en fracciones. Con las composiciones indicadas. Calcular los flujos de todas las corrientes en el proceso, suponiendo que la recirculación a la unidad I es de 50% de los fondos de la unidad II.
2.6. Balances de Materia con Reacción Química en Equipos con Reciclaje, Derivación y/o Purgado 1. Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído e hidrógeno a partir de metanol. La reacción alcanza una conversión en una sola etapa del 70% (conversión molar). El metanol en el producto del reactor se separa del formaldehido y del hidrógeno mediante el empleo de un separador especial. La velocidad de producción del formaldehído es de 800kg/hr. a) Calcule la velocidad de alimentación de metanol (kmol/hr) que requiere el proceso suponiendo que no hay recirculación. b) Si se desea alcanzar una conversión global del 95%. ¿Cuál debe ser el flujo molar de la corriente de recirculación? 2. El metanol puede producirse por medio de la reacción del dióxido de carbono e hidrógeno, según: CO2 + 3 H2
CH3OH + H2O
La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones estequiometricas y 0,5% en mol de componentes inertes (I). El flujo de salida del reactor pasa a un condensador, que extrae esencialmente todo el metanol y el agua formados, pero no así los reactivos ni los componentes inertes. Estas sustancias se hacen recircular al reactor. Para evitar que se acumulen las sustancias inertes en el sistema, se extrae un flujo de purgado de recirculación de la misma corriente de recirculación. La alimentación al reactor contiene 2% en mol de sustancias inertes, y la conversión en una sola etapa es de 60%. Calcule las velocidades de flujo molar de la alimentación fresca, de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado para una velocidad de producción de metanol de 1000 mol/h. 3. El etiltolueno puede obtenerse por alquilación catalítica del tolueno con etanol en fase vapor en una instalación como la esquematizada en la figura:
La alimentación nueva contiene un 205 de exceso de etanol sobre el estequiométrico necesario, y en el reactor se convierte el 80% de tolueno alimentado. Los productos de reacción pasan a un separador del que se obtienen dos corrientes, una corriente C que contiene 35% mol de agua y todo el etiltolueno formado, y otra corriente S que se divide en dos, una de purga P, para evitar que se acumule el vapor de agua formado, y otra corriente R, que se recircula al reactor. Si la relación entre corrientes C y P es 2:1 (en moles). Calcule: a) Los flujos y composiciones de todas las corrientes indicadas. b) El rendimiento de tolueno a etiltolueno.
4. Se ha despertado un interés considerable en la conversión de carbón en productos líquidos más útiles para la subsecuente producción de compuestos químicos. Dos de los principales gases que podemos generar en condiciones apropiadas a partir de la combustión de carbón in situ en presencia de vapor de agua (como sucede en presencia de aguas freáticas) son H2 y CO. Después de lavarlos, estos dos gases se pueden combinar para producir metanol de acuerdo con la siguiente ecuación: CO + 2H2 CH3OH La figura, ilustra un proceso en estado estacionario. Todas las composiciones están en fracciones o porcentajes molares. Los flujos están en moles.
Como se observa en la figura, que una fracción del CH4, ingresa en el proceso, pero no participa en la reacción. Se usa un flujo de purgado para mantener la concentración de CH4 en la salida del separador en no más de 3,2% mol. La conversión en una pasada del CO por el reactor es del 18%. Calcule los moles de reciclaje, CH3OH, el purgado por mol de alimentación, y también calcule la composición del gas de purgado. 5. El azúcar refinada (sacarosa) se puede convertir en glucosa y fructosa mediante el proceso de inversión: C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 Sacarosa d-‐Glucosa d-‐Fructosa La combinación de glucosa y fructosa se denomina azúcar invertido. Si ocurre una conversión del 90% de la sacarosa en una pasada por el reactor, ¿Cuál será el flujo de reciclaje por cada 100 Lbm de alimentación nueva de la disolución de sacarosa que entra en el proceso como se muestra en la figura? ¿Cuál será la concentración de azúcar invertido (Z) en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto? Las concentraciones de los componentes en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto son las mismas.
6. El isooctano se produce por la reacción de isobutano y butilieno en una combustión con ácido sulfúrico concentrado: i-‐C4H10 + C4H8 à i-‐C8H18 La alimentación fresca al proceso fluye a una velocidad de 60,000 Kg/hr y contiene 25% mol de isobutano, 25% de butileno y 50% de n-‐butano, el cual es químicamente inerte en este proceso. La alimentación fresca combina con tres corrientes de recirculación distintas, como se ve en el diagrama de flujo, y la mezcla entra al reactor. Se consume casi todo el butileno que se alimenta a este último. Una porción del efluente del reactor se recircula de nuevo a la entrada de éste y el resto pasa a un decantador, el cual se permite que se separen las fases acuosa (ácido sulfúrico) y de hidrocarburo. 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 200mol de isobutano por mol de butileno y 2 kg de ácido sulfúrico al 91% en peso por kg de hidrocarburo. La corriente que se obtiene combinando la alimentación fresca y la recirculación de isobutano contiene 5mol de isobutano por mol de butileno. Se desea determinar la velocidad de flujo molar (kmol/hr) de cada componente de la alimentación fresca y de las corrientes de producto, de la emulsión, del isobutano y de la recirculación ácida.
a) Dibuje y marque en su totalidad el diagrama de flujo del proceso, haga el análisis de grados de libertad del proceso total y de los subprocesos, y escriba las ecuaciones que utilizaría para determinar las velocidades de flujo necesarias (Sugerencia: comience calculando la velocidad de flujo molar de la corriente de alimentación fresca). b) Lleve a cabo todos los cálculos necesarios.
2.7. Problemas Adicionales 1. En la fabricación de acetato de vinilo se descarga al alcantarillado un poco de ácido acético que no reaccionó, junto con otros compuestos. Se ha acusado a la compañía de descargar diversos contaminantes en una cantidad superior al límite especificado por la ley. No es posible medir la descarga directamente porque no se han instalado dispositivos para medir el flujo, pero es posible tomar muestras de líquido en diferentes puntos de las tuberías de drenaje y medir la concentración de cloruro de potasio. En una alcantarilla, la concentración es de 0.105%. Se introduce una disolución de 400 g de KCI en 1 L a una velocidad constante de 1 L por minuto durante un lapso de media hora en una alcantarilla situada 500ft corriente abajo, y a 1200ft corriente abajo se mide una concentración media en estado estacionario de KCI de 0.281%. ¿Cuál es la velocidad de flujo del fluido por el drenaje en kg/min? 2. En fechas recientes se ha centrado la atención en la contaminación de las aguas del río Hudson, sobre todo la contaminación proveniente de las descargas de aguas residuales y desechos industriales. Es muy difícil determinar con precisión qué cantidad de efluente se introduce en el río porque es imposible atrapar y pesar el material, la construcción de vertederos es problemática, etc. Un método que se ha sugerido es agregar ion bromo como trazador a un flujo de aguas residuales dado, dejar que se mezcle bien, y muestrear el flujo una vez que se haya mezclado. En una prueba de la propuesta se añaden 10 libras de NaBr por hora durante 24 horas a un flujo de aguas residuales que prácticamente no contiene bromo. Cierta distancia corriente abajo del punto en que se agregó la sal, un muestreo del flujo de aguas residuales indica una concentración de 0.012% de NaBr. La densidad de las aguas residuales es de 60.3 lb/ft3 y la densidad del agua del río es de 62.4 lb/R3. ¿Cuál es la tasa de flujo de las aguas residuales en lb/min? 3. Lea cada una de las siguientes situaciones. Indique cuál es el sistema. Dibuje el diagrama. Clasifíquelos como uno o más de los siguientes: sistema abierto, sistema cerrado, proceso en estado estacionario, proceso en estado no estacionario. a) Usted llena el radiador de su automóvil con refrigerante.
b) Usted drena el radiador de su automóvil.
c) Usted llena demasiado el radiador del automóvil y el refrigerante se derrama hacia el suelo. d) El radiador está lleno y la bomba de agua circula agua entre el motor y el radiador mientras el motor está funcionando.
4. En una planta de ácido sulfúrico, se mezclan 100 lbmol/h de una corriente que contiene 90 % mol de H2SO4 en agua, con 200 lbmol/h de otra que contienen 95% mol de H2SO4 en agua y con 200 lbmol/h de una corriente que consiste de 15% mol de SO3 en N2. El resultado son 480 lbmol/h de una corriente mezclada que contiene 170 lbmol/h de N2, 62,5 % mol de H2SO4, nada de agua y el resto SO3. Determine, mediante cálculos, si: a. Se conserva la masa total, ¿por qué? b. Se conserva el número total de moles, ¿por qué? c. Se conserva el número de moles de cada tipo de átomos. d. Se conserva la masa de cada sustancia.
5.
Las reacciones: C2H6
C2H4 + H2
C2H6 + H2
2 CH4
Se llevan a cabo en un reactor continuo en régimen permanente. La alimentación consiste de 85,0% en mol de etano (C2H6) y el resto de sustancias inertes (I). La conversión fraccionaria de etano es 0,501 y el rendimiento fraccionario del etileno es 0,471. Calcule la composición molar del producto gaseoso y la selectividad del etileno en la producción de metano. 6. El metano se quema con oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. La alimentación contiene 20% en mol de CH4, 60% de O2 y 20% de CO2 y se alcanza una conversión del reactivo limitante de 90%. Calcule la composición molar del flujo de productos utilizado: a. Los balances de especies moleculares. b. Los balances de especies atómicas. c. El grado de avance de la reacción. 7. A fin de neutralizar el ácido en una corriente de desecho (compuesta por H2SO4 y H2O), se agrega a ésta piedra caliza seca molida (composición: 95% de CaCO3 y 5% de materiales inertes). El sedimento seco que se extrae del proceso se analiza parcialmente quemándolo en un horno. El único gas que se forma es CO2. El CO2 representa el 10% en peso del sedimento seco. ¿Qué porcentaje del CaCO3 puro de la piedra caliza no reaccionó en la neutralización? 8. La destrucción térmica de desechos peligrosos implica la exposición controlada de los desechos a temperaturas elevadas (por lo regular 900°C o mas) en un entorno oxidante. Entre los tipos de equipo para destrucción térmica están las calderas de alta temperatura, los hornos para cemento y los hornos industriales en los que los desechos peligrosos se queman como combustibles. En un sistema correctamente diseñado, el combustible primario (100% de material combustible) se mezcla con desechos a fin de producir una alimentación para la caldera. a) Se desea limpiar arena que contiene 30% en peso de 4,4’-‐diclorobifenilo [un ejemplo de bifenilo policlorado (PCB)] por combustión con hexano en exceso a fin de producir una alimentación que sea 60% en peso de combustible. ¿Cuántas toneladas de hexano se necesitarían para descontaminar ocho toneladas de esta arena? b) Escriba las dos reacciones que tendrían lugar en condiciones ideales si la mezcla de hexano y arena contaminada se alimentara al proceso de oxidación térmica tratando de obtener los productos más satisfactorios desde el punto de vista ambiental. ¿Cómo sugeriría usted tratar el gas de salida del quemador? Explique. c) El incinerador recibe un flujo de aire enriquecido con oxígeno que contiene 40% de 02 y 60% de N2 a fin de promover la operación a alta temperatura. Se averigua que el gas de salida tiene Xco2 = 0.1654 y XO2 = 0.1220. Utilice esta información y los datos relativos a la composición de la alimentación que se dieron antes para calcular: 1) todas las concentraciones en el gas de salida y 2) el porcentaje de 02 en exceso empleado en la reacción.
9. Este problema se basa en los datos de G. F. Payne, “Bioseparations of Traditional Fermentation Products”, en Chemical Engineering Problems in Biotechnology, ed. por M. L. Schuler, American Institute of Chemical Engineers, Nueva York, 1989. Examine la figura. Se proponen tres esquemas de separación para aislar los productos de fermentación deseados del resto de la disolución. Se deben separar 10 litros por minuto de un caldo que contiene 100 gr/L de un producto indeseable de modo que la concentración en el flujo de salida se reduzca a (no más de) 0.1 g/L. ¿Cuál de los tres diagramas de flujo requiere la menor cantidad de disolvente orgánico puro nuevo? Ignore los cambios de densidad que pudiera haber en las disoluciones. Utilice valores iguales del disolvente orgánico en (b), es decir, 𝐹!° + 𝐹!° + 𝐹!° = 𝐹 ° La relación entre la concentración del material indeseable en la fase acuosa y en la fase orgánica es de 10 a 1, es decir, 𝑐 ! /𝑐 ° = 10 en los flujos de salida de cada una de las unidades.
10. La glucosa isomerasa inmovilizada se emplea como catalizador en la producción de fructosa a partir de glucosa en un reactor de lecho fijo (el disolvente es agua). Para el sistema de la figura, qué porcentaje de conversión de glucosa tiene lugar en una pasada por el reactor si la razón entre el flujo de salida y el flujo de reciclaje en unidades de masa es igual a 8,33? El diagrama es:
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