Balance materia

TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL

TEMA 4. INTRODUCCITEMA 4. INTRODUCCIÓÓN A LOS BALANCES DE MATERIAN A LOS BALANCES DE MATERIA

1. Introducci1. Introduccióónn

2. Ecuaci2. Ecuacióón general de conservacin general de conservacióón de materian de materia

3. M3. Méétodo general para la resolucitodo general para la resolucióón de problemas de balances de materian de problemas de balances de materia

4. Ejercicios de balances de materia en procesos simples 4. Ejercicios de balances de materia en procesos simples 4.1. Balance de materia en una operaci4.1. Balance de materia en una operacióón sin reaccin sin reaccióón qun quíímicamica4.2. Balance de materia en una operaci4.2. Balance de materia en una operacióón con reaccin con reaccióón qun quíímicamica4.3. Balance de materia en un proceso con derivaci4.3. Balance de materia en un proceso con derivacióónn4.4. Balance de materia en un proceso con recirculaci4.4. Balance de materia en un proceso con recirculacióón y purgan y purga4.5. Balance de materia en r4.5. Balance de materia en réégimen no estacionariogimen no estacionario

BibliografBibliografííaaINTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICAG. Calleja, F. García, A. de Lucas, D. Prats y J.M. RodríguezEd. Síntesis, Madrid, 1999.Tema 6

CURSO DE INGENIERÍA QUÍMICAJ. Costa López y otros.Editorial Reverté, S.A, 1991Tema 3


SISTEMAENTRA

SALE

TRANSFORMACIÓN

Macrobalances

•

Elemento finito del proceso químico

•

Genera una ecuación algebráica

[E] -

[S] ±

[T] = [A]

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

±⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

extensivapropiedaddeNACUMULACIÓ

develocidad

extensivapropiedaddeCIÓNTRANSFORMA

develocidad

extensivapropiedaddeSALIDA

develocidad

extensivapropiedaddeENTRADA

develocidad

Proceso continuo y estado estacionario

1. INTRODUCCI1. INTRODUCCIÓÓNN


2. ECUACI2. ECUACIÓÓN GENERAL DE CONSERVACIN GENERAL DE CONSERVACIÓÓN DE MATERIAN DE MATERIA

Balances macroscópico de materia

Balance global

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡±

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

tiempodeunidadlaenDESAPARECEoGENERA

sequemateriadecantidad

tiempodeunidadlaenSALEque

materiadecantidad

tiempodeunidadlaenENTRAquemateriadecantidad

tiempodeunidadlaenACUMULADA

materiadecantidad

Balance parcial del componente i

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡±⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

tiempodeunidadlaenDESAPARECEoGENERA

sequeicomponentedecantidad

tiempodeunidadlaenSALEque

icomponentedecantidad

tiempodeunidadlaenENTRAque


tiempodeunidadlaenACUMULADA


un componente una molécula

un ión un átomo

componente i

Todos los balances parciales ∴

Balance global y n-1 balances parciales


Los balances se pueden aplicar sobre:

-

Planta química (1) -

Proceso de planta química (2)

- Operación unitaria (3) -

Parte de la operación unitaria

-

Tramo de conducción (4)

SISTEMA

BASE DE CÁLCULO

complejidad en la resolución del problema

experiencia en la resolución de balances de materia

Complejidad de un problema de balance de materia: -

la naturaleza del mismo

-

la elección de los balances a resolver -

el recinto elegido para su aplicación

- la base de cálculo -

las unidades (!Ojo! reacciones químicas)


3. M3. MÉÉTODO GENERAL PARA LA RESOLUCITODO GENERAL PARA LA RESOLUCIÓÓN DE N DE PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIAPROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA


4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACI4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACIÓÓN SIN N SIN REACCIREACCIÓÓN QUN QUÍÍMICAMICA

Ejercicio 1: En una operación de ósmosis inversa que funciona en continuo y en régimen estacionario, se desea desalinizar una corriente de agua de mar. Para ello se tratan 4000 kg/h de una disolución salina con un concentración de sal del 4% en peso. La salida está

formada por una corriente de 1200 kg/h de agua

desalinizada con 0,3 % de sales y otra corriente de salmuera que

constituye el rechazo. Calcular:

a)

Caudal de salmuera de rechazo.

b)

Composición de la salmuera de rechazo.

SOLUCIÓN:

a) 2800 kg/h salmuera de rechazo

b) 5,58 % de sal


Ejercicio 2: En el tratamiento primario de un agua residual ésta se hace pasar por un sedimentador

para eliminar los sólidos en suspensión. El proceso trabaja

en continuo y en régimen estacionario. A partir de los datos del diagrama de flujo determinar las velocidades másicas de los flujos de salida.

SOLUCIÓN:

4402,5 kg/h de agua clarificada

597,5 k/h de lodo

SEDIMENTADOR5000 kg/h de agua 1 % sólidos

kg/h de agua 0,05 % sólidos

kg/h de agua 8 % sólidos

AB

C


Ejercicio 3: La sal contenida en un petróleo crudo debe eliminarse antes de ser utilizado en una refinería. Para ello se introduce en un mezclador el crudo junto con una corriente de agua en proporción másica 4:1 (crudo/agua) y posteriormente se trasvasan a un separador de fases. El crudo alimentado contiene un 5 % en sal y el agua salada retirada del separador un 15 % (porcentajes másicos). Hallar:

a) Concentración de sal en el crudo lavado.

b) Eficacia del proceso respecto a la sal eliminada del crudo.

SOLUCIÓN:

a) 0,617 % sal en crudo de lavado

b) 88,2 %


Ejercicio 4: La separación de benceno, tolueno y xileno se lleva a cabo en dos columnas de destilación en serie. La primera columna se alimenta con 100 kmol/h de una corriente con composición molar 40 % de benceno. De ésta se obtienen 40 kmol/h de un destilado de composición molar 95 % benceno, 4,55 tolueno y 0,45 xileno. El producto de fondo de la primera columna se alimenta a la segunda donde se produce un destilado compuesto por 86,4 % tolueno, 8,6 % xileno y 5% benceno. El producto de fondo de la segunda columna es xileno puro. Hallar:

a) Flujos molares de las corrientes de fondo (C y E) y destilado de la segunda columna (D).

b) Composición molar de las corrientes de alimentación (A) y fondo de la primera columna (C).

SOLUCIÓN:

a) C = 60 kmol/h D = 40 kmol/h E = 20 kmol/h

b)

En A: Xtolueno

= 36,38 % Xxileno

= 23,62 %

c) En C: Xbenceno

= 3,33 % Xtolueno

= 57,6 % Xxileno

= 39,07 %


Ejercicio 5: Una corriente de aire contaminada con acetona debe ser tratada antes de su emisión a la atmósfera. Para ello diseña un proceso donde, además

de conseguir el objetivo medioambiental, se recupera la acetona.

El proceso trabaja en continuo y en estado estacionario. Teniendo en cuanta

el proceso

adjunto y los datos en él presentado, terminar de completar el diagrama de flujo con los caudales másicos y composiciones de cada una de las corriente.

Datos: Pesos moleculares (kg/mol): agua=18; aire= 29; acetona=58.AB

SORBE

DO

R

5200 kg/h de aire + acetona 98,4 % (molar) aire

1,6 % (molar) acetona

Destilado

99 % (peso) acetona

1 % (peso) agua

Residuo de fondo 5 % (peso) acetona

95 % (peso) agua

F

D

R

COLU

MN

A D

ERE

CTIF

ICAC

IÓN

1200 kg/h de agua Gas limpio

L G

A


SOLUCIÓN:

ABSO

RBE

DO

R

102 kg/h

1262 kg/h

F

D

R

COLU

MN

A D

ERE

CTIF

ICAC

IÓN

5036 kg/h

L G

A

1364 kg/h

12,05 % (peso) acetona

87,95 % (peso) agua


Ejercicio 6: A una columna de destilación se alimentan 2000 kg/h de una mezcla binaria benceno/tolueno con una composición másica de 45 % de benceno. En las condiciones de operación:

* El destilado (D) tiene una composición másica del 95 % de benceno y 5 % de tolueno.

* La corriente de cola (C) contiene un 8% del benceno que entra a la columna.

* La corriente (D) es 2/3 partes de la corriente de vapor (V)

Calcular:

a) Flujos másicos de D y C.

b) Composición másica de C

c) Relación de reflujo L/D

95 % benceno

5 % tolueno

D

CCO

LUM

NA

DE

DES

TILA

CIÓ

N

2000 kg/h 45 % benceno

55 % tolueno

V

L

FSOLUCIÓN:

a)

C = 1128,4 kg/h D = 871,6 kg/h

b)

Xbenceno

= 6,4 % Xtolueno

= 93,6 %

c)

L/D = 0,5


Ejercicio 7: Una mezcla de gases procedentes de la síntesis de Haber-Bosch se introduce en un absorbedor con H2

O en contracorriente para recuperar el NH3

en forma de disolución acuosa al 30 % en peso. Teniendo en cuenta el siguiente diagrama

de flujo y los correspondientes datos de partida, calcular:

a) Flujos másicos de las corrientes F, G y P.

b) Rendimiento de la columna de absorción

1000 kg/h

Disolución

COLU

MN

A D

EAB

SORC

IÓN

60% (vol) NH3

H2

/N2

= 3/1 (vol)

Gases

GA H2

O

Gases de síntesis

F

SOLUCIÓN:

a)

F = 5734 kg/h G = 144,8 kg/h P = 1428,6 kg/h

b)

Rendimiento = 99,66 % 30% (peso) NH3

70% (peso) H2

OP

0,5% (vol) NH3

H2

/N2

= 3/1 (vol)

Datos: Pesos moleculares (kg/mol): amoniaco=17; N2

= 28; H2

=2.


Ejercicio 8a: 5oo kg/h de un mineral de cobre de composición 12% CuSO4

, 3% H2

O y 85% inerte, se somete a extracción con 3000 kg/h de H2

O, en contacto simple, al objeto de extraer el CuSO4

. El extracto está

formado por CuSO4

y H2

O. El refinado o mineral de desecho contienen todo el inerte introducido con el mineral tratado, más la disolución formada por CuSO4

y H2

O en proporción 0,8 kg

disolución/kg

inerte. Hallar:

a) Flujos másicos de extracto E y refinado R.

b) Composiciones másicas de extracto y refinado.

c) Rendimiento de extracción del CuSO4

.

SOLUCIÓN:

a)

E = 2735 kg/h R = 765 kg/h

b)

En E: XCuSO4

= 1,95 % XH2O

= 98,05 %

En R: XCuSO4

= 0,87 % XH2O

= 43,6 % Xinerte

= 55,55 %

c) Rendimiento = 88,9 %


Ejercicio 8b: Al objeto de mejorar el rendimiento de extracción del CuSO4

contenido en el mineral, se modifica el proceso anterior con la incorporación de un segundo extractor. Considerar idéntica proporción disolución/inerte en ambos refinados. Hallar:

a) Flujos másicos de las corrientes no conocidas.

b) Composiciones másicas de R1

y E1

.

c) Rendimiento de extracción del CuSO4

.

SOLUCIÓN:

a)

R1

= 765 kg/h E1

= 3000 kg/h E2

= 2735 kg/h

b) En E1: XCuSO4

= 2,17 % XH2O

= 97,83 %

En R1

: XCuSO4

= 0,098 % XH2O

= 44,35 % Xinerte

= 55,55 %

EXTRACTOR 2

12 % CuSO4

3 % H2

O

85% inerte 3000 kg/h agua

0,8 kg

disolución/kg

inerte

F A

R1

EXTRACTOR 1500 kg/h de mineral

E2

E1

R2

Disolución CuSO4

y H2

O

Disolución CuSO4

y H2

O

0,8 kg

disolución/kg

inerte

c) Rendimiento = 98,91 %


4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACI4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACIÓÓN CON N CON REACCIREACCIÓÓN QUN QUÍÍMICAMICA

Procesos continuos y discontinuos en estado estacionario ⇒

[E] -

[S] ±

[T] = 0

ESTEQUIOMETRÍA Teoría de las proporciones en las que se combinan las

especies químicas

ECUACIÓN ESTEQUIOMÉTRICA Enunciado del número relativo de moléculas o moles de reactivos y

productos que participan de forma balanceada en la reacción

COCIENTE ESTEQUIOMÉTRICO DE DOS ESPECIES QUÍMICAS Cociente entre sus coeficientes

estequiométricos en la ecuación de la reacción balanceada

SO2

+ O2

→

SO3

2SO2

+ O2

→

2SO3

En proporción estequiométrica


TIPO DE BALANCE

SIN REACCIÓN

CON REACCIÓN

Global -

Másico

E = S

E = S

- Molar

E = S

E = S E ≠

S

De componentes - Másico

E = S

E ≠

S

-

Molar

(mol-gr/mol-kg)

E = S

E ≠

S

De especies atómicas -

Másico

E = S

E = S

-

átomo-gr/átomo-kg

E = S

E =

S

Posibilidades de balance con reacción química


¿Puede un reactivo desaparecer antes que otro?

REACCIONES SIMPLES

Reactivo limitante →

el que está

en menor proporción respecto a la estequiometría.

Reactivo en exceso →

reactivos no limitantes

100tanlimcoslim% x

teireactivoalrespectonecesariosmolestriestequiomémolesentadosamolesexcesode −

=

REACTOR SEPARADORreactivos Productos y

reactivosProductos

Recirculación de reactivos

Conversión < 100%

100tanlim

tanlim xteireactivodeinicialcantidadproductoapasaqueteireactivodecantidadconversión =


Reactivos pueden combinarse de diversas formas

Reactivos pueden reaccionar con productos

REACCIONES MÚLTIPLES

100

tanlim

dimRe x

ntecompletameareaccionarteireactivoelsiyadyacentesreaccioneshubierannosiformaríansequemoles

deseadoproductodeformadosmolesienton =

deseadosnoproductosdeformadosmolesdeseadoproductodeformadosmolesadSelectivid =

↓

producto deseado

Pérdidas económicas

↑rendimiento

y ↑

selectividad100

100

1 R

RS

−=

[0-100]

>1

Para conversión = 100% y proporciones estequiométricas 1) ⇒


Clasificación de las reacciones múltiples atendiendo a la estequiometría de la reacción

En serie: A + B →

D ∴

D + C →

E

En paralelo: A + B →

D

A + C →

E

Consecutivas: A + B →

D

D + B →

E


Ejercicio 9: Una vía de producción de acetonitrilo consiste en hacer reaccionar etileno con amoniaco y oxígeno, según la reacción C2

H4

+ NH3

+ O2 →

CH3

CN + 2H2

O. La corriente de alimentación al reactor tiene una composición molar de 10% C2

H4

, 12% NH3

y 78% aire. En las condiciones de operación, la conversión del reactivo limitante es del 30%. Hallar, el flujo y composición molar de los gases de combustión, así

como el % exceso de los productos reactivos

SOLUCIÓN:

100 kmol/h

XC2H4

= 7,0% XO2

=13,38% XN2

= 61,62% XNH3

= 9% XH2O

= 6% XCH3CN

= 3%

(% exceso)C2H4

= 20% (% exceso)O2

=63.38%


Ejercicio 10: Un reactor se alimenta con una corriente de composición molar 85% etano y 15% de gases inertes, para producir etileno según la reacción

C2

H6

→

C2

H4

+ H2 (1) Además de la reacción principal, tiene lugar una reacción secundaria donde parte del etano se combina con el hidrógeno formado en la primera reacción, según

C2

H6

+ H2

→

2CH4

(2) La conversión total del etano es del 50,1% y el rendimiento respecto al producto deseado (etileno) del 47,1 %. Calcular:

a) Composición molar de la corriente de salida del reactor. b) Selectividad del etileno respecto al producto no deseado (metano).

SOLUCIÓN:

a) XC2H6

=30,3% XC2H4 = 28,6%

XH2

= 26,7% XCH4

= 3,7% Xinertes

= 10,7%

b) 7,75 kmol/h C2

H4 / kmol/h CH4


REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Materia orgánica + O2

⇒

CO, CO2

, H2

O, SO2

, NOx

+ calor (combustible)

78,03 % N2

20,03 % O2

0,94 % Ar

0,03 % CO2

0,01 % H2

, He, Ne, Kr, Xe

AIRE79 % N2

21 % O2

PM = 29 g/mol

Aire en excesoO2

reactivo en exceso

N2

aparece como inerte

-

Se aumenta la conversión del combustible -

Combustión completa (C →

CO2

) -

Disminuir la eficiencia energética del proceso


Oxígeno teórico →

moles de O2

necesarios para conseguir la combustión completa del combustible (C →

CO2

y H →

H2

O)

Aire teórico →

cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico

Aire teórico (moles) = O2

teórico ·

100/21

moles de aire alimentado –

moles de aire teórico

moles de aire teóricox 100% de aire en exceso →

Composición sobre una base húmeda →

fracciones molares de un gas que contiene agua

Composición sobre una base seca →

fracciones molares de un gas sin agua

Velocidad de flujo Análisis de Orsat


Ejemplo para pasar de base húmeda a base seca: Un gas de emisión contiene 60% de N2

, 15 % de CO2

y 10% de O2

y el resto agua. Calcular la composición molar del gas sobre una base seca.

Ejemplo para pasar de base seca a base húmeda: Mediante un análisis Orsat

al gas de emisión se obtuvo la siguiente composición:

65% de N2

, 14 % de CO2

, 11 % CO y 10% de O2

. Las mediciones de humedad muestran que la fracción molar de agua en el gas de emisión es de 0,07. Calcular la composición molar del gas sobre una base húmeda.

70,6 % N2

17,6 % CO2

11,8 % O2

60,4 % N2

13,0 % CO2

10,2 % CO

9,3 % O2

7,1 % H2

O


Ejercicio 11: El aporte calorífico requerido en un determinado proceso se lleva a cabo utilizando butano como combustible. Para ello se introduce en la cámara de combustión 100 kmol/h de butano y 5000 kmol/h de aire seco.

La reacción es C4

H10

+ 13/2O2 →

4CO2

+ 5H2

O, con un 100 % de conversión del reactivo limitante. Hallar:

a) Flujo y composición molar de los gases de combustión. b) % exceso de aire empleado.

SOLUCIÓN:

a) 5250 kmol/h de gases de combustión

XO2

=7,62% XN2

= 75,24% XCO2

= 7,62% XH2O

= 9,52%

b) 61,55 %


Ejercicio 12: En una planta depuradora, la etapa de digestión anaerobia de los lodos produce metano. Éste es utilizado como combustible en un horno para producir energía. El horno se alimenta con 100 kmol/h de metano y 1200 kmol/h de aire seco. La reacción es CH4

+ 2O2 →

CO2

+ 2H2

O, con una conversión del 95% del reactivo limitante. Hallar:

a) Flujo y composición molar de los gases de combustión. b) % exceso de aire empleado.

SOLUCIÓN:

a) 1300 kmol/h de gases de combustión

XO2

=4,77% XN2

= 72,92% XCO2

= 7,31% XH2O

= 14,61%

b) 26 %


Ejercicio 13: En la cámara de combustión de un horno se introduce metano con un 25 % de aire seco en exceso. Las reacciones que tienen lugar son:

CH4

+ 2O2 →

CO2

+ 2H2

O (1) CH4

+ O2

→

HCOH + H2

O (2) La conversión total del metano es del 95% (reacción 1 + 2), correspondiendo el

95% del metano reaccionado a la reacción 1 y el 5% a la reacción 2. Hallar, el porcentaje de contaminante formaldehido

(HCOH) en la corriente de gases de

combustión.

SOLUCIÓN:

0,3868%


Ejercicio 14: En la cámara de combustión de un horno se introduce etano con un 50 % de aire seco en exceso. Las reacciones que tienen lugar son:

C2

H6

+ 7/2O2 →

2CO2

+ 3H2

O (1) C2

H6

+ 5/2O2

→

2CO + 3H2

O (2) La conversión total del etano es del 90% (reacción 1 + 2), correspondiendo el

75% del etano reaccionado a la reacción 1 y el 25% a la reacción 2. Hallar:a) Composición molar de la corriente de salida en base húmeda.

b) Composición molar de la corriente de salida en base seca (análisis Orsat).

SOLUCIÓN:

a) base húmeda

XC2H6

= 0,37% XO2

=8,71% XN2

= 74% XCO2

= 5,06% XH2O

= 10,12% XCO

= 1,68%

b) base seca

XC2H6

= 0,42% XO2

=9,7% XN2

= 82,4% XCO2

= 5,6% XCO

= 1,9%


Ejercicio 15: En la cámara de combustión de un horno se introduce una corriente de composición molar 95% metano y 5% de gases inertes. El combustible es oxidado con exceso de aire según la reacción CH4

+ O2

→

CO2

+ H2

O. La conversión del reactivo limitante es del 96%. La composición molar del gas de combustión es 0,30%

CH4

, 5,06% O2

,

0,39% inertes, 72,81% N2

, 7,15% CO2

y 14,29% H2

O. Calcular, el % de exceso de aire utilizado en la combustión.

SOLUCIÓN:

30,5 %


Ejercicio 16: Una vía de producción tradicional de cobre metálico consiste en hacer reaccionar el mineral calcopirita (FeCuS2

) con sílice (SiO2

) y aire, a altas temperaturas según la reacción:

FeCuS2

(s) + SiO2

(s) + 5/2O2 →

2SO2

+ FeSiO3

(s) + Cu Las condiciones del proceso son:

-

Riqueza másica del mineral 75% (resto inertes) -

Sílice en exceso del 20% respecto al reactivo limitante.

-

Aire en ecxeso

del 50%.-

Conversión de la reacción del 90%

Calcular:a) Producción de Cu por tonelada de mineral.

b) Composición de los gases de salida del proceso.c) Flujo y composición másica de escoria generada por tonelada de mineral.

Datos pesos moleculares (g/mol): FeCuS2

(183,3), SiO2

(60), FeSiO3

(131,8), Cu (63,5)SOLUCIÓN:

a) 233,74 kg/H b) XSO2

= 10,34% XO2 = 8,62%

XN2

= 81,04%

c) 883,93 kg/h XFeCuS2

= 8,48% Xinertes

= 28,28% XSiO2

= 8,35% XFeSiO3

= 54,89%


Ejercicio 17: -

A temperatura de 300 ºC

y presión de 50 atm, el cloruro de nitrosilo

(ClNO) reacciona con oxígeno para formar NO2

, según las reacciones: ClNO

→

NO + Cl2 (1)

NO + O2

→NO2

(2) La alimentación se realiza en proporción másica 1 kg

ClNO/ 1,11 kg

aire. El gas

de salida del proceso tiene la siguiente composición volumétrica: 4,29% ClNO, 3,5% O2

, 56,3% de N2

y 35,91 del resto (NO+NO2

+Cl2

) Calcular:

a) Conversión de cada reacción. b) Exceso de aire empleado.

c) composición molar del productoDatos pesos moleculares: aire (28,9 g/mol), ClNO

(65,5 g/mol)

SOLUCIÓN:

a) X(1)

= 84,86% X(2)

= 95,4% b) 5,68%

c) XClNO

= 4,29% XO2

= 3,5% XN2

= 56,3% XNO

= 1,1% XNO2

= 22,94% XCl2

= 12,02%


Ejercicio 18: -

Para la producción de vapor de agua en una caldera se utiliza un combustible de composición: 82,1% C, 11,9% H, 1,0% S, 3,0% H2

O, 2,0% cenizas, con aire en exceso del 50%.

En las condiciones de operación, el 60% del C se oxida a CO2 y el resto a CO, el 90% del S a SO2

y el resto a SO3

, el 100% del H a H2

O. Hallar la composición en base seca del gas de chimenea.

SOLUCIÓN:

XO2 = 9,15% XN2

= 80,85% XCO2

= 5,97% XCO

= 3,98% XSO2

= 0,04% XSO3

= 0,004%


Ejercicio 19: En el diagrama de flujo que se adjunta se representa la producción de H2

SO4

a partir de la pirita (FeS2

) por el método de contacto (proceso en desuso por los problemas medioambientales que genera). Las reacciones que tienen lugar son:

4FeS2

+ 11O2

→

2Fe2

O3

+ 8SO2 (reacción en el horno) 2SO2 + O2

→

2SO3 (reacción en la columna de contacto y en el reactor catalítico)Las condiciones de operación son:

-

Un 15% de pirita no reacciona. Esta se pierde por problemas de caída por la parrilla del horno, apareciendo en la corriente de escoria.

-

Aire en exceso del 40%.-

Conversión del SO2

(que sale del horno) en la columna de contacto del 40%. -

Conversión del SO2

(de salida de la etapa de contacto) en el reactor catalítico del 96%.

Calcular, para 100 kg/h de pirita alimentada al proceso:a) Flujo másico de aire introducido

b) Flujo y composición másica de los gases a la salida de columna de contacto (E) c) Flujo y composición másica de los gases a la salida del reactor catalítico (P)

d) Rendimiento del proceso de conversión FeS2

→

SO3

Pesos moleculares (g/mol): Fe (55,84), S (32,06), O (16)


SOLUCIÓN:

a)

Aire introducido = 512,1 kg/h

b)

540,49 kg/h XN2

= 72,7 % XO2

= 8,8 % XSO2

= 10,1 % XSO3

= 8,4 %

HORNOAire

exceso 40% COLUMNA DE

CONTACTO

100 kg/h de pirita

SO2

→

SO3

SO2

, O2

,

N2

REACTOR CATALÍTICO

40%SO2

→

SO3

96%

SO2

, SO3

O2

, N2

SO2

SO3

O2

N2

E P

c) 540,59 kg/h XN2

= 72,7 % XO2

= 6,4 % XSO2

= 0,4 % XSO3

= 20,5 %

d) 83,2 %

Escoria

FeS2

, Fe2

O3


Ejercicio 20: El CO2

puede obtenerse por reacción de la piedra caliza con sulfúrico diluido. En el proceso se utiliza piedra caliza formada por CaCO3

, MgCO3

e inertes y una disolución de H2

SO4

al 12% (masa). Las reacciones son: CaCO3

+ H2

SO4

→

CO2

+ H2

O + CaSO4

MgCO3

+ H2

SO4

→

CO2

+ H2

O + MgSO4

La separación del CO2

se facilita por calentamiento de la masa reaccionante, quedando un residuo de composición másico: 8,56% CaSO4

, 5,23%MgSO4

, 1,05% H2

SO4

, 0,12% CO2

, 84,51% H2

O y 0,53% inertes.Calcular, para 100 kg/h de residuo (R):

a) Corriente F y composición másica de la piedra caliza. b) Flujo de disolución de ácido sulfúrico L y % de exceso respecto del reaccionado.

c) Flujo de vapor V y composición molar.Datos pesos moleculares: CaCO3

(100 g/mol), MgCO3

(84,3 g/mol), H2

SO4

(98 g/mol), CaSO4

(136 g/mol), MgSO4

(120,3 g/mol).b) L = 95,65 kg/h de H2

SO4

al 12% exceso H2

SO4

= 10,38%

c) 6,14 kg/h XCO2

= 53,13% XH2O

= 45,87%

SOLUCIÓN:

a)

10,49 kg/h XCaCO3

= 60 % XMgCO3

= 34,9 % Xinerte

= 5,1 %


4.3. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON 4.3. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON DERIVACIDERIVACIÓÓN O RECIRCULACIN O RECIRCULACIÓÓNN

Productos de salida de una operación se devuelven a un punto previo del proceso

Derivación o bypass→

operación inversa a la recirculaciónD

REACTOR SEPARADORFN P

R

X < 100%FR SR S

Recirculación ⇒

FR

= FN

+ R

Derivación ⇒

FR

= FN

- D-

Recuperación de catalizadores

-

Dilución de un flujo de un proceso -

Control de una variable de proceso

-

Circulación de un fluido de trabajo

Flujos másicos distintos pero igual composición

¿Por qué

interesa recircular?

En la mayoría de ocasiones → Realizar un primer balance global a la planta


Ejercicio 21: En el diagrama de flujo de un proceso que opera en

estado estacionario para la recuperación de cromato de potasio cristalino (K2

CrO4

) a partir de una disolución acuosa de esta sal, se combinan 4500 kg/h de una disolución que contiene un tercio de K2

CrO4

, y un flujo de recirculación que contiene 36,36% de K2

CrO4

, para entrar en un evaporador. La corriente concentrada que sale del evaporador contiene 49,4% de K2

CrO4

y alimenta a una operación de cristalización- filtración (donde dicha corriente se enfría produciéndose la precipitación de cristales

de cromato de potasio a partir de la disolución). El filtrado consiste en cristales de K2

CrO4

y una disolución que contiene 36,36% (peso) de cromato de potasio, los cristales representan el 95% de la masa total del filtrado. La disolución que pasa a través del filtro, que contiene también el 36,36% de K2

CrO4

es el flujo de recirculación. Calcular:

a) el peso de agua extraída en el evaporador.b) la velocidad de producción de K2

CrO4

cristalino.c) los kg

de flujo de recirculación/kg

de alimentación fresca.

d) la velocidad de alimentación con la que deben diseñarse el evaporador y el cristalizador.


SOLUCIÓN:

a)

A= 2950,14 kg/h

b)

1471,7 kg/h K2

CrO4

c)

1,25 kg/h recirculación/kg/h alimentación fresca

d)

FR = 10133,3 kg/h SR

= 7182,5 kg/h

EVAPORADOR CRISTALIZADOR Y FILTRO

FN S

R

H2

O

FR SR

4500 kg/h

33,3% K2

CrO4

A

49,4% K2

CrO4

Solución al 36,36% K2

CrO4

Cristales sólidos de K2

CrO4

: 95%

Solución al 36,36% K2

CrO4

: 5%


Ejercicio 22: En un reactor catalítico se deshidrogena butano para obtener buteno según el diagrama de flujo adjunto. Si la conversión es del 5% y el rendimiento relativo respecto a la alimentación fresca del 50%. Calcular los moles de buteno, gas de separación y coque que se obtienen por mol de alimentación fresca de butano.

SOLUCIÓN:

P = 0,5 moles

G = 2,07 mol-gr

S = 0,862 at-gr

REACTOR CATALÍTICO

P (C4

H8

)

CH4

: 5%

C2

H6

: 15%

C2

H4

: 10%%

H2

: 70%

GPLANTA DE SEPARACIÓN

SR

FR

R (C4

H10

)FN

S (coque)


4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON 4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON RECIRCULACIRECIRCULACIÓÓN Y PURGAN Y PURGA

Recirculación ⇒

puede suponer acumulación de alguno de los componentes

PURGA (evita acumulación)

REACTOR SEPARADORFN S

R

X < 100%FR SR

P


Ejercicio 23: Al reactor catalítico de una planta de amoniaco se debe de alimentar una mezcla gaseosa de N2

e H2

en la proporción 1/3, para alcanzar una conversión del 25% a NH3

. El amoniaco formado se separa por condensación y los gases no convertidos se recirculan al reactor. La mezcla inicial N2

/H2

contiene un 0,2% de argón, por lo que es necesario eliminarlo del proceso, purgándose continuamente. Suponiendo que ha de mantenerse la concentración de argón en la entrada del reactor en un valor máximo del 5%, se desea calcular la fracción de la corriente de recirculación que debe eliminase continuamente como corriente de purga.

SOLUCIÓN:

0,0166 kg-mol purga/Kg-mol recirculación (1,66%)

REACTOR CONDENSADORFN

PR

X = 25%FR SR N

S

NH3


Ejercicio 24: El metanol puede producirse por medio de la reacción del dióxido de carbono e hidrógeno. La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones estequiométricas y 0,5% molar de componentes inertes. El flujo de salida del reactor pasa a un condensador, que extrae esencialmente todo el metanol y el agua formados, pero no así

los reactivos ni los componentes inertes. Estas sustancias se hacen recircular al reactor. Para evitar que se acumulen las sustancias inertes al sistema, se extrae un flujo de purgado de la recirculación. La alimentación al reactor contiene 2% de sustancias inertes, y la conversión en una sola etapa es del 60%. Calcular las velocidades de flujo molar de la alimentación fresca, de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado para una velocidad de producción de metanol de 1000 moles/h.

SOLUCIÓN:

4450 moles/h de alimentación fresca

6803 moles/h que alimentan al reactor

449 moles/h de purgado


4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO EN ESTADO 4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO EN ESTADO NO ESTACIONARIONO ESTACIONARIOTiempo es una variable a considerar (masa varía con el tiempo)

Régimen no estacionario ⇒

A ≠

0Operación discontinua ⇒

A = T

Operación continua o semicontinua

⇒

E –

S + T = A


Ejercicio 25: Un tanque contiene 100 galones de una disolución de sal en agua que contiene 4,0 lb

de sal. Entra agua en el tanque a razón de 5 gal/min

y la disolución de sal se desborda con la misma velocidad. Si el mezclado en el tanque es suficiente para mantener la concentración de sal en el tanque uniforme en todo momento, ¿cuánta sal habrá

en el tanque al término de 50 min? Suponga que la densidad de la disolución de sal es prácticamente la misma que la del agua.

SOLUCIÓN:

0,328 lb

de sal

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