Problem Ari Opp q 2012 A

0

INGENIERÍA QUÍMICA

PROBLEMARIO DE PRINCIPIOS

DE LOS PROCESOS QUÍMICOS

ELABORADO POR:

M. EN C. JULIAN CRUZ OLIVARES

[email protected]

REVISADO POR:

Dr. CÉSAR PÉREZ ALONSO

M en C. JOSÉ FRANCISCO BARRERA PICHARDO

JULIO 2011

UNIVERSIDAD

AUTÓNOMA DEL

ESTADO DE MÉXICO

FACULTAD DE QUÍMICA

1

ÍNDICE

Presentación

Unidad de competencia I 1

Análisis de problemas ingenieriles

Problemas resueltos 2

Problemas propuestos 14

Unidad de competencia II 18

Balances de materia y energía en operaciones unitarias



Unidad de competencia III 43

Balances de materia y energía en procesos unitarios



Bibliografía 65

Anexos 66

Programa de estudios por competencias de la UA

2

PRESENTACIÓN

La Unidad de Aprendizaje (UA) de Principios de los Procesos Químicos

(PPQ) pretende que el estudiante se capacite en el cálculo de Balances de

Materia y de Energía. La cursan los alumnos de Ingeniería Química en el

cuarto periodo. Por muchos años esta UA ha ocupado los primeros lugares en

porcentaje de reprobación en esta y en otras escuelas del país. Su contenido es

amplio y requiere una mayor dedicación para comprender, plantear y aplicar

los balances de materia y de energía apropiadamente en las operaciones

unitarias (Mezclado, Destilación, Absorción, Secado, Humidificación,

Cristalización, Extracción, entre otras) y procesos unitarios (Procesos con

reacciones químicas). El conocimiento relacionado con el cálculo de balances

de materia y energía, habilidades como el manejo de tablas, de diagramas, de

programas computacionales y el planteamiento de problemas y actitudes

como la responsabilidad y el trabajo colaborativo, que se promueven en esta

UA son indispensables para adquirir el “criterio ingenieril” que se requiere en

un Ingeniero Químico.

El problemario que se presenta en este documento, servirá como material

didáctico de apoyo y le permitirá al estudiante, desarrollar habilidades de

manejo de tablas, diagramas, calculadora científica y programas

computacionales. Pero sobre todo aprenderá a tomar decisiones a la hora de

plantear los problemas propuestos, apoyado en el criterio desarrollado al

reproducir los problemas resueltos. De esta manera se espera que el estudiante

adquiera la habilidad y el entrenamiento suficientes para presentar los

exámenes con mayor confianza y éxito.

3

Unidad de Competencia I

Análisis de Problemas Ingenieriles

Problemas Resueltos (PR)

Problemas Propuestos (PP)

4


PR I.1 Balance de materia en un proceso de destilación

Se alimentan a una columna de destilación 1000 L/h de una mezcla equimolar de metanol y

agua cuya densidad relativa es 0.85, las corrientes de producto salen por las partes inferior

y superior de la columna, la velocidad de flujo del destilado pesado es de 1157.5 Lbm/h. El

análisis de la corriente del destilado ligero muestra que contiene 96% en peso de metano.

a) Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso (DFP)

b) Indique el nombre del equipo y la operación unitaria que se lleva a cabo

c) Haga al análisis de grados de libertad (AGL)

d) Calcule las fracciones másica y molar y las velocidades de flujo másico y molar de

los componentes en todas las corrientes del proceso.

SOLUCIÓN:

Equipo: COLUMNA DE DESTILACIÓN

Operación Unitaria: SEPARACIÓN (DESTILACIÓN)

DATOS INICIALES:

CORRIENTES

A B D

Comp. Flujo

(L/h)

z

% mol

Flujo

(Lbm/h) x Flujo

y

% peso

Metanol 0.5 96

Agua 0.5

Mix =Mezcla 1000 1157.5

CONSIDERACIONES:

1. Sistema en estado estacionario

2. Se decide trabajar con el sistema internacional de unidades: Flujos másicos

(kg/h) y composiciones en fracción peso.

COLUMNAA

D

B

5

PROCEDIMIENTO:

Transformación de unidades

1. Flujo y composiciones de la alimentación:

La densidad relativa ( ) se define como:

Sabemos que:

=1

=1000

Entonces;

= 0.85

=850

Por lo tanto, el flujo de alimentación es:

METANOL=m PMm=32g/mol

AGUA=H2O PMH2O=18g/mol

PMmix=∑ (fr. mol)i *PMi

PMmix=0.5(32) +0.5(18) =25 kgmix/kmolmix

2. Flujo de la corriente de fondos

Análisis de Grados de Libertad

Φ=6 (variables independientes totales)

-2 (componentes)

-2 (composiciones especificadas)

-2 (flujos especificados)

Φ=0

6

BALANCE DE MATERIA TOTAL

850

= +525

BALNCE DE MATERIA PARCIAL

METANOL:

AGUA:

METANOL: (

) (

) (

) (

)

(

)

544

= 312

+

(

)

x

( (

) )

x

RESULTADOS

CORRIENTES

A D B

Comp. kg/h Fr. peso kg/h Fr. peso kg/h Fr. peso

CH3OH 544 0.64 312 0.96 231 0.44

H2O 306 0.36 13 0.04 294 0.56

Mezcla 850 1 325 1 525 1

PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN EN LA CORRIENTE LIGERA

METANOL:

=0.5735*100= 57.35%

AGUA:

= 0.04*100= 4.2%

CORRIENTES

A D B

Comp. kmol/h Fr. mol kmol/h Fr. mol kmol/h Fr. mol

CH3OH 17 0.5 9.75 0.93 7.22 0.31

H2O 17 0.5 0.72 0.07 16.33 0.69

Mezcla 34 1 10.47 1 23.55 1

7

PR I.2 Balance de materia en un proceso de mezclado

Se desea obtener un lote de 300L de cloro (solución acuosa al 6% en peso de hipoclorito de

sodio) a partir de una disolución concentrada (36% en peso) de hipoclorito de sodio en

agua.

a) Dibuje y marque el diagrama de flujo del proceso (DFP)

b) Indique el nombre del equipo y la operación unitaria que se lleva a cabo

c) Haga al análisis de grados de libertad (AGL)

d) Determinar la cantidad de agua y de la solución concentrada de hipoclorito de sodio

que se requieren mezclar (en kg y kgmol)

SOLUCIÓN:

Equipo: MEZCLADOR

Operación unitaria: MEZCLADO

DATOS INICIALES:

Suponemos:

1000 kg/

MEZCLADO

C

BA

CORRIENTES

A B C

Comp. Flujo

(kg)

x

% peso

Flujo

(Lbm/h)

x

% peso

Flujo

(kg)

x

% peso

Hipoclorito

de sodio 0.36 ----- 0.06

Agua 0.64 1 0.94

Mezcla 300

8



-2 (componentes)



Φ=0


BALANCE DE MATERIA PARCIAL

NaClO:

AGUA:

RESULTADOS

Flujos másicos y fracciones peso

CORRIENTES

A B C

Comp. kg/h Fr. Peso kg/h Fr. peso kg/h Fr. peso

NaClO 18 0.36 0 0 18 0.06

H2O 32 0.64 250 1 282 0.94

Mezcla 50 1 250 1 300 1

Flujos molares y fracciones mol

CORRIENTES

A B C

Comp. kgmol/h Fr. Mol kgmol/h Fr. mol kgmol/h Fr. mol

NaClO 0.241 0.1198 0 0 0.2416 0.0152

H2O 1.77 0.8802 13.88 1 15.6600 0.9848

Mezcla 2.011 1 13.88 1 15.9016 1

9

PR I.3 Balance de materia en un proceso de lavado

En la producción de aluminio a partir de bauxita, un paso crucial es la separación de la

alúmina de las impurezas minerales. En el proceso Bayer, esto se logra mediante el

tratamiento de bauxita con NaOH en solución, para producir NaAlO2. Debido a que el

NaAlO2 es soluble en agua, pero no los componentes residuales del mineral de bauxita,

puede obtenerse una separación dejando asentar dichos minerales y decantando la solución

acuosa de NaAlO2 y NaOH que no reaccionó. Para recuperar algo más de NaAlO2 que

quedó en la solución atrapada entre los sólidos asentados, se lava este “lodo” repetidas

veces con agua, se deja asentar y se decanta el agua de lavado. La siguiente figura muestra

una etapa de este proceso de lavado y asentamiento. En esta etapa, se lava una lechada de

alimentación que contiene 10% de sólidos, 11% de NaOH 16% de NaAlO2 y el resto de

agua, con una corriente de agua de lavado que contiene 2% de NaOH, para producir una

solución decantada libre de sólidos, formada por 95% de agua y un lodo asentado con 20%

de sólidos. Determine los grados de libertad y calcule la cantidad de NaAlO2 que se

recupera en solución decantada, si se alimenta lechada a razón de 1000Lb/h.

SOLUCIÓN:

DATOS INICIALES:



LECHADA SOLUCION

2

LAVADO 3

1

4

CORRIENTES

1 2 3 4

Comp. Flujo

(lb/h)

x

% peso

Flujo

(lb/h)

x

% peso

Flujo

(lb/h)

x

% peso

Flujo

(lb/h)

x

% peso

Sólidos 0.1 0.20

Agua 0.98 0.63 0.95

NaOH 0.02 0.11

NaAlO2 1000 0.16

10

-4(componentes)



-2(relación de recuperación)

Φ=0

RELACIÓN DE RECUPERACIÓN

j=solidos insolubles

k=aguas madres


1000+


Solidos: 0.10 (1000)=0.2

NaOH: 0.11 (1000) +0.2

NaAlO2: 0.16 (1000)=

H2O: 0.63 (1000)+0.98

RELACIONES ADICIONALES

11

RESULTADOS

CORRIENTES

1 2 3 4

Comp. Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso

Sólidos 0 ------- 100 0.10 100 0.20 ------- --------

NaOH 150 0.02 110 0.11 12.8 0.0256 247.2 0.0309

NaAlO2 0 ------- 160 0.16 7.6 0.0152 152 0.0190

H2O 7350 0.98 630 0.63 380 0.76 7600 0.95

7500 1 1000 1 500 1 8000 1

PR I.4 Balance de materia en un proceso de extracción con solvente

A menudo puede recuperarse un soluto de una solución mediante el uso de una segundo

solvente que sea inmiscible en la solución, pero que disuelva al soluto. A este tipo de

proceso de separación se le llama extracción por solvente. En el sistema que se presenta en

la figura se muestra como se separa benceno de una corriente de refinería que contiene 70%

(en masa) de benceno en una mezcla de hidrocarburos parafínicos y de naftaleno, mediante

SO2 líquido. Cuando se utilizan 3Lb de SO2 por 1 Lb de alimentación al proceso, se obtiene

una corriente residual, o refinado que contiene 1/6 (fracción masa) de SO2 y el resto

benceno. La corriente de extracto contiene todos los componentes que no son benceno, algo

de SO2 y aproximadamente ¼Lb de benceno por 1Lb de hidrocarburos diferentes de

benceno. Bajo estas condiciones determine los grados de libertad y calcule el porcentaje de

recuperación del benceno (Libras de benceno en el refinado por cada libra de benceno en la

alimentación).

SOLUCIÓN:

DATOS INICIALES:

EXTR

1 2

34

CORRIENTES

1

corriente de refinería

2

solvente

3

Extracto

4

refinado

Comp. Flujo

(lb)

x

% peso

Flujo

(lb)

x

% peso

Flujo

(lb)

x

% peso

Flujo

(lb)

x

% peso

Benceno 0.7 5/6

No benceno

(NB) 0.3

SO2 1 1/6

1000

12



-3(componentes)



-2(relación adicional)

Φ=1

13

RELACIONES DE FLUJOS PARCIALES

BASE DE CÁLCULO: 1000 Lb/h de la corriente de refinería


1000+


BENCENO: 1000 =

NB: 1000 =

SO2: =

BENCENO: 1000(0.7)=

NB: 1000(0.3) =

SO2: =

RESULTADOS

CORRIENTE

1 2 3 4

Comp. Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso

No Benceno 300 0.3 ------- ------- 299 0.09 ------- --------

Benceno 700 0.7 ------- ------- 75 0.023 625 5/6

SO2 0 ------- 3000 1 2860 0.88 125 1/6

1000 1 3000 1 3250 1 750 1

14

PR I.5 Balance de materia en proceso de destilación con reflujo

Una columna de destilación se usa para separar una mezcla de tres componentes que

consiste de 7% de acetona, 61.9 % de ácido acético y 31.1% de anhídrido acético. Se diseña

una columna para que produzca una corriente de fondos que no contenga acetona y un

destilado que contenga 10% de acetona y 88% de ácido acético. Si se opera la columna de

manera que se regresa como reflujo 60% del vapor desprendido por la parte superior.

Calcule todos los flujos suponiendo que todas las composiciones son % en mol y que se

van a producir 700 mol/h de destilado.

SOLUCIÓN:

DATOS INICIALES:

Componentes:

Ac: acetona

AcAc: ácido acético

ANAc: anhídrido acético

COLUMNA

N5

N1

DIVISOR

N4

N2

N3

CORRIENTES

1 2 3 4 5

Comp. Flujo

(mol/h)

z

%

peso

Flujo

(mol/h)

y

%

peso

Flujo

(mol/h)

y

%

peso

Flujo

(mol/h)

y

%

peso

Flujo

(mol/h)

x

%

peso

Acetona 0.07 0.10

AcAc 0.619 0.88

ANAc 1000 0.311 0.02

Mezcla 700

15

Análisis de grados de libertad

columna divisor proceso

Variables independientes totales 11 9 14

Balances de materia -3 -3 -6

Flujos especificados 0 -1 -1

Composiciones especificadas -2 -2 -4

Relaciones adicionales -1 -1 -1

Restricciones del divisor 0 -2 -2 Φ = 5 0 0

Sistema: todo el proceso



Ac: =

AcAc: =

AN Ac: =

Ac: =0.10(700)

AcAc: = ( )

AN Ac: = ( )

16

BALANCE DE MATERIA TOTAL DEL DIVISOR

RESULTADOS

CORRIENTE 1 2 3 4 5

COMPOSICIÓN Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso Lb/h Fr.peso

Ac 70 0.07 175 0.10 70 0.10 105 0.10 ----- -----

AcAc 619 0.619 1540 0.88 616 0.88 924 0.88 3 0.01

ANAc 311 0.311 35 0.02 14 0.02 21 0.02 297 0.99

1000 1 1750 1 700 1 1050 1 300 1

17


PP I.1 Balance de materia en un proceso de separación con recirculación

Una suspensión que contiene 10% de sólidos se está filtrando continuamente según el

diagrama mostrado. Haga un análisis de grados de libertad de cada uno de os equipos y de

todo el proceso, además determine el flujo y las composiciones de todas las corrientes.

INFORMACIÓN DISPONIBLE

FLUJO 1 FLUJO 2 FLUJO 3 FLUJO 6

PP I.2 Balance de materia en un proceso de mezclado

Una compañía encargada de la producción de alimentos, prepara cereales para una empresa

“K” a partir de dos semillas diferentes que contienen trigo, la semilla A (contiene 5% de

trigo) y la semilla B (35%de trigo). El cereal no debe pasar el 16% en trigo para que sea

apto para consumo, si se requieren producir 90 kg/h de cereal. Haga el balance de materia

para determinar la relación

(

) en la alimentación.

DATOS:

FILTRO

F3

DIVISOR

F4 F6

DIVISOR1

F1F2

F5

CORRIENTES

A B

Componente Flujo

(Kg/h)

x

% peso

Flujo

(Kg/h)

X

% peso

SEMILLA A 0.05 0.16

SEMILLA B 0.35 90

18

PP I.3 Balance de materia en un proceso de separación

De una corriente de etanol contaminado con benceno se requiere recuperar el 57% del

etanol. El flujo de alimentación es de 1700 kg/h de etanol contaminado cuya composición

de benceno es 8%.

Determine la relación (kg de benceno)/(kg de etanol)) en la corriente en la segunda

corriente de salida.

PP I.4 Balance de materia en un proceso de extracción

El diagrama de flujo muestra un proceso de extracción, en el cual un soluto (A) se

transfiere desde un solvente (S) a otro (T) donde resulta más soluble.

a) Haga el análisis de grados de libertad (AGL)

b) Calcule los flujos másicos de W, Q y R

c) Calcule la diferencia entre la cantidad de A en la alimentación y la cantidad de A en la

corriente Q y demuestre que equivale a la cantidad de A que sale en la corriente R

DATOS INICIALES:

EXTRACTO

W

Q

R

E

CORRIENTES

E W Q R

Comp. Flujo

(g/min)

x

% peso

Flujo

(g/min)

x

% peso

Flujo

(g/min)

x

% peso

Flujo

(g/min)

x

% peso

A/g 400 0.1 0.02 0.2

S/g 0.9 0.98

T/g 0.8

19

PP I.5 Balance de materia en un proceso de destilación

Una corriente de 1000 mol/h, disponible con la siguiente composición (todos los

porcentajes en mol) 20% Propano (C3), 30% Isobutano (i-C4), 20% Isopentano (i-C5) y

30% Pentano normal (C5), se va a separar por destilación en 2 fracciones. Se desea que el

destilado contenga todo el propano que entra a la unidad, así como 60% del isopentano; su

composición de isobutano deberá ser del 50%.

La corriente de residuo deberá contener todo el pentano normal que se alimenta a la unidad.

Haga el análisis de grados de libertad y calcule la composición del destilado y del residuo.

PP I.6 Balance de materia en un proceso de evaporación

Se emplea un evaporador de triple efecto para producir agua potable 3.5% en peso de sal, la

sal se puede considerar como NaCl, se alimentan en el primer efecto 30000 Lb/h de agua, la

composición de la solución que abandona el tercer efecto se mide con un medidor de

conductividad eléctrica, el cual da una lectura en fracción molar de NaCl de la solución de

0.01593 se elimina por ebullición aproximadamente la misma cantidad de agua en cada uno

de los efectos.

a) Calcule la velocidad de eliminación por ebullición en cada efecto

b) Calcule el porcentaje en peso de NaCl de la solución que abandona el segundo efecto

PP I.7 Balance de materia en un proceso de destilación con reflujo

Debe diseñarse una columna a fin de separar una mezcla que contiene 50% de hexano y

50% de pentano (composición en peso), la corriente superior de producto debe contener

95% de pentano, mientras que los fondos deben contener 96% de hexano, la corriente que

abandona el domo de la columna se pasa a través de un condensador, una porción de la

corriente condensada se retorna a la columna como reflujo eliminándose el resto como

producto, la relación de producto es:

a) Calcule los kg de destilado y de fondos producidos por kg alimentado

b) Calcule la relación de kg alimentados al condensador por kg alimentado a la torre

c) Calcule el flujo másico de cada corriente si el flujo de la alimentación es 100 kg/h

20

PP I.8 Balance de materia en un proceso de separación con recirculación

El agua de desecho de una planta de acabado de metales contiene una corriente con 5.15%

por peso de cromo (Cr). La corriente de desecho se alimenta a una unidad de tratamiento

que elimina el 95% de Cr en la alimentación y lo recircula a la planta. La corriente líquida

residual que sale de la unidad de tratamiento se envía a una laguna de desechos. La unidad

de tratamiento tiene una capacidad máxima de 4500 kg/h. Si el agua de desecho sale de la

planta de acabado a mayor velocidad que la capacidad de la unidad de tratamiento, el

exceso se deriva de la unidad, se mezcla con el líquido residual que sale de la unidad, y la

corriente combinada pasa a la laguna de desechos. El agua de desecho sale de la planta de

acabados a una velocidad de 6000 kg/h.

Calcule la velocidad de flujo hacia la laguna, y la fracción de Cr en este líquido.

PP I.9 Balance de materia en un proceso de destilación

Se tiene una columna de destilación usada para separar una mezcla de pentano, iso-pentano

y propano cuya composición es 20%, 45%, 35% respectivamente. Dicha columna tiene de

fondos una corriente que no contiene pentano y un destilado que contiene 15% de pentano

y 75% de iso-pentano. Si se opera la columna con un recirculado de manera que regresa un

50% del vapor desprendido en la parte superior. Calcular todos los flujos sabiendo que las

composiciones son e masa y que la producción del destilado es de 1000 kg/h.

PP I.10 Balance de materia en un proceso de absorción

Se emplea una columna de absorción a fin de reducir el contenido de dióxido de azufre,

SO2, en una corriente gaseosa. El gas a limpiar entra por el fondo de la columna a 45°C y 1

atm de presión, con un caudal de 10,000 kgmol/h y composición expresada como

porcentaje en volumen 8.60% en CO2, 0.060% en SO2 y el resto de Nitrógeno. El líquido

absorbente está formado por una suspensión acuosa de carbonato de calcio con 22g de

CaCO3 en 1000g de H2O cuya densidad es ρ=1.014g/mL que se introduce por la parte

superior de la columna. Determine el caudal de suspensión de carbonato de calcio necesario

para que la concentración de SO2 en el gas de salida (gas limpio) sea inferior a 0.0025%

sabiendo que la capacidad de arrastre de esta suspensión es de 0.58g de SO2 por litro de la

misma.

21

Unidad de Competencia II

Balances de materia y energía en

operaciones unitarias



22


PR II.1 Balance de materia en un proceso del sistema aire - agua

Determine la temperatura de rocío o de saturación, la humedad relativa y el % de humedad.

De un sistema aire – agua, donde la presión parcial del vapor de agua en la masa de aire

húmedo a 30°C y 360mmHg es de 14mmHg.

SOLUCIÓN:

Constantes para la ecuación de Antoine

LogP (mmHg)= A -

( )

H2O A B C

60°C<T<150°C 7.96681 1668.21 228

0°C<T<60°C 8.10765 1750.286 235

Log (14)=8.10756 -

T =16.42°C

Log (mmHg) = 8.1076 -

( )

Y=

%

( )

% [

( )

( )

]*100=42.94%

% %

23

PR II.2 Balance de materia en un proceso del sistema aire - agua

Se tiene aire a una temperatura de bulbo seco (TG) 100°F y a una temperatura de bulbo

húmedo (TW) de 85°F y 1atm de presión. Determine:

(a) La humedad molar

(b) El % de humedad

(c) La temperatura de rocío

SOLUCIÓN:

Uso de la carta psicrométrica

a) Con TW = 80°F subimos verticalmente hasta la curva de 100% de humedad,

bajamos por la línea adiabática hasta interceptar con TG = 100°F y leemos en el eje

vertical derecho la humedad absoluta [0.023 Lb agua/Lb aire seco (AS)].

Posteriormente con la ayudad del peso molecular del Agua y del AS, convertimos a

Humedad molar.

Y=0.023

(

)

b) Con TG = 100°F subimos verticalmente hasta la curva de 100% de humedad y

leemos en el eje vertical derecho la humedad a saturación [0.045 Lb agua/Lb AS].

Ahora por definición solo dividimos la humedad absoluta de 0.023 Lb agua/Lb AS

entre la humedad absoluta a saturación.

(

)

c) Del punto de intercepción de la adiabata de TW = 80°F con la TG = 100°F nos

dirigimos horizontalmente hasta cortar la curva de saturación de 100% de humedad

y leemos hacia abajo la temperatura de rocío.

24

PR II.3 Balance de materia y energía en un proceso de humidificación

Un recinto de 1000 m3

que contiene aire a 25°C con una humedad absoluta de 0.009 kg

agua/kg aire, se humidifica adicionándole vapor de agua saturado a 1 atm, que entra por la

corriente 1, en cantidad tal que la humedad final obtenida después de la adición de vapor de

agua es 0.020 kg agua/kg aire. Suponiendo que se homogeniza perfectamente la mezcla sin

haber condensación de vapor de agua sobre las paredes y sin pérdida de calor al exterior.

Calcule:

La cantidad de vapor de agua adicionado

Temperatura final del sistema

Datos iniciales del recinto: Antes de agregar vapor Después de agregar vapor

T= 25 °C T=?

Y= 0.009 kg agua/kg aire seco Y=0.020 kg agua/kg aire seco

SOLUCIÓN:

Equipo: HUMIDIFICADOR

Operación unitaria: HUMIDIFICACIÓN

Consideraciones:

Trabajamos en estado estacionario

Se utilizaran las unidades del sistema internacional para los flujos másicos (kg/h)

Las fracciones utilizadas son en fracciones peso dependiendo el caso

1.- Primero necesitamos la cantidad de agua dentro del sistema antes de adicionarle el

vapor:

( ( ))( )

Para obtener la masa de vapor agregada se usa la siguiente ecuación:

RECINTO

2

1

25

( ) ( )( )

2.- Para calcular la temperatura final, primero calculamos la entalpía en las condiciones

iniciales, la entalpía de vapor saturado se obtiene de la carta psicrométrica a 25°C y 0.009

gh agua/kg a.s. de humedad absoluta (Tabla A.7, Treybal).

ENTALPÍA= 638 kcal/kg

De acuerdo a la siguiente expresión para calcular la entalpía:

( ( )) ( )

Utilizando la siguiente ecuación:

( ) ( )

Ahora tenemos por definición de entalpía:

( ( )) ( )

RESULTADOS:

Vapor agregado: 12.86 kg

Temperatura final : 26.3 °C

26

PRP II.4 Balance de materia en un proceso de secado

Un secador admite 350 kg de madera mojada (20.1% en peso) y reduce el contenido de

H2O a un 8.6% en peso. Determine los kg de agua eliminados por kilogramo de madera

que ingresa en el proceso. Desprecie la humedad del aire seco de entrada.

Datos iniciales:

MH= 350 kg/h

Xw=0.201

Xs=0.799

MS=?

Xw=0.086

Xs=0.914

SOLUCIÓN:

Equipo: SECADOR

Operación unitaria: SECADO

Consideraciones:


Se utilizaran las unidades del sistema internacional para los datos proporcionados.

Las fracciones utilizadas son en fracciones peso dependiendo el caso

Balance de materia total:

Balance de materia parcial:

Madera:

Agua:

Aire seco:

27

Porcentaje de remoción:

Por el balance de material seco:

( ) (

) ( )

( )( )

El agua que entra es:

( ) (

)

El agua que se evapora en el aire es:

( ) (

)

La relación de remoción de agua por kilogramo de alimentación es de:

28

PR II.5 Balance de materia en un proceso de absorción

Una corriente de vapores procedente de un proceso de tratamiento de hidrocarburos

contiene 1.15% mol de H2S. El sulfuro de hidrógeno es un gas muy contaminante e

irritante. Para cumplir con las normas ambientales, es necesario retirar al menos 99% de

dicho compuesto utilizando una torre de absorción, El líquido absorbente es capaz de retirar

0.1 mol de H2S por cada litro de líquido utilizado. El flujo de gases rico en contaminantes

es de 295 mol/h. Determine la cantidad de líquido absorbente necesaria para retirar la

cantidad requerida de H2S en los vapores tratados.

SOLUCIÓN:

Equipo: TORRE DE ABSORCIÓN

Operación unitaria: SEPARACIÓN (ABSORCIÓN)

Consideraciones:


Se utilizaran las unidades del sistema internacional para los datos proporcionados

Las fracciones utilizadas son en fracciones mol dependiendo el caso

Tomando una hora como base de cálculo

Balance de Masa Parcial:

(

)

( )

El líquido absorbente es capaz de retirar 0.1 moles de H2S por cada litro utilizado de

líquido:

TORRE

N1

N2 N3

N4

29

La corriente de líquido absorbente a la salida está compuesta de la misma cantidad de

líquido absorbente más la porción de H2S transferida.

Y la concentración de H2S es:

( )

PR II.6 Balance de materia en un proceso de cristalización

Determine la cantidad (kg) de NaCl que se cristaliza cuando 1000 kg de una solución

acuosa saturada de cloruro de sodio en agua a 90°C se enfría hasta 10°C.

Datos de solubilidad del NaCl en 100 g de H2O en función de la temperatura en °C

T(°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

gNaCl/100gAgua 35.7 35.8 36.0 36.3 36.6 37.0 37.3 37.8 38.4 39.0 39.8

(

) ( ) (

)

CRIST

1

3

2

30

PR II.7 Balance de materia en un proceso de cristalización

Una solución al 42% en peso de sulfato de zinc a 80°C se enfría hasta 15°C. Determine el

porcentaje de recuperación de sulfato de zinc

a) Hidratado

b) Libre de agua

Solubilidad del ZnSO4 (g/100 g de H2O) en función de la temperatura en °C

T(°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ZnSO4:7 H2O 41.9 47.0 54.4

ZnSO4:6 H2O 70.1 76.8

ZnSO4:1 H2O 86.6 83.7 80.8

( ) ( )

a) % de recuperación:

ZnSO4 = 161.37g/mol

ZnSO4:7 H2O =287.37 g/mol

b) % de recuperación: (

)

CRIST

1

3

2

31

PR II.8 Balance de materia en un proceso de extracción sólido - líquido

Una tonelada de un material que contiene 30% CuSO4, 5% H2O y 65% de inertes se

someten a extracción con 2250 kg de H2O en una sola etapa de extracción.

Experimentalmente se encuentra que los lodos retienen 0.75 kg de disolución/ kg de inertes.

Determine:

a) Composición en el refinado.

b) Kg de CuSO4 extraído.

c) % de CuSO4 extraído.

Se trata de un proceso de Extracción Sólido – Líquido (ESL) donde:

Alimentación 1000 kg/h y Disolvente 2250 kg/h de disolvente.

Relación másica en la línea de flujo inferior:

Fracciones masa de las corrientes

Componente Alimentación (A) Disolvente (D) Extracto (E) Refinado (R)

CuSO4 0.30 0 ? ?

H2O 0.05 1 ? ?

Inertes (i) 0.65 0 ? ?

Diagrama ternario de ESL

32

Balances de masa en el mezclador

Total …………….. (1) Parcial de CuSO4

( )( )

( )…..(2)

Resolviendo la Ec.2 obtenemos:

Del diagrama se leen las siguientes composiciones:

Refinado Mezcla Extracto

Balances de masa en el sedimentador

Total Parcial de

CuSO4

( )( ) ( ) ( )

Resolviendo simultáneamente las ecuaciones del balance de masa en el sedimentador

obtenemos que:

E = 2126.73 Kg/h R =1123.27 Kg/h

Balances de masa por componente

CuSO4 H2O Inertes

Del balance de masa de los Inertes obtenemos

( )( )

a) Composición en el Refinado CuSO4 H2O Inertes

33

b) Sulfato de cobre extraído

( )( )

c) %Recuperación

(

) [

( )( )

( )( )]

34

PR II.9 Balance de materia en un proceso de extracción líquido – líquido

Para extraer el ácido acético contenido en una corriente de benceno se trata ésta con H2O.

La corriente de benceno- ácido acético contiene 20% de ácido acético y un flujo de 1000

kg/h. Esta corriente se tratará con 500 kg/h de H2O ¿Qué cantidad del extracto y refinado se

obtiene y que porcentaje quedará en el refinado?

Datos de Equilibrio para el sistema Ácido Acético-Agua-Benceno

Fase orgánica Fase acuosa

Ac. Acético Benceno H2O Ac. Acético Benceno H2O

0.15 99.85 0.001 4.56 0.04 95.4

1.4 98.56 0.04 17.7 0.2 82.1

3.27 96.62 0.11 29 0.4 70.6

13.3 86.40 0.4 56.9 3.3 39.8

19.9 79.40 0.7 63.9 6.5 29.6

31 67.10 1.9 65.8 18.1 16.1

SOLUCIÓN:


Total 111 MDA M1000500 …………………(1)

Parcial de Ác. Acético 1MxAx a

M

a

A ( )( ) ( )……..(2)

Resolviendo las ecuaciones 1 y 2 obtenemos 1333.0a

Mx

Del diagrama se lee las siguientes composiciones de Acido Acético

Refinado Mezcla Extracto

Balances de masa en el extractor

Total 111 MRE 150011 RE ……………………………………..(3)

Parcial de

Ac. Acético 111 MxRxEx a

M

a

R

a

E ( ) ( ) ( )( )……..(4)

Resolviendo simultáneamente 3 y 4 obtenemos:

E1=616.14 kg/h R1=883.86 kg/h

35

Diagrama ternario del Sistema Ácido Acético – Agua – Benceno

36

PR II.10 Balance de materia en un proceso de extracción líquido – líquido

En un sistema de extracción de múltiples etapas en contra corriente se tratan 1000 kg/h de

una harina de pescado que contiene el 40% en peso de aceite, mediante 600 kg/h de

benceno que contiene el 5% de aceite. La extracción ha de efectuarse hasta que la

concentración de aceite referida a un sólido inerte sea del 6%. La disolución retenida por el

sólido inerte es función de su concentración y se ajusta a los datos mostrados en las dos

primeras columnas de la siguiente tabla. Calcule el número de etapas teóricas para esta

operación.

Datos para graficar el diagrama de extracción:

Conc.

disolución

A

kg sol.

retenida/kg de

inerte

B

C=A*B

D=B-C

Masa total

E=1+C+D

0.0 0.500 0.0000 0.5000 1.500 0.000 0.333 0.667 0.1 0.505 0.0505 0.4545 1.505 0.034 0.302 0.664 0.2 0.515 0.1030 0.4120 1.515 0.068 0.272 0.660 0.3 0.530 0.1590 0.3710 1.530 0.104 0.242 0.654 0.4 0.550 0.2200 0.3300 1.550 0.142 0.213 0.645 0.5 0.571 0.2855 0.2855 1.571 0.182 0.182 0.637 0.6 0.595 0.3570 0.2380 1.595 0.224 0.149 0.627 0.7 0.620 0.4340 0.1860 1.620 0.268 0.115 0.617

Procedimiento:

Hacer los cálculos para completar la información de la tabla anterior

El trazado del diagrama puede llevarse a cabo utilizando Scientific Work Place de la

siguiente manera:

Graficar

Trazar la línea del disolvente con 5% de aceite hasta un refinado de 6%, punto de refinado

37

Trazar la línea de alimentación que tiene 40% en peso de aceite (como el disolvente está

contaminado con 5% de aceite esta vez no chocará exactamente con el vértice de los

inertes)


Total 111 MDA M6001000 ……………………………...(1)

Parcial de Aceite 1MxDxAx a

M

a

D

a

A ( )( ) ( ) ( )……..(2)

Ubicar este punto en la línea de alimentación con respecto al eje x

38

Trazar una recta que pase por el punto de refinado y el punto de mezcla hasta la línea de

flujo superior en el punto de extracto.

Trazar una recta del punto de extracto a la intersección de la línea de alimentación con el

eje x

Prolongar la línea del disolvente

39

Y la línea del extracto a la alimentación hasta cortar la línea del disolvente para encontrar el

polo:

Trazar una recta del vértice de los inertes hacía el punto de extracto 1

La siguiente línea se traza del polo hacía la intersección de la alimentación con la recta

anterior

40

Del diagrama se puede leer: =0.26;

;

Balances de masa en el extractor

Total 111 MER 11 ER 1600 ……………(1)

BM de Aceite 11111 MxExRx a

M

a

e

a

R ……..(2)

Trazar una recta del vértice de los inertes hacia el extracto 2:

Trazar una recta del polo hacía el punto donde la línea anterior corta a la línea de flujo

variable

Trazar una recta del vértice de los inertes hacia el extracto 3

Resultado

Se requieren tres etapas para llevarse a cabo este proceso

41


PP II.1 Balance de materia en un proceso de saturación

Para separar la acetona contenida en el residuo sólido de un proceso de extracción, se hace

pasar una corriente de aire sobre el material húmedo, sometiendo después la mezcla

aire-vapor de acetona a una compresión de 3 atm y enfriándola hasta 5°C. Una parte de la

acetona se separa por condensación, en cantidad de 100kg/h; el aire residual previamente

descomprimido y recalentado, entra de nuevo al secador y se recircula continuamente. Las

condiciones del aire a la entrada y a la salida del sistema son:

Entrada: 760mmHg y 70°C

Salida: 755mmHg a 40°C y saturación relativa del 80%

Calcule el caudal de aire de circulación (m3/h) medido a las condiciones de entrada.

PP II.2 Balance de materia y energía en un proceso de humidificación

Se desea enfriar y humidificar 8m3/min de aire a 50°C y 20% de humedad, para llevarlo

hasta una humedad de 90% mediante un proceso de humidificación y enfriamiento

adiabático, suponga que el compartimiento es ideal y la presión de 1atm.

Dibuje el diagrama y determine la temperatura del agua dentro de la cámara, la temperatura

del aire a la salida y su humedad.

PP II.3 Balance de materia en un proceso de enfriamiento

Una torre de corriente inducida instalada recientemente, está garantizada por el fabricante

para enfriar 1262 m3/s de agua a 46°C hasta 25.6 °C, cuando el aire con el que se cuenta

tenga una temperatura de TG= 24°C y Tw= 15.6°C. Considere que el aire saliente está a

37.6 °C y básicamente saturado y que hay una pérdida por evaporación del 3%. Determine

los flujos másicos del sistema.

PP II.4 Balance de materia en un proceso de absorción

Una mezcla de gases procedente de un proceso de tratamiento de hidrocarburos contiene

1.5% mol de ácido fluorhídrico (HF). El HF es un gas muy contaminante e irritante. Para

cumplir con las normas ambientales, es necesario retirar al menos 99% de dicho compuesto

utilizando una torre de absorción. El líquido absorbente es capaz de retirar 0.125 mol de HF

por cada litro de líquido utilizado. El flujo de gases rico en contaminantes es de 300 mol/h.

Determinar la cantidad de líquido absorbente necesaria para retirar el HF en los gases

tratados.

42

PP II.5 Balance de materia y energía en un proceso de secado

Se seca un sólido húmedo en un secador rotatorio continuo, el cual opera a presión

atmosférica. El sólido entra a 70°F con un contenido de humedad del 40% en peso y debe

de salir con un contenido de humedad menor al 15%. Se alimenta aire caliente al secador a

un ritmo de 15 Lb de A.S./Lb de sólido húmedo. El contenido de humedad del aire a la

entrada puede despreciarse, mientras que la entalpía específica de esta corriente se estima

en 40 BTU/Lb A.S. Las temperatura del aire en la salida son: TG= 100°F y TW=80°F

a) Calcule la humedad absoluta y la entalpía de la corriente de aire en la salida, así

como la masa de agua en el aire a la salida por libra de sólido alimentado

b) Calcule el contenido de humedad del sólido que sale y determine si se han cumplido

las especificaciones de diseño, referidas a un contenido de humedad inferior al 15%

en solido seco.

PP II.6 Balance de materia en un proceso de secado

Un secador admite un material húmedo con 20% de agua reduciéndola hasta un 8.6% en

peso. Dibuje el esquema del proceso, coloque los datos en el diagrama, escoja una base de

cálculo, determine si es posible tener una solución única y calcule el porcentaje de

remoción de agua.

PP II.7 Balance de materia en un proceso de cristalización

Se alimentan a un proceso de cristalización 100 kg/h de una solución acuosa saturada de

Acetato de Bario (AB) a 100°C (La solubilidad del AB anhidro a 100°C es 75gAB en 100 g

de agua caliente). En el primer cristalizador el cual opera a 25°C se pierde por evaporación

20% del agua alimentada. Después de la decantación, las aguas madres de la primera etapa

se alimentan a un segundo cristalizador, el cual trabaja a 15°C. Si en esta segunda etapa el

agua evaporada es despreciable, determine:

a) kg de AB hidratado en cada etapa

b) % de AB libre de agua recuperado

DATOS Cantidad (g) de sustancia anhidra que es soluble en 100g de agua a la temperatura indicada

Fase sólida 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C

Ba(C2H3O2)2∙3H2O 59 63 71

Ba(C2H3O2)2∙1H2O 75 79 77 74

43

PP II.8 Balance de materia en un proceso de extracción sólido – líquido

2.5 ton de semillas de soya se tratan con disolvente puro para extraer el aceite de soya el

cual está contenido en un 45% en peso en las semillas. En la corriente del refinado se tiene

una relación masa de dos kg de inertes/kg de disolución.

a) Calcule el flujo másico en kg de disolvente puro que debe utilizarse para que el aceite en

el refinado solo este en un 5% de fracción masa

b) Determine los kg de aceite obtenidos en el extracto

c) % de Aceite recuperado

Diagrama del proceso

TANQUE

MEZCLADOR

TANQUE

SEDIMENTADOR

A

D E

R M


De un material que contienen 35% de Aceite y 65% de inertes, se ha de separar el aceite

por extracción utilizando un disolvente puro en un sistema de extracción de tres etapas a

corriente directa, al sistema entran 750 kg/h de material, en cada etapa se suministran 300

kg/h de disolvente. Calcule el porcentaje de aceite recuperado si la cantidad de disolvente

que acompaña a los inertes del refinado es 0.35 kg de Disolvente/kg de Inerte.


La pimienta seca contiene 10% en peso de aceite esencial, el cual se extrae por medio de un

proceso que se conoce como hidro-extracción. El proceso se lleva a cabo a contracorriente

para incrementar su eficiencia y se espera que en el último refinado la composición del

aceite no sea superior al 1% en peso. Si se emplea una relación másica

Disolvente/Alimentación de 3 y el agua retenida por el sólido es independiente de la

concentración de la disolución alcanzando un valor de 1 kg de agua/kg de inertes.

Determine:

a) El número de etapas teóricas

b) La composición de la disolución que se obtiene como extracto en cada etapa


Se tienen 4000 kg de un material que contiene 25% de carbonato de sodio, 25% de material

insoluble y 50% de agua. Se desea extraer el carbonato de sodio de este material para lo

cual se usarán 3500kg de agua por etapa. El proceso se lleva a cabo en tres extractores

conectados en serie y operando en corriente directa. Los lodos retienen 3kg de solución por

cada kg de insolubles. Determine:

a) La composición del extracto y del refinado de cada etapa.

b) La cantidad de extracto y de refinado en cada etapa.

c) El porcentaje de recuperación del carbonato de sodio.


Una harina de pescado contiene aceite que ha de extraerse con disolvente operando en

múltiples etapas en corriente directa. Experimentalmente se ha encontrado que la disolución

retenida por el sólido inerte es función de la composición de la disolución, de acuerdo con

los datos en la siguiente tabla.

Concentración de la disolución kg sol. retenida/ kg de inerte

0.0 0.500

0.1 0.505

0.2 0.515

0.3 0.530

0.4 0.550

0.5 0.571

0.6 0.595

0.7 0.620

Al sistema de extracción, que consta de tres etapas, entran 1000 kg/h de alimentación que

contiene el 40% en peso de aceite, y la cantidad de disolvente en cada etapa es de 600 kg/h.

Calcule:

a) La composición global del extracto.

b) La composición del refinado procedente de la última etapa.

c) El porcentaje de aceite recuperado.

PP II.13 Balance de materia en un proceso de extracción líquido – líquido

Se emplean 800 kg/h de éter iso-propílico puro para extraer el ácido acético de una solución

acuosa de 500 kg/h que contiene 30% en peso de ácido acético, en un proceso a

contracorriente de etapas múltiples. La concentración de salida deseada para el ácido

acético en la fase acuosa es de 4%. Determine el número de etapas teóricas para realizar el

proceso.

Datos de equilibrio para el sistema ácido acético-agua-éter isopropílico

Capa de agua (% en peso) Capa de éter isopropílico (% en peso)

Ácido

acético

Agua Éter

Isopropílico

Ácido

acético

Agua Éter

Isopropílico

0 98.8 1.2 0 0.6 99.4

0.69 98.1 1.2 0.18 0.5 99.3

1.41 97.1 1.5 0.37 0.7 98.9

2.89 95.5 1.6 0.79 0.8 98.4

6.42 91.7 1.9 1.93 1.0 97.1

13.30 84.4 2.3 4.82 1.9 93.3

25.5 71.1 3.4 11.4 3.9 84.7

36.7 58.9 4.4 21.6 6.9 71.5

44.3 45.1 10.6 31.1 10.8 58.1

46.4 37.1 16.5 36.2 15.1 48.7

PP II.14 Balance de materia en un proceso de extracción líquido – líquido

2000 kg/h de una solución acuosa de Ácido Butírico de composición 30% en peso de ácido

se va a tratar con 130 kg de 1-Hexanol en un proceso de extracción a contracorriente con el

fin de obtener un refinado de concentración 1% en peso de acido.

Determine el número de etapas teóricas necesarias para llevar a cabo este proceso.

Datos de Equilibrio para el sistema Ácido Butírico-Agua-1-Hexanol

Fase del extracto (%peso) Fase del refinado (%peso)

Acido Butírico Agua 1-Hexanol Acido Butírico Agua 1-Hexanol

9.0 8.0 83.0 0.9 98.5 0.6

16.2 8.2 75.6 1.7 97.7 0.6

23.0 9.0 68.0 2.0 96.8 1.2

39.0 11.4 49.6 5.1 94.25 0.65

46.4 13.2 40.4 6.5 92.85 0.65

54.1 16.9 29 8.3 91.0 0.7

39.6 58.1 2.3 39.6 58.1 2.3

Unidad de Competencia III

Balances de materia y energía en procesos

unitarios




PR III.1 Balance de materia y energía en un proceso con reacción química

La producción de ácido acético a partir de acetaldehído se lleva a cabo según la siguiente

reacción:

( )

( ) ( )

Parte del acetaldehído de la alimentación puede también reaccionar con el oxígeno de

acuerdo con la siguiente reacción

( )

( ) ( ) ( )

El reactor de una planta de producción de ácido acético se alimenta con una mezcla a 25°C

formada por 100 mol/h de acetaldehído y 90 moles de oxígeno. En el reactor se produce la

conversión completa del oxígeno. La corriente formada por los productos de reacción sale

del reactor a 150°C, siendo 80 mol/h el flujo molar de ácido acético de esta corriente.

Calcule:

a) Los flujos molares de cada componente en la corriente de salida del reactor

b) El calor de reacción (kJ/mol) a 25°C y 1 atm para ambas reacciones

c) El flujo de calor transferido en el reactor si las reacciones tienen lugar a 1 atm

Nota: Considerar Cps constantes S Cp(J/mol°C) ΔfH

0 (kJ/mol)

( ) 61.36 -166.47

( ) 29.80 0.00

( ) 76.10 -435.13

( ) 39.75 -393.77

( ) 34.15 -242.00

SOLUCIÓN:

a)

Se realiza el B de M para cada componente:

∑

Para ( )

( )

( )

Para ( )

( )

Como en el reactor se produce la conversión completa del oxígeno

Sustituyendo y despejando obtenemos

Para el ( )

( )

Sustituyendo y

( )

( )

( )

Sustituyendo

( )

( )

( )

Sustituyendo

( )

b) BALANCE DE ENERGÍA

De la ecuación

( ) ∑

( )

Se obtienen los valores de los coeficientes estequiométricos (σ) para cada una de las

reacciones

Como se muestra en la siguiente tabla:

s σ rxn1 σ rxn2 ∆Hf (kJ/mol)

C2H4O -1 -1 -166.47

O2 -0.5 -2.5 0

C2H4O2 1 0 -435.13

CO2 0 2 -393.77

H2O 0 2 -242

( )

Y para la segunda reacción

( )

c)

Consideramos

( ) ( ) Y la ecuación:

( )

( ) ∑ ∫

Se reduce a

( )

( )

Obteniendo

( )

Y para la segunda reacción

( )

c) Usando la ecuación:

∑

( )

∑

[

∑ ( (

) ( ))

∑ ( (

) ( ))

]

Y considerando

( ) ( ) ( )

El término

∑ ( (

) ( ))

Y la ecuación se reduce a

∑

( )

∑

[

∑ ∫

]

( ) (

) ∫

s Cp(J/mol°C) ∫

(kJ/mol)

∫

( ) 61.36 7.67 0 0

( ) 29.80 3.725 0 0

( ) 76.10 9.5125 80 761

( ) 39.75 4.9688 40 198.75

( ) 34.15 4.2687 40 170.74

Finalmente substituyendo vapores se obtiene:

( )( ) ( )( )


El óxido nítrico se obtiene por oxidación parcial del amoniaco con aire según la reacción

siguiente:

4NH3 (g) + 5 O2 (g) 4 NO (g) +6 H2O (g)

En un reactor que trabaja a presión atmosférica se alimentan NH3 (g), a 25°C, y aire

precalentado a 750°C, alcanzándose una conversión del 90% para el amoniaco. La

composición molar de los gases efluentes en base seca es:

NH3 (0.855%); O2 (11.279%); NO (7.962%); N2 (79.874%)

Si la temperatura de los gases efluentes del reactor no puede exceder los 920°C.

Calcule:

a) El flujo molar del gas efluente por cada 100 kmoles de NH3 alimentados

b) El flujo molar de H2O que acompañan a 100 kmoles de gas efluente seco.

c) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire teórico necesario

para la oxidación completa del amoniaco.

d) El flujo de calor transferido en el reactor por cada 100 kmoles de NH3

alimentados.

s Cp (J/mol °C) Intervalo de T

NH3 39.71 25-920

AIRE 31.4 25-920

NO 32.05 25-920

H2O 33.1 25-920

CORRIENTES

COMPONENTES 1 2 3 4

NH3 (kmol) A 0.885

O2 (kmol) X 11.279

N2 (kmol) Y 79.874

NO (kmol) 7.962

H2O (kmol) Z

REACTOR

1 3

2

4

Base de cálculo = 100 kmoles de corriente en la salida (en base seca)

Balance N: A + 2Y = 0.885 + 7.962 + 2*(79.874) = 168.595

Balance H: 3A = 2Z + 3*(0.885) = 2Z + 2.665

Balance O: 2X = Z + 2*(11.279) + 7.962 = Z + 30.52

Agua: X/Y = 21/79

Resolviendo simultáneamente el sistema de ecuaciones se obtiene:

X = 21.232

Y = 79.874

Z = 11.943

A = 8.847

a) Flujo molar del gas efluente por cada 100 kmoles de NH3 alimentados

= (100 + 11.943) (100/8.847) = 1265.32 kmoles

b) Flujo molar de H2O que acompañan a 100 kmoles de gas efluente seco = 11.943

c) El porcentaje de aire alimentado en exceso respecto del aire teórico necesario para la

oxidación completa del amoniaco

kmoles O2 teóricos necesarios = 8.847 (5/4) = 11.058

EXCESO = (21.232 – 11.058)/ (11.058)*100 = 92%

d) Tomando ahora como base de cálculo 100 kmoles de A. Las corrientes se calculan

multiplicando por el factor (100/8.847).

REACTOR

1 3

2

4

CORRIENTES

COMPONENTES 1 2 3 4

NH3 (kmol) 100 10

O2 (kmol) 239.99 X 126.532

N2 (kmol) 902.837 Y 902.83

NO (kmol) 89.83

H2O (kmol) 134.98

Balance de energía:

Q= ΣΔHProductos – ΣΔHreacción =

{(10) (39.71)1 + (126.532) (31.40)2 + (902.8) (31.40)3 + (89.989) (32.05)4 + (33.10)

(134.98)5} (920 - 25) - {(1142.82) (31.40)6} (750 - 25)} + {(90) (-216420/4) (4.18) =

1 = NH3, 2 = O2, 3 = N2, 4 = NO, 5 = H2O, 6 = Aire

Q = -1.054×107 kJ = -2.521×10

6 kcal


En un proceso continuo en estado estacionario se produce ácido nítrico según la reacción:

NO + ¾ O2 + ½ H2O HNO3

Se logra una conversión del 90% del NO alimentado al reactor. La mezcla gaseosa que se

introduce al reactor a 125°C, proviene de la oxidación catalítica de NH3 en un convertidor

con aire adicional, teniendo la siguiente composición molar: 7.68% de O2, 7.52% de NO,

14.05% de H2O y 70.75% de N2. Por otra, se introduce el vapor de agua necesaria para la

reacción, también a 125°C.

La mezcla de reacción se lleva a un separador del que se obtienen dos corrientes: una

gaseosa que puede considerarse libre de agua y una líquida con un 65% en peso de HNO3,

esta última a razón de 55000 kg/día.

El reactor está dotado de un sistema de refrigeración, que es capaz de eliminar del reactor

475000 kcal/h. Determine:

a) La composición molar y los caudales másicos (kg/h) de todas las corrientes del sistema.

b) La temperatura de salida de los gases que abandonan el reactor.

Componente

Gaseoso

Cp molar medio

(kcal/mol °C)

Entalpia de formación a 25°C

(kcal/mol)

H2O 8.22 -68317

O2 8.27 0

NO 8.05 21600

N2 6.5 0

HNO3 32.44 -41350

Diagrama

CORRIENTES

COMPONENTES A X S T P

HNO3 (kmol)

O2 (kmol) 7.68

N2 (kmol) 70.75

NO (kmol) 7.52

H2O (kmol) 14.05 X

REACTOR

A S

X

SEPARAT

P

T

SOLUCIÓN:

Tomando como base de cálculo 100 kmoles/h de A

CORRIENTE “S”:

HNO3: (7.52)(0.9) = 6.768 kmoles

O2 : (7.68 - (3/4) 6.768) = 2.604 kmoles

NO : (7.52)(0.1) = 0.752 kmoles

N2 : 70.75 kmoles

H2O : (14.05 + x ) - (1/2)(6.768) = ?

CORRIENTE “T”:

O2 : 2.604 kmoles

NO : 0.752 kmoles

N2 : 70.75 kmoles

TOTAL : 74.106 kmoles

CORRIENTE “P”:

HNO3: 6.768 kmoles <> (6.768)(63) = 426.38 kg

H2O : (426.38)(0.35/0.65) = 229.59 kg <> (229.59)/(18) = 12.75 kmoles

Balance de agua :

(14.05 + x ) - (1/2)(6.768) = 12.75 kmoles; luego x = 2.084 kmol H2O/100 kmol A

RESULTADOS:

CORRIENTES


HNO3 (kmol) 6.768 6.768

O2 (kmol) 7.68 2.604 2.604

N2 (kmol) 70.75 70.75 70.75

NO (kmol) 7.52 0.752 0.752

H2O (kmol) 14.05 2.084 12.75 12.75

Producción de P = (229.59 + 426.38) = 655.97 kg

Para una producción de 55000 kg/día, es decir 2291.66 kg/h, hay que recalcular las

corrientes teniendo en cuenta el factor:

(2291.6/655.97) = 3.493

Corriente kmol/h kg/h

A 349.35 9449.47

X 7.279 131.03

S 327.03 9580.50

T 258.85 7289.50

P 68.18 2291.00

b) CORRIENTES


HNO3 (kmol) 6.768 6.768

(426.38 kg)

O2 (kmol) 7.68 2.604 2.604

N2 (kmol) 70.75 70.75 70.75

NO (kmol) 7.52 0.752 0.752

H2O (kmol) 14.05 2.084 12.75 12.75

(229 kg)

Balance de Energía:

HProductos - HReactivos + Hreacción = Q

Hproductos = (3.493) (6.768)(32.445) + (0.752)(8.05) + (2.604)(8.27) + (70.75)(6.5) +

(12.75)(8.22) (T- 25) = 2835.8 T - 70895

Hreactivos = (3.493) (7.68)(8.27) + (7.52)(8.05) + (14.05)(8.22) + (70.75)(6.5) +

(2.084)(8.22) (125 - 25) = 250289.55 Kcal/h

Hreacción25°C

= (3.493)(6.768)(-41350)-(21600-( 68317/2)) = - 680649 kcal/h

2835.8 T - 70895 – 250289.55 - 680649 = -475000

T = 185.78 °C


1500 kg/h de un combustible que contiene un 88% de C y un 12% en peso de H se queman

en un horno dando un gas de chimenea que contiene CO2, O2, N2 y H2O, con la siguiente

composición molar en base seca:

CO2: 13.1%, O2: 3.7 %, N2: 83.2%

El aire y el combustible entran al horno a 25°C y el horno pierde por las paredes 4.5×106

kcal/h.

Calcule:

a) El flujo molar del gas de chimenea.

b) El flujo molar de agua de combustión en el gas de chimenea por cada 100 kmoles

de gas de chimenea seco.

c) El exceso de aire empleado

d) La temperatura de salida de los gases de chimenea.

DATOS:

Calores específicos de los gases (kcal/kmol °C):

CO2 = 10.2, O2 = 7.3, N2 = 7.9, H2O(g) = 8.3

Variación entálpica de la reacción a 25°C: C + O2 => CO2 AH0=-94502 kcal/kmol

Entalpía de formación de H2O(1) a 25°C : -68320 kcal/kmol

Calor latente de vaporización del H2O a 25°C: 10600 kcal/kmol

CORRIENTES

COMPONENTES 1 2 3 4

C (%) 88

H2 (%) 12

N2 (%) 83.2

O2 (%) 3.7

CO2 (%) 13.1

H2O (%)

REACTOR

1 3

2

4

SOLUCIÓN:

Balance de materia

Base de cálculo: 100 kg de combustible

ENTRADA conversión de porcentaje en masa a porcentaje mol dividiendo entre peso

molecular:

C = (88)/(12) = 7.33 kmol

H2 = (12/2) = 6 kmol

GAS DE CHIMENEA:

De las relaciones estequiométricas:

CO2 = 7.33 kmol

H2O = 6 kmol

Balance de carbono (kmoles) : 7.33 = Y (0.131) => Y = 55.95 kmoles

Balance de nitrógeno (kmoles) : X (0.79) = Y (0.832) => X = 58.93 kmoles aire

O2 = (0.21)(58.93) = 12.38 kmoles

N2 = (0.79)(58.93) = 46.55 kmoles

Por lo tanto, la composición del gas de chimenea es:

Compuesto Base húmeda Base seca

CO2 (kmol) 7.33 7.33

O2 (kmol) 2.07 2.07

N2 (kmol) 46.55 46.55

H2O (kmol) 6.0 --

Total (kmol) 61.95 55.95

RESULTADOS DEL B DE M

CORRIENTES

COMPONENTES 1 2 3 4

C (kmol) 7.33

H2 (kmol) 6

N2 (kmol) 45.66 45.66

O2 (kmol) 12.38 2.07

CO2 (kmol) 7.33

H2O (kmol) 6

a) (61.95)(1500/100) = 929.25 kmol/h gas de chimenea.

b) (6)(100/55.95) = 10.72 kmol H2O/100 kmol gas chimenea seco.

c) O2 teórico = 7.33 + (6/2) = 10.33 kmoles < > (10.33)(100/21)=49.21 kmol aire

% exceso = (58.93 - 49.21)/(49.21) x 100 = 19.75 %

Para los incisos d y e se realiza el balance de energía para obtener la temperatura de salida

Balance de energía: HProductos - HReactivos + Hreacción = Q

Hproductos = (7.33)(10.2) + (2.07)(7.3) + (46.55)(7.0) + (6.0)(8.3) (T- 25) +

[(10600)(6)] = 465.53 (T - 25) + 63600 kcal /100 kg fueloil

Hreactivos = 0

Hreacción25°C

= (7.33)(-94502) + (6)(-68320) = - 1102620 kcal/100 kg fueloil

Q = (-4.5 106)(100)/(1500) = - 3 10

5 kcal/100 kg fueloil

465.53 T - 11638.3 + 63600 - 1102620 = - 3.0 105

T = 1612.5°C


Para fabricar formaldehido se hace reaccionar una mezcla de metano y aire en lecho

catalítico, en el que tiene lugar la reacción:

CH4 + O2 HCOH + H2O

Al reactor se alimenta aire fresco y metano a 117°C y presión atmosférica.

Para mejorar el rendimiento se introduce 100% de exceso de aire respecto al

estequiométrico. A pesar de ello, solo se transforma en formaldehido el 13% de metano

alimentado, quemándose 0.5% del mismo a dióxido de carbono y agua. Los gases calientes

abandonan el reactor a 192°C. Para eliminar el calor desprendido en la reacción se hace

circular agua a 27°C por una camisa exterior, de la que sale a 41°C.

En un ensayo de 4 horas se obtuvieron en los productos de reacción 13.3 Kg de agua.

Calcular el caudal de agua de refrigeración necesario.

Componente

Gaseoso

Cp molar medio

(kJ/mol K)

Entalpia de formación a 25°C

(kJ/mol)

Metano 129.6 -75.03

Formaldehido 129.6 -40.00

Agua 34.6 -241.60

Dióxido de carbono 43.2 -393.10

Oxígeno 32.2 --

Nitrógeno 29.1 --

( )

( )

Base de cálculo = 100 kmoles/h CH4

Aire alimentado:

O2 estequiométrico = 100 kmoles

O2 alimentado = (100)(2) = 200 kmoles

N2 alimentado = (200)(0.79/0.21) = 752.4 kmoles

Total aire = 952.38 kmoles

REACTOR1

5

AGUA

H2O

2

Gases de salida:

N2: 752.4 kmoles--------------------------------------------------------------------------------71.49%

CH4: 100 – (0.13)(100) – (0.005)(100) = 86.5 kmoles ------------------------------------ 8.22%

HCOH: (0.13)(100) = 13 kmoles ------------------------------------------------------------- 1.23%

CO2: (0.005)(100) = 0.5 kmoles -------------------------------------------------------------- 0.05%

O2: (200 – 13 – (2)(0.5)) = 186 kmoles----------------------------------------------------- 17.67%

H2O: 13 + (0.5)(2) = 14 kmoles ---------------------------------------------------------------1.34%

TOTAL: 1052.4 kmoles -------------------------------------------------------------------------100%

GASES DE ENTRADA GASES DE SALIDA

CH4 (kmol) 100 85.6

N2 (kmol) 752.38 752.38

O2 (kmol) 200 186

CO2 (kmol) 0.5

H2O (kmol) 14

HCOH (kmol) 13

Como realmente se producen 13.3 Kg H2O/4h, el caudal de agua será:

13.3/18/4 = 0.1847 kmol/h

Se recalculan todas las corrientes utilizando el factor (0.1847/14) = 0.01319

La solución será:

Metano alimentado = 1.319 kmoles

Aire alimentado:

O2 alimentado = 2.638 kmoles

N2 alimentado = 9.927 kmoles

Gases de salida:

N2: 9.927 kmoles; CH4: 1.141 kmoles; HCOH: 0.1715 kmoles

CO2: 0.00659 kmoles; O2: 2.454 kmoles; H2O: 0.1847 kmoles

GASES DE ENTRADA

177°C

GASES DE SALIDA

192°C

CH4 (kmol) 1.319 1.141

N2 (kmol) 9.927 9.927

O2 (kmol) 2.638 2.454

CO2 (kmol) 0.0065

H2O (kmol) 0.1847

HCOH (kmol) 0.1715

El balance entálpico queda: ΣΔHproductos – ΣΔHreactivos + ΣΔHreacción = Q

ΣΔHproductos = [(129.6)(1.141) + (129.6)(0.1715) + (34.6)(0.1847) + (43.2)(0.00659) +

(32.2)(2.454) + (29.10)(9.927)] (-192-25) = 90959 KJ/h

ΣΔHreactivos = [(1.319)(129.6) + (2.368)(32.2) + (9.927)(29.1)] (177-25) = 81482 KJ/h

ΣΔHreacción 25°C

= [(0.1715)(-40000-241600 - ( -75030))] + [(0.00659)(393100 – (2)(241600)

– (-75030))] = -40706 KJ/h

Q = 90959.8 – 81482- 40706 = - 31228.5 KJ/h = m (4.18)(27 - 41)

m= 533.64 kg/h


PP III.1 Balance de materia en un proceso con reacción química

Se quema 1 kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determine la

composición de los humos en % base seca.

La reacción de combustión es:

PP III.2 Balance de materia y energía en un proceso con reacción química

A un horno se alimenta un gas de coquería con la siguiente composición molar: H2= 56%;

CH4=28%; CO=10%; CO2=5%; N2=1%. Se quema con un 50% en exceso de aire. El gas se

introduce a 50ºC y el aire a 125ºC.

a) Escriba y ajuste las reacciones de combustión

b) Calcule la composición de la corriente de salida del horno.

c) Calcule la máxima temperatura (temperatura adiabática) a que pueden salir los

gases de combustión suponiendo que esta se completa.

Compuesto gaseoso ΔHf a 25°C, [kcal/mol] Cp promedio, [cal/mol K]

CH4 -17.9 21.2

CO -26.4 7.5

CO2 -94.1 12.9

O2 0 8.35

N2 0 8.05

H2 0 7.6

H2O -57.8 8.1

HORNO2

1

3


Butano a 25ºC se quema con aire a 25ºC. Suponiendo que la combustión es completa y

tiene lugar adiabáticamente, determine la temperatura que alcanzan los gases de

combustión (temperatura teórica de llama) en los siguientes casos:

a) El aire se encuentra seco y se introduce en la proporción estequiométrica

b) El aire se encuentra seco y se introduce en un 75% de exceso

c) El aire lleva humedad (0.03225 mol agua/mol aire) y se introduce en un 75 %

en exceso.

Datos:

2 C4H10 + 13 O2 10H2O + 8 CO2 ; HR25ºC

= - 635348 kcal/kmol

Los calores molares de los gases de combustión están en función de la temperatura (K):

Cp = a + bT (kcal/kmol) GAS a b × 10

2

CO2 6.339 1.014

H2O 7.136 0.264

O2 6.117 0.3167

N2 6.457 0.1389

PP III. 4 Balance de materia y energía en un proceso con reacción química

En un horno se queman totalmente con aire seco 1500 kg/h de un fuel-oil con una relación

másica C/H2 = 7.33, obteniéndose un gas de chimenea. El aire y el fuel-oil entran al horno a

25ºC y en éste se producen unas pérdidas de 4.5 106 kcal/h.

Calcule:

a) El caudal molar y la composición del gas de chimenea si se introduce aire seco en

proporción estequiométrica.

b) Si se introduce aire húmedo (2 kg de vapor de agua por cada 100 kg de aire seco) y en

un exceso del 20% sobre el estequiométrico, calcular el nuevo caudal y la composición del

gas de chimenea.

c) La temperatura de salida del gas de chimenea para el caso del inciso b.

DATOS:

Entalpías de combustión a 25ºC:

C + O2 CO2 Hº = -94502 cal/mol de C

H2 + ½ O2 H2O(v) Hº = -57800 cal/mol de H2

Calor latente de vaporización del agua a 25ºC: 10517 cal/mol Compuesto Cp promedio, [cal/mol C] Compuesto

CO2 10.2 CO2

H2O 8.3 H2O

O2 7.3 O2

N2 7.0 N2


Se alimentan en la corriente 1 cien moles por hora de propano para formar propileno en un

reactor catalítico:

Debe diseñarse el proceso para obtener una conversión global del propano de 95%. Los

productos de reacción se separan en dos corrientes. La primera sale como producto y

contiene H2, C3H6 y 0.55% del propano que abandona el reactor, la segunda no contiene H2

y se recircula al reactor.

Calcule la composición del producto, la relación de moles recirculadas sobre moles de

alimentación fresca y la conversión en un solo paso de acuerdo al siguiente diagrama.


Se produce óxido nítrico a partir de amoniaco en fase gaseosa a 1 atm de presión mediante

la siguiente reacción:

( )

El amoniaco se oxida con aire y los productos salen a 1440 , al reactor se alimentan 200

moles/min de amoniaco a una temperatura de 50 , en tanto el aire entra a 400 a un flujo

de alimentación de 1800 mol/min. Determinar la cantidad de calor (BTU/min) que debe

suministrar o eliminar al reactor

[ ]

Especie (

)

Cps=a+bT+cT2+dT

3 (kJ/mol°C)

a x 103 b x 10

5 c x 10

8 d x 10

12

O2 0 29.1 1.158 -0.608 1.311

N2 0 29 0.2199 0.5723 -2.871

NO 90 29.5 0.8188 -0.293 0.3652

H2O(g) -241.8 33.46 0.688 0.7604 -3.593

NH3(g) -46.19 35.15 2.954 0.4421 -6.686

REACTOR

SEPARMIXER

M

1

3

5

4

2


Se alimentan a 400°C 5 moles de hidrógeno por cada mol de dióxido de carbono a un

reactor adiabático alcanzándose 95% de conversión de CO2. Las reacciones que se llevan a

cabo son:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

Determine la composición de la corriente de descarga si la temperatura en la salida es de

450°C.


El óxido de etileno utilizado en la producción de glicol se fabrica mediante la oxidación

parcial de etileno con un exceso de aire sobre un catalizador de plata. La reacción principal

es:

2C2H4 + O2 2C2H4O ( r1)

Desafortunadamente, algo de etileno sufre oxidación completa hasta CO2 y Agua mediante

la siguiente reacción:

C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O ( r2)

Suponga un flujo de entrada de 100 mol/h con 20% en composición de etileno; y con una

conversión de etileno del 30%, se obtiene un rendimiento del 85% de C2H4O a partir de ese

reactivo. Calcule la composición de la corriente de descarga.


La reacción de deshidrogenación

se lleva a cabo con una temperatura de alimentación de 350°C. La alimentación contiene

90% en mol de etanol y el resto de acetaldehído. Para evitar que la temperatura disminuya

demasiado rápido, lo cual provocaría que la reacción se apagara a un bajo valor de

conversión, se alimenta calor al reactor. Se observa que cuando el flujo de calor es de 6000

kJ/h para cada 100 moles/h de alimentación gaseosa. La temperatura de salida es de 250°C.

Calcule la conversión que se logra en el reactor.


En un horno se efectúa la descomposición térmica del Ácido Acético para producir keteno

mediante la siguiente reacción (1):

CH3COOH(g) CH2O(g) + H2O(g) ……………..(1)

La reacción (2)

CH3COOH(g) CH4(g) + CO2(g) ……………..(2)

ocurre también de manera apreciable. Se desea efectuar la descomposición a 800 ºC con

una conversión de Ácido Acético del 90% y un rendimiento fraccional de keteno de 0.1,

Calcule el flujo de calor que se suministra al horno para una alimentación de 100 mol/h de

Ácido Acético. La alimentación se efectúa a 300 ºC.

Use los siguientes datos:

“s” ΔHºf (25ºC)

(kJ/mol)

Cp = A + BT + CT2

( J/molK)

CH3COOH(g) -434.84 6.90 + 2.57 x 10-1

T -1.92x10-4

T2

CH2O(g) -61.0864 4.11 + 2.97 x 10-2

T - 1.79x10-5

T2

H2O(g) -241.8352 34.05 – 9.65 x 10-3

T + 3.30x10-5

T2

CH4(g) -74.852 38.39 – 7.37 x 10-2

T + 2.91x10-4

T2

CO2(g) -393.505 19.02 + 7.96 x 10-2

T - 7.37x10-5

T2

Bibliografía

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química. 7ª. Edición. Ma Graw – Hill. México. 2007.

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