INTRODUCCIÓN AL BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS REACCIONANTES

Introduccin a la Ingeniera Qumica

INTRODUCCION A LA INGENIERIA QUIMICA Prof. Johnny Bulln

(Secciones 02 y 03)

CAPTULO 7. INTRODUCCIN AL BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS REACCIONANTES

Introduccin. Ecuacin qumica. Relaciones estequiomtricas. Reactivo lmite y reactivo en exceso. Porcentaje en exceso. Porcentaje de Conversin. Grado de Avance de una reaccin. Rendimiento de una reaccin. Oxgeno terico y en exceso. Introduccin al balance de materia en sistemas reaccionantes. Problemas. Introduccin En ingeniera qumica (ingeniera de procesos), frecuentemente se recurre a los balances para determinar las composiciones y las cantidades de diversos flujos de materia que entran y salen los equipos en la fabricacin industrial de un producto. De igual forma se determinan las condiciones de temperatura y presin para evaluar las cantidades de energas producidas, transferidas o consumidas en cada proceso. Estos balances son fundamentados sobre el principio de la conservacin de la materia y el principio de la conservacin de la energa en sistemas reales aislados para su estudio. El balance de materia o balance de masa (material balance) es un clculo que consiste en evaluar las cantidades de materia prima y productos que entran en juego en las transformaciones qumicas y/o fsicas de un proceso. Este clculo permite saber el estados de los productos que entran, salen, son extrados o son acumulados en un sistema qumico y/o fsico continuo o discontinuo, durante cierto periodo de tiempo y deducir su composicin. El balance de materia permite determinar y/o verificar las condiciones de funcionamiento ptimo de una unidad en:

- Calculando ciertas variables que no se pueden medir experimentalmente (composiciones y valores de flujos de materia).

- Verificar la validez de ciertas determinaciones experimentales. - Calcular ciertas relaciones caractersticas de un proceso qumico (tasa de

conversin, tasa de alimentacin total, tasa de reciclaje, rendimiento, etc.) o de un proceso fsico (nmero de etapas de una operacin de transferencia de masa).

- El establecimiento de un balance de materia esta ligado a la estequiometra de las reacciones y est basado sobre la aplicacin del balance de materia. Ecuacin qumica y principio de conservacin de la materia Una ecuacin qumica es una descripcin simblica de una reaccin qumica. Muestra las sustancias que reaccionan (reactivos reactantes) y las sustancias o productos que se obtienen. Tambin nos indican las cantidades relativas de las sustancias que intervienen en la reaccin. Las ecuaciones qumicas son el modo de representarlas.


Se utilizan para describir lo que sucede en una reaccin qumica en sus estados inicial y final. En ella figuran dos miembros; en el primero, los smbolos o frmulas de los reactantes, reaccionantes o reactivos y en el segundo los smbolos o frmulas de los productos. Para separar ambos miembros se utiliza una flecha que generalmente se dirige hacia la derecha, Importancia de la ecuacin qumica La ecuacin qumica nos ayuda a visualizar los reactivos que son los que tendrn una reaccin qumica y el producto que es lo que se obtiene de este proceso. Adems podemos ubicar los smbolos qumicos de cada uno de los elementos que estn dentro de la ecuacin y poder balancearlos con mayor facilidad y gran rapidez. Interpretacin de una ecuacin qumica Un caso general de ecuacin qumica sera:

aA + bBcC + dD donde: A, B, C, D, representan los smbolos qumicos de las molculas o tomos que reaccionan (lado izquierdo) y los que se producen (lado derecho). a, b, c, d, representan los coeficientes estequiomtricos, que deben ser ajustados de manera que sean reflejo de la ley de conservacin de la masa. La interpretacin fsica de los coeficientes estequiomtricos, si estos son nmeros enteros y positivos, puede ser en tomos o moles. As, se dira de la ecuacin de geometra estequiomtrica se subdivide en la siguiente: 1. Cuando "a" tomos (o molculas) de A reaccionan con "b" tomos (o molculas) de B producen "c" tomos (o molculas) de C, y "d" tomos (o molculas) de D. 2. Cuando "a" moles de tomos (o molculas) de A reaccionan con "b" moles de tomos (o molculas) de B producen "c" moles de tomos (o molculas) de C, y "d" moles de tomos (o molculas) de D. Por ejemplo el hidrgeno (H2) puede reaccionar con oxgeno (O2) para dar agua (H2O). La ecuacin qumica para esta reaccin se escribe:

H2 +O2 H2O El smbolo "+" se lee como "reacciona con", mientras que el smbolo "" significa "irreversible" o "produce". Para ajustar la ecuacin, ponemos los coeficientes estequiomtricos.

2H2 +O2 2H2O La ecuacin est ajustada y puede ser interpretada como 2 mol de molculas de hidrgeno reaccionan con 1 mol de molculas de oxgeno, produciendo 2 mol de molculas de agua. Las frmulas qumicas a la izquierda de "" representan las sustancias de partida, denominadas reactivos o reactantes; a la derecha de "" estn las frmulas qumicas de las sustancias producidas, denominadas productos. Los nmeros delante de las frmulas son llamados coeficientes estequiomtricos. Estos deben ser tales que la ecuacin qumica est balanceada, Es decir, que el nmero de


tomos de cada elemento de un lado y del otro sea el mismo. Los coeficientes deben ser enteros positivos, y el uno se omite. En las nicas reacciones que esto no se produce, es en las reacciones nucleares. Adicionalmente, se pueden agregar (entre parntesis y como subndice) el estado de cada sustancia participante: slido (S), lquido (l), acuoso (Ac) O gaseoso (g). En el ejemplo del agua:

2H2(g ) +O2(g ) 2H2O(l ) Ejemplo 7.1.- Consideremos la reaccin de combustin del metano gaseoso (CH4) en aire. Paso 1: Sabemos que en esta reaccin se consume (O2) y produce agua (H2O) y dixido de carbono (CO2). Luego: los reactivos son CH4 y O2, y los productos son H2O y CO2 Paso 2: la ecuacin qumica sin ajustar ser:

CH4 +O2 CO2 +H2O Paso 3: Ahora contamos los tomos de cada reactivo y de cada producto y los sumamos:

Entonces, una molcula de metano reacciona con dos molculas de oxgeno para producir dos molculas agua y una molcula de dixido de carbono.


Ejemplo 7.2.-

Ecuacin balanceada

2HCl +CaCaCl2 +H2 Ejemplo 7.33.-

Ajustar primero la molcula mayor

Ahora ajustamos el O.

Multiplicamos por dos:

Ejemplo 7.4.-

Necesitamos mas cloro en la derecha:

CH3OH + PCl5 2CH3Cl + POCL3 +H2O

Se necesita ms C en la izquierda, duplicamos CH3OH.

2CH3OH + PCl5 2CH3Cl + POCL3 +H2O

ya est ajustada.


Tipos de reacciones qumicas

Estequiometra Es el clculo de las cantidades de reactivos y productos de una reaccin qumica. Informacin cuantitativa de las ecuaciones ajustadas Los coeficientes de una ecuacin ajustada representan:

el nmero relativo de molculas que participan en una reaccin el nmero relativo de moles participantes en dicha reaccin.

Por ejemplo en la ecuacin ajustada siguiente:


la produccin de dos moles de agua requieren el consumo de 2 moles de H2 un mol de O2. Por lo tanto, en esta reaccin tenemos que: "2 moles de H2, 1 mol de O2 y 2 moles de H2O" son cantidades estequiomtricamente equivalentes. Estas relaciones estequiomtricas, derivadas de las ecuaciones ajustadas, pueden usarse para determinar las cantidades esperadas de productos para una cantidad dada de reactivos. Ejemplo: Cuntas moles de H2O se producirn en una reaccin donde tenemos 1,57 moles de O2, suponiendo que tenemos hidrgeno de sobra?

El cociente:

es la relacin estequiomtrica entre el H2O y el O2 de la ecuacin ajustada de esta reaccin. Ejemplo7.6.- Calcula la masa de CO2 producida al quemar 1,00 gramo de C4H10. Para la reaccin de combustin del butano (C4H10) la ecuacin ajustada es:

Para ello antes que nada debemos calcular cuantas moles de butano tenemos en 100 gramos de la muestra:

de manera que, si la relacin estequiomtrica entre el C4H10 y el CO2 es:

por lo tanto:

Pero la pregunta peda la determinacin de la masa de CO2 producida, por ello debemos convertir los moles de CO2 en gramos (usando el peso molecular del CO2):

De manera similar podemos determinar la masa de agua producida, la masa de oxgeno consumida, etc. Reactivo Limitante Cuando se ha ajustado una ecuacin, los coeficientes representan el nmero de tomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. Tambin representan el nmero de molculas y de moles de reactivos y productos.


Cuando una ecuacin est ajustada, la estequiometra se emplea para saber las moles de un producto obtenidas a partir de un nmero conocido de moles de un reactivo. La relacin de moles entre reactivo y producto se obtiene de la ecuacin ajustada. A veces se cree equivocadamente que en las reacciones se utilizan siempre las cantidades exactas de reactivos. Sin embargo, en la prctica lo normal suele ser que se use un exceso de uno o ms reactivos, para conseguir que reaccione la mayor cantidad posible del reactivo menos abundante. Reactivo limitante Cuando una reaccin se detiene porque se acaba uno de los reactivos, a ese reactivo se le llama reactivo limitante. Aquel reactivo que se ha consumido por completo en una reaccin qumica se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues determina o limita la cantidad de producto formado. Reactivo limitante es aquel que se encuentra en defecto basado en la ecuacin qumica ajustada. Ejemplo 7.7.- Para la reaccin:

Cul es el reactivo limitante si tenemos 10 molculas de hidrgeno y 10 molculas de oxgeno? Necesitamos 2 molculas de H2 por cada molcula de O2 Pero tenemos slo 10 molculas de H2 y 10 molculas de O2. La proporcin requerida es de 2 : 1 Pero la proporcin que tenemos es de 1 : 1 Es claro que el reactivo en exceso es el O2 y el reactivo limitante es el H2 Como trabajar con molculas es lo mismo que trabajar con moles. Si ahora ponemos 15 moles de H2 con 5 moles de O2 entonces como la estequiometra de la reaccin es tal que 1 mol de O2 reaccionan con 2 moles de H2, entonces el nmero de moles de O2 necesarias para reaccionar con todo el H2 es 7,5, y el nmero de moles de H2 necesarias para reaccionar con todo el O2 es 10. Es decir, que despus que todo el oxgeno se ha consumido, sobrarn 5 moles de hidrgeno. El O2 es el reactivo limitante Una manera de resolver el problema de cul es el reactivo es el limitante es: Calcular la cantidad de producto que se formar para cada una de las cantidades que hay de reactivos en la reaccin. El reactivo limitante ser aquel que produce la menor cantidad de producto. Ejemplo 7.8.- Se necesita un cierre, tres arandelas y dos tuercas para construir una baratija. Si el inventario habitual es 4,000 cierres, 12,000 arandelas y 7,000 tuercas. Cuantas baratijas se pueden producir? La ecuacin correspondiente ser:


En esta reaccin, 1 mol de cierres, 3 moles de arandela y 2 moles de tuercas reaccionan para dar 1 mol de baratijas. 1) Divide la cantidad de cada reactivo por el nmero de moles de ese reactivo que se usan en la ecuacin ajustada. As se determina la mxima cantidad de baratijas que pueden producirse por cada reactivo.

Cierres: 4,000 / 1 = 4,000 Arandelas: 12,000 / 3 = 4,000 Tuercas: 7,000 / 2 = 3,500

Por tanto, el reactivo limitante es la tuerca. 2) Determina el nmero de baratijas que pueden hacerse a partir del reactivo limitante. Ya que el reactivo limitante es la tuerca, el mximo nmero de baratijas que pueden hacerse viene determinado por el nmero de tuercas. Entran dos tuercas en cada baratija, de modo que el nmero de bsratijas que pueden producirse, de acuerdo con la estequiometra del proceso es:

7,000 / 2 = 3,500 baratijas

Ejemplo 7.9.- Considere la siguiente reaccin:

Supongamos que se mezclan 637,2 g de NH3 con 1142 g de CO2. Cuntos gramos de urea [(NH2)2CO] se obtendrn? 1) Primero tendremos que convertir los gramos de reactivos en moles: 637,2 g de NH3 son 37,5 moles 1142 g de CO2 son 26 moles 2) Ahora definimos la proporcin estequiomtrica entre reactivos y productos:

a partir de2 moles de NH3 se obtiene1 mol de (NH2)2CO a partir de 1 mol de CO2 se obtiene 1 mol de (NH2)2CO

3) Calculamos el nmero de moles de producto que se obtendran si cada reactivo se consumiese en su totalidad:

a partir de37,5 moles de NH3 se obtienen 18,75 moles de (NH2)2CO a partir de 26 moles de CO2 se obtienen 26 moles de (NH2)2CO

4) El reactivo limitante es el (NH3) y podremos obtener como mximo 18.75 moles de urea. 5) Y ahora hacemos la conversin a gramos:

18,75 moles de (NH2)2CO son 1125 g.

Rendimiento o conversin de una reaccin Se cree equivocadamente que las reacciones progresan hasta que se consumen totalmente los reactivos, o al menos el reactivo limitante. La cantidad real obtenida del producto, dividida por la cantidad terica mxima que puede obtenerse (100%) se llama rendimiento.


Rendimiento terico La cantidad de producto que debiera formarse si todo el reactivo limitante se consumiera en la reaccin, se conoce con el nombre de rendimiento terico. A la cantidad de producto realmente formado se le llama simplemente rendimiento o rendimiento de la reaccin. Es claro que siempre se cumplir la siguiente desigualdad

Rendimiento de la reaccin rendimiento terico Razones de este hecho:

es posible que no todos los productos reaccionen es posible que haya reacciones laterales que no lleven al producto deseado la recuperacin del 100% de la muestra es prcticamente imposible

Una cantidad que relaciona el rendimiento de la reaccin con el rendimiento terico se le llama rendimiento porcentual o % de rendimiento y se define as:

Ejemplo 7.10.- La reaccin de 6,8 g de H2S con exceso de SO2, segn la siguiente reaccin, produce 8,2 g de S. Cual es el rendimiento? (Pesos Atmicos: H = 1,008, S = 32,06, O = 16,00).

En esta reaccin, 2 moles de H2S reaccionan para dar 3 moles de S. 1) Se usa la estequiometra para determinar la mxima cantidad de S que puede obtenerse a partir de 6,8 g de H2S.

(6,8/34) x (3/2) x 32 = 9,6 g 2) Se divide la cantidad real de S obtenida por la mxima terica, y se multiplica por 100.

(8,2/9,6) x 100 = 85,4%

Rendimiento con Reactivos Limitantes Ejemplo 7.11.- La masa de SbCl3 que resulta de la reaccin de 3,00 g de antimonio y 2,00 g de cloro es de 3,65 g. Cul es el rendimiento o conversin de la reaccin? (Pesos Atmicos: Sb = 121,8, Cl = 35,45)

En esta reaccin, 1 mol de Sb4 y 6 moles de Cl2 reaccionan para dar 4 moles de SbCl3. 1) Calcular el nmero de moles que hay de cada reactivo: Peso Molecular del Sb4: 487,2

nmero de moles de Sb4 = 3/487,2 = 0,006156


Peso Molecular del Cl2: 70,9 nmero de moles de Cl2 = 2/70,9 = 0,0282

2) Comparar con la relacin de coeficientes en la ecuacin ajustada. La relacin es de 1 mol de Sb4 a 6 moles de Cl2. Usando la estequiometra:

0,00656/0,0282 = 1/4,3 > 1/6 de modo que el reactivo limitante es el Cl2. Nosotros slo tenemos 0,0282 moles de Cl2. 3) Usar la estequiometra para determinar la mxima cantidad de SbCl3 que puede obtenerse con 2,00 g de Cl2 (el reactivo limitante).

4) Dividir la cantidad real de SbCl3 obtenida por la mxima terica y multiplicar por 100. (3,65/4,29) x 100 = 85,08%

ALGUNOS CONCEPTOS Reactivo limitante Es aquel reactivo concreto de entre los que participan en una reaccin cuya cantidad determina la cantidad mxima de producto que puede formarse en la reaccin. Proporcin de reaccin Cantidades relativas de reactivos y productos que intervienen en una reaccin. Esta proporcin puede expresarse en moles, milimoles o masas. Rendimiento real Cantidad de producto puro que se obtiene en realidad de una reaccin dada. Comprese con rendimiento terico. Rendimiento terico Cantidad mxima de un producto especfico que se puede obtener a partir de determinadas cantidades de reactivos, suponiendo que el reactivo limitante se consume en su totalidad siempre que ocurra una sola reaccin y se recupere totalmente el producto. Comprese con rendimiento. Rendimiento porcentual Rendimiento real multiplicado por 100 y dividido por el rendimiento terico. Porcentaje de pureza El porcentaje de un compuesto o elemento especfico en una muestra impura. OXGENO O AIRE TERICO Y OXGENO O AIRE EN EXCESO En el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustin generalmente se emplean algunos conceptos importantes a saber: Aire terico o requerido Es la cantidad de aire que contiene el oxgeno terico. Oxgeno terico Son las moles (para un proceso intermitente) o la velocidad de flujo molar (para un proceso continuo) de oxigeno que se necesitan para efectuar la combustin completa del


combustible en el reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el H2 se oxida para formar H2O. Exceso de aire Es la cantidad de aire en exceso con respecto al terico o requerido para una combustin completa. Para su clculo pueden emplearse las siguientes expresiones equivalentes: % de exceso de aire = (O2 que entra al proceso - O2 requerido/O2 requerido) x 100 % de exceso de aire = (O2 de exceso / O2 de entrada - O2 de exceso) x 100 Para los clculos de aire terico y aire en exceso deben tenerse en claro los siguientes conceptos: El aire terico requerido para quemar una cierta cantidad de combustible no depende de la cantidad que realmente se quema. El combustible puede reaccionar parcialmente y puede quemarse parcialmente para formar CO y CO2, pero el aire terico es aquel que se requerira para reaccionar con todo el combustible para formar solo CO2. El valor del porcentaje de aire en exceso depende slo del aire terico y de la velocidad de alimentacin de aire y no de cuanto O2 se consume en el reactor o bien de que la combustin sea completa o parcial. Composicin del aire El aire atmosfrico presenta la siguiente composicin

componente % en volumen usual % en peso Usual Nitrgeno 78,03 79 75,45 76,8 Oxgeno 20,99 21 23,20 23,2 Argn 0,94 1,30 CO2 0,03 0,05 gases varios 0,01 Peso molecular Kg / Kgmol 28,967 29

En la mayora de los clculos de combustin es aceptable utilizar esta composicin simplificada a 79 % de N2 y 21 % de O2 en base molar.

As un Kgmol de aire contiene 0,21 Kgmol de oxigeno y 0,79 Kgmol de nitrgeno, siendo la relacin de 79/21 = 3,76 Kgmol de N2 / Kgmol de O2 o tambin puede expresarse como la cantidad de 4,76 Kgmol de aire / Kgmol de oxigeno que equivale a la cantidad de aire necesaria para contener 1 Kgmol de oxgeno.

Recordar y no confundir que estas relaciones son vlidas nicamente para composiciones molares. En trminos de composiciones de masa o kilogramos, estas cantidades son diferentes: 1 kg de aire contiene 0,233 kg. de oxigeno y 0,766 kg. de nitrgeno y la cantidad de aire necesaria para contener 1 kg. de oxigeno es de 4,292 kg. de aire.


Composicin en base seca o anlisis de Orsat: Es la composicin de todos los gases que resultan del proceso de combustin sin incluir el vapor de agua. Composicin en base hmeda: Es la composicin de todos los gases que resultan del proceso de combustin incluyendo el vapor de agua. La composicin expresada mediante el Anlisis de Orsat hace referencia a un tipo de aparato de anlisis de gases denominado Orsat en el que los volmenes de los gases respectivos se miden sobre y en equilibrio con agua. Ejemplo 7.12.- El anlisis de cierto coque exento de hidrgeno es como sigue: humedad, 4.2%; cenizas, 10.3%; carbono 85.5%. El coque se somete a la combustin con lo cual se obtiene un gas de chimenea seco cuyo anlisis es: CO2, 13.6%; CO, 1.5%; O2, 6.5%; N2, 78.4%. Calcular: (a) Porcentaje de exceso de aire utilizado. (b) Pies cbicos de aire a 80 F y 740 mm de Hg que entran por libra de carbono quemada. (c) Lo mismo que en (b) pero por libra de coque quemada. (d) Pies cbicos de gas de chimenea seco a 690 F / lb de coque. (e) Pies cbicos de gas de chimenea hmedo a las condiciones estndar / lb de coque. Solucin Datos Coque Anlisis de gases de combustin Humedad (H2O) = 4.2 % CO2 = 13.6 % Cenizas = 10.3 % CO = 1.5 % Carbono (C) = 85.5 % O2 = 6.5 % N2 = 78.4 % Base: 100 moles de gases de combustin n(CO2) = 13.6 W(CO2) = 598.4 lb n(CO) = 1.5 W(CO) = 42.0 lb n(O2) = 6.5 W(O2) = 208.0 lb n(N2) = 78.4 W(N2) = 2195.2 lb Procedemos a hallar el peso total de carbono y de oxgeno (exceptuando el oxgeno que entra como parte del agua en la humedad) que ingreso a partir del anlisis de los gases de combustin: Hallamos ahora el aire terico: C + O2 CO2 12.0 lb de C 32 lb de O2 181.2 lb de C x


x = 483.2 lb de O2 Tenemos que calcular ahora la cantidad de O2 que entra con la humedad: 181.2 lb de C 85.5 % y 100.0 % y = 211.93 lb de coque Pero la humedad solamente representa el 4.2 % del peso total de coque: W(Humedad) = 0.042 x 211.93 lb = 8.90 lb de H2O Por lo tanto el peso de O2 ser: Y con estos datos ya podemos hallar el porcentaje de exceso de oxgeno: (a) (b) V = ? (pies3) T = 80 F P = 740 mm Hg R = 0.7302 atm x pies3 / mol lb x R Para usar la ecuacin de los gases ideales solamente nos faltara conocer el nmero de moles del aire / lb de carbono. 181.2 lb de C 635.2 lb de O2 1.0 lb de C z z = 3.51 lb de O2 n(O2) = 0.109 Ahora hallamos las moles de O2 que entran / lb de carbono quemado. V = 210 pies3 (c) Wtotal de coque = 211.93 lb 211.93 lb de coque 635.2 lb de O2 1.0 lb de coque = 2.997 lb O2 n(O2) = 0.094 V = 181.424 pies3 (d) 100 moles de gas chimenea seco 211.93 lb de coque 1.0 lb de coque = 0.472 moles de gas de chimenea seco


PV = nRT V = 407.065 pies3 (e) 100.494 moles de gas chimenea hmedo 211.93 lb de coque 1.0 lb de coque = 0.474 moles gas chimenea hmedo PV = nRT V = 0.224 pies3 EJERCICIOS PROPUESTOS: PROBLEMAS 7.13.- La fabricacin de hipoclorito de sodio responde a la siguiente reaccin qumica:

El cloro gaseoso se burbujea en una disolucin de NaOH y posteriormente se separa el producto deseado del cloruro de sodio. Se hacen reaccionar 1145 lb de NaOH con 851 lb de cloro gaseoso. El NaOCl formado pesa 618 lb. Calcule:

A) Cul es el reactivo limitante? B) Cul es el porcentaje de exceso del reactivo en exceso empleado? C) Cul fue el grado de conversin de la reaccin? Recuerde que el grado de

conversin se calcula como la razn de los moles de NaOCl formados y los moles que se habran formado si la reaccin hubiese sido completa.

7.14.- La oxidacin de etileno para producir oxido de etileno procede de acuerdo a la siguiente reaccin:

La alimentacin del reactor contiene 100 kgmol de C2H4 y 100 kgmol de O2. a) Cul es el reactivo limitante? b) Cul es el porcentaje de exceso del reactivo correspondiente? c) Si la reaccin se lleva a cabo con el 100 % de conversin del reactivo limitante,

Qu cantidad de reactivo en exceso quedar? Cunto C2H4O se formar? 7.15.- El acetonitrilo se produce con la reaccin del propileno, amoniaco y oxigeno, de acuerdo con la siguiente reaccin


El reactor es alimentado con 100 moles/h de una mezcla que contiene 10 % en mol de propileno, 12 % en mol de amoniaco y 78 % en mol de aire. Se alcanza una conversin del 30 % de reactivo limitante.

a) Cul es el reactivo limitante? b) Cul es el porcentaje en el que los otros reactivos estn en exceso? c) Cules sern las velocidades de los flujos molares de los productos?

7.16.- Se quema metano con oxigeno para producir CO2 y H2O. La alimentacin contiene 20% molar de CH4 y 60 % molar de O2 y 20 % de CO2 y se alcanza una conversin del reactivo limitante del 20 %. Calcular la cantidad de productos obtenidos y la composicin porcentual de la corriente de salida 7.17.- Un reactor de combustin se alimenta con 100 mol/hora de butano (C4H10) y 5000 mol/h de aire. La reaccin qumica es la siguiente

a) Cul es el porcentaje de aire en exceso? b) Determine la composicin porcentual de la corriente de salida. 7.18.- El metano gaseoso puede quemarse segn las siguientes reacciones:

Si a un reactor se lo alimenta con 100 mol/h de metano a) Cul seria la velocidad de flujo terica de O2 si en el reactor se lleva a cabo la

combustin en forma completa? b) Cul seria la velocidad de flujo terica de O2 si el 70 % del metano reacciona

para formar CO? c) Si se suministra 100 % de aire en exceso Cul ser el flujo de aire que debe

entrar? Introduccin al balance de materia en sistemas reaccionantes. Ley de conservacin de la materia En un proceso cualquiera, la masa se conserva, quiere decir, que no puede ser creada

ni destruida. Para las transformaciones qumicas, esta ley es conocida bajo el nombre de ley de Lavoisier (Antoine, Laurent, nacido en 1743 y guillotinado en 1794). La masa de un sistema cerrado es constante, sean cuales sean las reacciones qumicas

producidas por el sistema. Lavoisier dio a conocer esta ley en 1776, gracias a medidas precisas realizadas sobre la combustin del plomo, en medio cerrado y en presencia de aire, bajo la influencia del calor solar producido por una lupa.


2Pb +O2 PbO El constat que la masa de xido de plomo obtenida en la combustin posea una masa superior a la masa inicial de plomo. El sistema cerrado pone en evidencia el consumo de parte del aire encerrado en el recipiente durante la reaccin. El enseguida descompuso trmicamente el oxido formado y obtuvo el metal de partida y restituy el aire vital (oxgeno) consumido durante la primera reaccin. Balance de materia con reciclo y reaccin Recirculacin con reaccin qumica 7.19.- En la sntesis de metanol basada en la reaccin.

CO2 + 3H2 CH3OH + H2O a presin elevada, el H2 y el CO2 que se hace reaccionar en proporciones estequiomtricas, se produce por un proceso de reformado de gas natural y contiene 0.5 % en volumen (molar) de inertes. En el reactor se obtiene una conversin del 60 % molar. La concentracin de inertes que entra en el reactor debe de mantenerse por debajo del 2 % molar. El proceso se realiza en estado estacionario y se puede admitir que todas las corrientes se comportan como gases ideales. a) Cuntos moles se deben recircular por cada mol de alimentacin que entra al Rx? b) Cuntos moles se deben purgar por cada mol de alimentacin fresca?

Tomamos como base 1 mol de CO2 que entra como alimentacin del Rx (punto B). Los moles de inertes (I) en el punto B se obtienen as:


Un balance de carbono entre los puntos C y B nos da la composicin de la corriente en B, C y D.

F + R = 4.082 moles 0.005 F + 0.0487 R = 0.082 (Inertes) la corriente en D tiene un 4.87 % en volumen de I. F = 2.67 R = 1.41 D-R = 0.272 (Purga). La concentracin de impurezas aumenta del 2% en el punto B hasta 4.87% en el punto D. Por esta razn es necesaria la corriente de purga. 7.20.- La combustin de una mezcla que contiene 80 % de metano y 20 % de etano (% en volumen) con 20 % de exceso de aire da origen a una combustin incompleta y libera un gas de combustin que contiene dixido de carbono, monxido de carbono y agua. Determinar la composicin en volumen de los gases hmedos obtenidos y conociendo que la relacin molar CO/(CO+CO2) es de 0,1 en el gas efluente.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 16 32 44 18CH4 + 3/2O2 CO+ 2H2O 16 16 28 18C2H6 + 7/2O2 2CO2 + 3H2O 30 32 44 18C2H6 +5/2O2 2CO + 3H2O 30 32 28 18

7.21.- Un gas que contiene 80% de metano, 10 % de hidrgeno y 10 % de nitrgeno (% en volumen) es quemado con un exceso de 40 % molar de aire (Calculado sobre la combustin completa a CO2 y H2O) Conociendo que el 10 % del carbono (% molar) se transforma en CO y el 90 % en CO2, determine la composicin volumtrica de los gases de combustin.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 16 32 44 18H2 +1/2O2 H2O 2 32 18 CH4 + 3/2O2 CO +2H2O 30 32 28 18

7.22.- Las amilaminas (mezcla de aminas ismeras de 5 tomos de carbono) son obtenidas bajo la forma de clorhidratos por amonlisis del cloropentano correspondiente.


a) Calcule las masas de reactivos a utilizar para preparar 500 kg de clorhidrato de pentilamina conociendo que la tasa de conversin es de 90 %.

b) Calcule la masa de hidrxido de sodio al 32 % a utilizar para neutralizar 500kg de clorhidrato de amilaminas conociendo que se utiliza 10 % de exceso de hidrxido de sodio (en masa) para asegurar que la reaccin sea total.

c) Haga el balance de materia de este proceso.

Reacciones

C5H11Cl + NH3 C5H11NH2HCl NaOH C5H11NH2 + NaCl + H2O 106,5 17 123,5 87 58,5 18

7.23.- La sulfatacin del alcohol lurico (dodecanol) se efecta a temperatura ambiente con el cido clorosulfrico en cantidad equimolar y el rendimiento de la transformacin es cuantitativa. El cloruro de hidrgeno liberado durante la reaccin es totalmente eliminado del reactor por una corriente de aire y es absorbido por el agua en una columna de absorcin para dar cido clorhdrico a 20 %. El hidrgeno sulfato de laurilo es neutralizado por una solucin de amoniaco al 25 % y diluido para obtener una sal de amonio a 20 %. A continuacin se muestra el esquema de este proceso.

Reacciones

C12H25OH + HSO3ClC12H25OSO3H + HCl 186 116,6 266,1 36,5C12H25OSO3H + NH3 C12H25OSO3NH4 266,1 17 283,1

Calcule la masa de:

a) El cido clorosulfrico a utilizar para sulfatar 1860 kg de alcohol lurico.


b) El cido clorhdrico al 20 % obtenido en la base de la torre de absorcin y la cantidad de agua necesaria para obtener esta concentracin.

c) El amonaco a 25 % necesario para obtener el sulfato de amonio y lurico, as como la cantidad de agua necesaria para obtener esta concentracin. Todos los porcentajes son en masa.

7.24.- La Sntesis del amonaco se realiza en fase gaseosa, segn el proceso Haber. En este proceso, el hidrgeno se hace reaccionar con el nitrgeno en cantidades estequiomtricas a una temperatura de 500 oC y una presin de 330 bar y en presencia de hierro activado sobre almina como catalizador. Bajo estas condiciones la conversin es de 22 %. Luego de la reaccin, el amonaco es separado de los reactivos no transformados y estos ltimos son reciclados. Para una alimentacin total de 10 000 m3/h de reactivos (a condiciones normales de P y T) en proporciones estequiomtricas, calcular: a) Flujo msico de amonaco producido. b) Porcentaje de reactivos recirculados.

N2 + 3H2 2NH328 3x2 2x17

7.25.- La empresa donde trabajas desea producir amoniaco para exportar a Europa y se ha sometido a concurso el diseo del proceso. El amoniaco se sintetiza a partir de N2 y H2 mediante la siguiente reaccin:

N2 + 3H2 2NH3 Los proyectos presentados son los siguientes:


En ambos procesos se alimentan 1000 lb de N2 y 800 lb de H2.

a) En cual de los procesos se obtiene mayor produccin de NH3. b) Cual proceso debe implementarse? c) Que modificaciones propondra para mejorar el proceso seleccionado?

7.26.- El departamento de ingeniera de proyectos de una planta industrial desea una evaluacin del diagrama de proceso para la obtencin de cloruro de calcio. La reaccin que se lleva a cabo es la siguiente:

2 CaCl(OCl) + CO2 + H2O CaCl2 + CaCO3 + 2HClO Se deben obtener 100 lb/h de CaCl2. Se dispone de la siguiente informacin: 1.- Tipo de reactores:

2.- Tipo de separacin:


Tu trabajo en dicho departamento consiste en:

a) Dar al menos tres alternativas para un diagrama de flujo para dicho proceso. b) Evaluar el balance de materia para determinar el mejor diagrama.

7.27.- Una planta de azufre instalada en un campo de gas natural debe tratar 10 toneladas de un gas cido que contienen 75 % de H2S, 20 % de CO2 y 5 % de N2 (% en volumen). Estos gases son quemados en presencia de un exceso de 10 % de aire. Luego de la reaccin de oxidacin del sulfuro y de la eliminacin del azufre formado, los gases residuales son neutralizados en contracorriente en una columna de absorcin con hidrxido de sodio al 31 % (masa). a) Determinar el volumen de aire terico necesario para oxidar completamente el sulfuro de hidrgeno contenido en el gas cido. b) Calcular la masa de azufre formada conociendo que la conversin de la reaccin es de 96 %. c) Calcular la masa de hidrxido de sodio al 31 % necesario para neutralizar los el gas cido. Determine la composicin de los efluentes lquidos y gaseosos suponiendo que la neutralizacin es total.

Reaccin:

H2S +12O2 H2O+ S

34,1 32 18 32,1


7.28.- La hidrodesalquilacin es un proceso donde cadenas cortas de hidrocarburos son removidas de grandes molculas usando hidrgeno. En la hidrodesalquilacin del tolueno (C6H5CH3) se producen benceno (C6H6) y metano (CH4), segn la reaccin:

C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4 En un proceso industrial 100 lbmol/h de tolueno liquido puro es alimentado con 200 lbmol/h de hidrgeno gaseoso a un reactor. Estas dos alimentaciones son combinadas con dos reciclos que se describirn a continuacin. El 75 % del tolueno alimentado al reactor reacciona. El efluente del reactor es llevado a un separador liquido/vapor. Todo el hidrgeno y el metano (gases) sale en forma de vapor y todo el tolueno y el benceno salen como una corriente liquida. Esta corriente liquida es alimentada a un segundo separador, donde todo el tolueno es separado de todo el benceno en dos corrientes puras. La corriente de tolueno es recirculada completamente y mezclada con el tolueno fresco alimentado al proceso. La corriente de vapor que sale del primer separador liquido/vapor es dividida en dos corrientes iguales y una de ellas es mezclada con el hidrgeno que se alimenta al reactor. La segunda corriente es llevada a otra parte de la planta para alimentar otro proceso.

a) Dibuje el diagrama del proceso b) Cunto benceno es producido? c) Cul es la composicin de la corriente de vapor que es enviada a otro proceso?

d) Cunto tolueno es alimentado al reactor? e) Cul es la composicin de la corriente de vapor que es alimentada al reactor?

7.29.- La produccin de zinc est acoplada a la produccin de cido sulfrico. El zinc es obtenido a partir del mineral de blenda que contiene 80 % de sulfuro de zinc que se quema con aire en exceso (20 % molar). El xido de zinc obtenido es reducido en un segundo horno por la combustin de un coque que contiene 85 % de carbono en presencia de aire en exceso para obtener dixido de carbono y zinc. El cido sulfrico es obtenido por oxidacin del dixido de azufre en un convertidor que luego es llevado a una torre de absorcin donde se produce el cido sulfrico al 96 % (Todos los porcentajes son en masa).


a) Calcular las masas de mineral blenda y de coque a utilizar para obtener 1000 kg de zinc sabiendo que la tasa de conversin en el primer horno es total y que en el segundo horno es de 90 %.

b) Calcular los volmenes de SO2, SO3 y CO2 despejados a 25 oC y 1020 mbar, conociendo las tasas de conversin de las oxidaciones del ZnS (100 %), del SO2 (100 %) y de la transformacin del ZnO en Zn y CO2 (90 %).

c) Calcule la masa del cido sulfrico 96 % obtenido y la cantidad de agua necesaria para obtener este cido.

d) Calcular el volumen total de aire consumido durante las tres operaciones de oxidacin conociendo que es necesario utilizar un exceso de 20 % para que la reaccin sea completa, a 25 oC y 1020 mbar.

ZnS + 32O2 ZnO+ SO297,5 32 81,4 64,1ZnO+ C + 12O2 Zn + CO281,4 12 32 65,4 44SO2 +

12O2 SO3

64,1 32 80,1SO3 + H2O H2SO480,1 18 98,1

7.30.- Una unidad de craking de etano procesa 1000 ton/da de dicho hidrocarburo. La conversin por el paso es del 35% en peso y se desea llegar a una conversin final del 95%. Determinar el reciclo necesario y la produccin de etileno (D).


Clculo de la produccin de etileno RLCF * PM2/PM1 * Ct = PD 1000 * 28/30 * 0.95 = PD PD = 883.5 Ton/da de etileno Clculo del reciclo (RLCF+ RLR) * PM2/PM1 * Cp = PD (1000+RLR) * 28/30 * 0.35 = 883.5 RLR = 1715 Ton/da Clculo de la produccin de hidrgeno Por estequiometra 30 Ton/da de etano 2 Ton/da de H2 1000 Ton/da de etano X Ton/da de H2= 67 Ton/da de H2 Clculo del etano que se obtiene por el fondo de la columna de destilacin Balance Global F = D + P + B 1000= 883.5 + 67 + B B = 49.5 Ton/da de etano 7.31.- El TiCl4 puede formarse reaccionando dixido de titanio (TiO2) con cido clorhdrico. El TiO2 disponible tiene un 78 % de TiO2 y un 22 % de inertes. El HCl es una solucin de 45 P%. La conversin por paso de TiO2 es 75 %. El HCl de alimentacin al reactor est en un 20 % en exceso respecto a la reaccin. El TiO2 puro sin reaccionar se recircula y se mezcla con el TiO2 de la alimentacin.

TiO2 + 4 HCl TiCl4 + 2H2O Para 1 kg de TiCl4 producido, determine: a. El caudal (kg) de TiO2 de la alimentacin. b. El caudal de la solucin del 45 P% de HCl de alimentacin. c. La relacin del reciclo con la corriente de alimentacin de TiO2 (en kg).


(MW: TiO2 79.9; HCl 36.47; TiCl4 189.7)

7.32.- Muchas industrias qumicas generan emisiones de componentes voltiles que deben ser controlados. En el proceso mostrado en la figura, el CO en exceso es sustancialmente reducido mediante separacin del efluente del reactor y se recircula el CO junto con el reactivo. Entonces el producto es adecuado, se provee la siguiente informacin: la corriente de alimentacin contiene 40 % de reactivo, 50 % inertes y 10 % de CO, y que la reaccin de 2 moles de reactivo produce 2.5 moles de producto. La conversin de reactivo a producto es de 73 % en cada paso a travs del reactor, y del 90 % en el proceso global. La corriente de reciclo contiene un 80 % CO y un 20 % de reactivo. Calcular la relacin molar entre las corrientes de reciclo y producto.

7.33.- Procesos de recirculacin y purga En un proceso con recirculacin en estado estacionario nada vara con el tiempo, de forma que no hay acumulacin ni vaciamiento de ninguno de los componentes en ninguna parte del proceso. Supngase tal como se indica en la figura que se pone en marcha un sistema de reaccin con 1 kg/min. de la alimentacin A, que contiene 10 ppm de una impureza inerte.


Supngase que el 50% de la corriente que entra como alimentacin del reactor se convierte en productos (por paso), que todos los inertes y la alimentacin que no reaccionan se recuperan y se recirculan y que la velocidad de adicin de alimentacin fresca se reduce entonces a 0.5 Kg/min. de A. En el segundo paso la corriente que entra como alimentacin del reactor es una mezcla del 50% de alimentacin fresca y 50% de recirculacin, que contendr 15 ppm de impurezas (habiendo 20 ppm en la corriente de recirculacin). En el tercer paso, la alimentacin del reactor contendr 20 ppm de impurezas. Al cabo de un tiempo infinito habra una cantidad infinita de recirculacin formada por los inertes prcticamente puros. Para evitar esta acumulacin de impurezas en el sistema es preciso separarlos de la corriente de recirculacin y si esto no es posible hay que purgar una parte de la corriente de recirculacin. Una vez que se especifica el nivel tolerable de la concentracin de inertes en la alimentacin del reactor y se conocen todas las composiciones, se puede calcular fcilmente, a partir de un balance global, la cantidad de purga que se necesita.


Problema 7.34.- Se dispone de una planta de hidrodealquilacion de tolueno (C7H8) a benceno (C6H6) como la indicada en la figura. Se quieren obtener 105,6kmol/h de benceno con una pureza del 99,6 % m. En el reactor tiene lugar la siguiente reaccin, C7H8 + H2 C6H6 + CH4, con una conversin del 75%. Determinar el balance de materia de la planta sabiendo que la corriente de alimentacin del hidrgeno tiene de composicin un 95 % m de hidrgeno y un 5% m de metano CH4. Datos: Relacin hidrgeno/tolueno a la entrada del reactor 5. La corriente de purga tiene un 60% m de hidrgeno.

Solucin Primero se analizan los grados de libertad del problema, se pueden realizar tantos balances como unidades de proceso existan, en este caso hay 5 unidades (mezclador, reactor, separador1, divisor y separador2). Por tanto se pueden plantear balances a esas 5 unidades o bien a 4 de ellas y un balance global a la planta. A continuacin se pone la tabla de grados de libertad para todas las unidades y para el proceso global (debe ser suma de las de las unidades).


Los balances realizados son a especies moleculares, no a elementos, de ah sumar una incgnita ms por la reaccin. Las restricciones del divisor corresponden a que las composiciones de las 3 corrientes participantes en el divisor deben ser iguales. BALANCE GLOBAL Tolueno: N3,Tol + N4,Tol = N2,Tol " Hidrgeno: N5,H2 = N1 x1,H2 " Benceno: N3,Bz = " Metano: N5,Met = N1 x1,Met + " " = N3,Bz = 105.6 0.996 = 105.2kmol/h ) N3,Tol = 105.6 105.2 = 0.4kmol/h Como la conversin de Tolueno es del 75% en el reactor: Conv = N3,Bz/N2,Tol ) N2,Tol = 105.2/0.75 = 140.3kmol/h Ahora de la primera ecuacin de los balances planteados obtenemos el tolueno de la corriente l4 . N4,Tol = 140.3 105.2 0.4 = 34.7kmol/h De la ecuacin 2 queda 0.6N5 = 0.95N1 " ) N5 = 300.6kmol/h Sumando las ecuaciones 2 y 4 de los balances queda N1 = N5 ) N1 = 300.6kmol/h Con esta informacin obtenemos 2 nuevas especificaciones para el mezclador, los caudales de las corrientes 1 y 2 con lo cual sus grados de libertad son ahora 0 y se puede resolver: BALANCE AL MEZCLADOR Tolueno: N2,Tol = N7,Tol ) N7,Tol = 140.3kmol/h Hidrogeno: N7,H2 = N1,H2 + N6,H2 N7,Tol = 300.6 0.95 + N6 0.6 Metano: N7,Met = N1,Met + N6,Met = 300.6 0.05 + N6 0.4 Especificacion: N7,H2/N7,Tol = 5 ) N7,H2 = 5 140.3 = 701.5kmol/h Quedando de los balances al H2 y al metano: N6 = 693.2kmol/h y N7,Met = 292.3kmol/h BALANCE AL REACTOR N8,Tol = N7,Tol " = 140.3 105.2 = 35.1kmol/h N8,H2 = N7,H2 " = 791.5 105.2 = 596.3kmol/h N8,Bz = N7,Bz + " = 0 + 105.2 = 105.2kmol/h


N8,Met = N7,Met + " = 292.3 + 105.2 = 397.5kmol/h BALANCE AL SEPARADOR1 N9,Tol = N8,Tol = 35.1kmol/h N10,H2 = N8,H2 = 596.3kmol/h N9,Bz = N8,Bz = 105.2kmol/h N10,Met = N8,Met = 397.5kmol/h El balance al separador2 no hace falta, es combinacin lineal de los realizados. 7.35.- Se dispone de una planta de hidrodealquilacin de tolueno (C7H8) a benceno (C6H6) como la indicada en la figura. Se quieren obtener 105,6kmol/h de benceno con una pureza del 99,6% m. En el reactor tiene lugar la siguiente reaccin:

con una conversin del 75%. Determinar el balance de materia de la planta sabiendo que la corriente de alimentacin del hidrgeno tiene de composicin un 95% m de hidrgeno y un 5% m de metano CH4. Datos: Relacin hidrgeno / tolueno a la entrada del reactor 5. La corriente de purga tiene un 60% m de hidrgeno.

7.36.- En una prueba realizada en una caldera con alimentacin de aceite no fue posible medir la cantidad de aceite quemado, aunque el aire que se emple se determin insertando un medidor ventura en la lnea de aire. Se encontr que se haba utilizado 5000 pies3 / min de aire a 80 F y 10 lb / plg2 man. El anlisis del gas de chimenea seco es: CO2, 10.7%; CO, 0.55%; O2, 4.75%; N2, 84.0%. Si se supone que el aceite est formado nicamente por hidrocarburos, calcular los galones por hora de aceite que se queman. El peso especfico del aceite es 0.94.


7.37.- El anlisis de un gas es: CO2, 5%; CO, 40%; H2, 36%; CH4, 4% y N2, 15%. Este gas se quema con 60% de exceso de aire; la combustin es completa. El gas y el aire entran a 60 F, y los gases de chimenea descargan a 500 F. Calcular: (a) El anlisis del gas de chimenea seco. (b) Pies cbicos de aire por pie cbico de gas. (c) Pies cbicos de gas de chimenea hmedo por pie cbico de gas. Solucin Base: 100 moles de gas n(CO2) = 5 n(CO) = 40 n(H2) = 36 n(CH4) = 4 n(N2) = 15 Solamente combustionan el H2 y el CH4 para formar CO2 y H2O. Reacciones de combustin: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O H2 + (1/2)O2 H2O Anlisis del gas de chimenea seco n(CO2) = 5 + 4 = 9 n(CO) = 40 n(N2) = 15 + 156.49 = 171.49 n(O2) = 15.6 n(totales) = 236.09 Por lo tanto: CO2 = 3.81% CO = 16.94% N2 = 72.64% O2 = 6.61% b) Como en los gases se cumple que una base molar es equivalente a una base volumtrica tendremos que entran 100 pies3 de gas y que entran n(aire)=41.6 + 159.49 = 198.09 moles que tambin equivaldran a 198.09 pies3. c) n(H2O) = 8+36 = 44 n(totales)hmeda = 236.09 + 44 = 280 7.38.- En la reaccin


CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2 + H2O.

(a) Cuntos gramos de carbonato de calcio se requieren para producir 1700 cm3 de bixido de carbono a 780 mm de Hg y 17 C? (b) Si se desprenden 360 cm3 de bixido de carbono a 754 mm de Hg y 20 C, qu cantidad de gramos de carbonato de calcio fueron sujetos a la reaccin? Solucin Datos para el CO2: V = 1700 cm3 = 1.7 lt P = 780 mmHg = 1.0263 atm T = 17 C = 290 K PV = nRT 1.0263x1.7 = n(CO2)x0.082x290 n(CO2) = 0.0734 W(CO2) = 0.0734 x 44 = 3.23 gr 100 gr CaCO3 44.00 gr CO2 x 3.23 gr CO2 x = 7.341 gr CaCO3 b) V = 360 cm3 = 0.36 lt P = 754 mmHg = 0.992 atm T = 20 C = 293 K PV = nRT 0.992x0.36 = n(CO2)x0.082x293 n(CO2) = 0.015 W(CO2) = 0.015 x 44 = 0.66 gr 100 gr CaCO3 44.00 gr CO2 x 0.66 gr CO2 x = 1.5 gr CaCO3 7.39.- Un recipiente cerrado hermticamente y cuyo volumen es de 1 pie3, contiene NH3 gaseoso a 300F y 30 lb / plg2 abs. Dentro del recipiente cerrado se bombea 0.35 pies3 de HCl gaseoso medido a 200F y 20 lb/plg2 abs. De acuerdo con la siguiente reaccin se forma NH4Cl: NH3 + HCl NH4Cl Supngase que la reaccin es total y que la presin de vapor del NH4Cl a 250C es de 15 lb/plg2 abs. (a) Qu cantidad de NH4Cl se formara? (b) Considerando que el NH4Cl es slido, cul ser la presin final en el recipiente cerrado si la temperatura final es de 250 C? Solucin a) Aplico la ecuacin de gases para el NH3 y para el HCl. PV = nRT 30x1 = n(NH3)x10.73x(300+460) n(NH3) = 0.0037 W(NH3) = 0.0037x17 = 0.0329 lb PV = nRT 20x0.35 = n(HCl)x10.73x(200+460) n(HCl)= 0.001 W(HCl) = 0.001x36.5 = 0.0365 lb


El reactivo limitante es el HCl y el NH3 que no reacciona es 0.0629 0.017 = 0.0459 lb. 36.5 lb HCl 53.5 lb de NH4Cl 0.0365 lb HCl z z = 0.0535 lb NH4Cl b)Al final de la reaccin tenemos NH3(g) y NH4Cl(s), y la presin total ser la que aporte cada uno de ellos. 7.40.- El anlisis de un gas natural es como sigue: CO2, 4.0 %; CH4, 72.0 %; C2H6, 12.0 %; N2, 12.0 %. Cul es la composicin en peso? Qu peso molecular tiene? Qu densidad a 60 F y 30.0 plg de Hg? Cul es el peso especfico comparado con el del metano?. Solucin a)Base: 100 moles de gas natural n(CO2) = 4 n(C2H6) = 12 n(CH4) = 72 n(N2) = 12 W(CO2) = 4 x 44 = 176 lb W(C2H6) = 12 x 30 = 360 lb W(CH4) = 72 x 16 = 1152 lb W(N2) = 12 x 28 = 336 lb W(total) = 176 + 1152 + 360 + 336 = 2024 lb Composicin en peso: b) Para hallar el peso molecular del gas procedemos mediante la frmula: c) Densidad: d) Peso especfico:

Documents

INTRODUCCIÓN AL BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS REACCIONANTES