Tema 4

(1)

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

TEMA 4. INTRODUCCI

Ó

N A LOS BALANCES DE MATERIA

1. Introducci

1. Introducció

ó

n

2. Ecuaci

2. Ecuació

ón general de conservaci

n general de conservació

ón de materia

n de materia

3. M

3. Mé

étodo general para la resoluci

todo general para la resolució

ó

n de problemas de balances de materia

4. Ejercicios de balances de materia en procesos simples

4.1. Balance de materia en una operaci

4.1. Balance de materia en una operació

ó

n sin reacci

ón qu

ó

n qu

ímica

í

mica

4.2. Balance de materia en una operaci

4.2. Balance de materia en una operació

ón con reacci

n con reacci

ón qu

ó

n quí

ímica

mica

4.3. Balance de materia en un proceso con derivaci

4.3. Balance de materia en un proceso con derivació

ó

n

4.4. Balance de materia en un proceso con recirculaci

4.4. Balance de materia en un proceso con recirculació

ón y purga

n y purga

4.5. Balance de materia en r

4.5. Balance de materia en ré

égimen no estacionario

gimen no estacionario

Bibliograf

Bibliografííaa

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA

G. Calleja, F. García, A. de Lucas, D. Prats y J.M. Rodríguez Ed. Síntesis, Madrid, 1999.

Tema 6

CURSO DE INGENIERÍA QUÍMICA J. Costa López y otros.

Editorial Reverté, S.A, 1991

(2)

TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL SISTEMA ENTRA SALE TRANSFORMACIÓN Macrobalances

• Elemento finito del proceso químico

• Genera una ecuación algebráica

[E] - [S] ± [T] = [A] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ± ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ extensiva propiedad de N ACUMULACIÓ de velocidad extensiva propiedad de CIÓN TRANSFORMA de velocidad extensiva propiedad de SALIDA de velocidad extensiva propiedad de ENTRADA de velocidad

Proceso continuo y estado estacionario

1. INTRODUCCI

(3)

2. ECUACI

Ó

N GENERAL DE CONSERVACI

Ó

N DE MATERIA

Balances macroscópico de materia

Balance global ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ± ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ tiempo de unidad la en DESAPARECE o GENERA se que materia de cantidad tiempo de unidad la en SALE que materia de cantidad tiempo de unidad la en ENTRA que materia de cantidad tiempo de unidad la en ACUMULADA materia de cantidad

Balance parcial del componente i

⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ± ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ tiempo de unidad la en DESAPARECE o GENERA se que i componente de cantidad tiempo de unidad la en SALE que i componente de cantidad tiempo de unidad la en ENTRA que i componente de cantidad tiempo de unidad la en ACUMULADA i componente de cantidad un componente una molécula un ión un átomo componente i

(4)

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

(5)

3. M

É

TODO GENERAL PARA LA RESOLUCI

Ó

N DE

PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA

(6)

4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACI

Ó

N SIN

REACCI

Ó

N QU

Í

MICA

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:

(7)

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

SEDIMENTADOR

5000 kg/h de agua 1 % sólidos

kg/h de agua 0,05 % sólidos

kg/h de agua 8 % sólidos

A

B

(8)

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

(9)

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:

X_tolueno = 36,38 % X_xileno = 23,62 %

c) En C:

(10)

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

ABSORBEDOR

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

COLUMNA DE RECTIFICACIÓN

1200 kg/h de agua Gas limpio

L G

(11)

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

ABSORBEDOR

102 kg/h

1262 kg/h F

D

R

COLUMNA DE RECTIFICACIÓN

5036 kg/h

L G

A

1364 kg/h

(12)

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

C

COLUMNA DE DESTILACIÓN

2000 kg/h 45 % benceno 55 % tolueno

V

L

F

SOLUCIÓN:

a) C = 1128,4 kg/h

D = 871,6 kg/h b) X_benceno = 6,4 %

X_tolueno = 93,6 %

(13)

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

un absorbedor con H₂O 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

COLUMNA DE ABSORCIÓN

60% (vol) NH₃ H₂/N₂ = 3/1 (vol)

Gases G

A H₂O

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) NH}

3

70% (peso) H₂O

P

0,5% (vol) NH₃ H₂/N₂ = 3/1 (vol)

(14)

Ejercicio 8a: 5oo kg/h de un mineral de cobre de composición 12% CuSO₄, 3% H₂O y 85%

inerte, se somete a extracción con 3000 kg/h de H₂O, en contacto simple, al objeto de extraer

el CuSO₄. El extracto está formado por CuSO₄ y H₂O. El refinado o mineral de desecho

contienen todo el inerte introducido con el mineral tratado, más la disolución formada por

CuSO₄ y H₂O 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:

X_CuSO4 = 1,95 %

X_H2O = 98,05 %

En R:

X_CuSO4 = 0,87 %

X_H2O = 43,6 %

X_inerte = 55,55 %

(15)

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:

X_CuSO4 = 2,17 % X_H₂_O = 97,83 % En R1:

X_CuSO4 = 0,098 %

X_H2O = 44,35 %

X_inerte = 55,55 %

EXTRACTOR 2

12 % CuSO₄ 3 % H₂O

85% inerte 3000 kg/h agua

0,8 kg disolución/kg inerte

F A

R₁

EXTRACTOR 1

500 kg/h de mineral

E₂

E₁

R₂

Disolución CuSO₄ y H₂O

0,8 kg disolución/kg inerte

(16)

4.1. BALANCE DE MATERIA EN UNA OPERACI

Ó

N CON

REACCI

Ó

N QU

Í

MICA

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

(17)

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

(18)

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

100 tan lim cos lim % x te i reactivo al respecto necesarios moles tri estequiomé moles entados a moles exceso

de = −

REACTOR SEPARADOR

reactivos Productos y

reactivos Productos

Recirculación de reactivos Conversión < 100%

(19)

TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL Reactivos pueden combinarse de diversas formas

Reactivos pueden reaccionar con productos

REACCIONES MÚLTIPLES

100 tan

lim

dim

Re

x

nte

completame

a

reaccionar

te

i

reactivo

el

si

y

adyacentes

reacciones

hubieran

no

si

formarían

se

que

moles

deseado

producto

de

formados

moles

iento

n

=

deseados

no

productos

de

formados

moles

deseado

producto

de

formados

moles

ad

Selectivid

=

↓ producto deseado

Pérdidas económicas

↑rendimiento y ↑ selectividad

100 100

1

R R

S

−

=

[0-100] >1

Para conversión = 100%

(20)

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

(21)

TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL Ejercicio 9: Una vía de producción de acetonitrilo consiste en hacer reaccionar etileno con amoniaco y oxígeno, según la reacción C₂H₄ + NH₃ + O₂→ CH₃CN + 2H₂O. La corriente de alimentación al reactor tiene una composición molar de 10% C₂H₄, 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

X_C2H4 = 7,0%

X_O2 =13,38%

X_N2 = 61,62%

X_NH3 = 9%

X_H2O = 6%

X_CH3CN = 3%

(% exceso)_C2H4 = 20%

(22)

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

C₂H₆ → C₂H₄ + 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

C₂H₆ + 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) X_C2H6 =30,3%

X_C2H4= 28,6%

X_H2 = 26,7%

X_CH4 = 3,7%

X_inertes = 10,7%

(23)

REACCIONES DE COMBUSTIÓN

Materia orgánica + O₂ ⇒ CO, CO₂, H₂O, SO₂, NO_x + calor

(combustible)

78,03 % N₂ 20,03 % O₂ 0,94 % Ar 0,03 % CO₂

0,01 % H₂, He, Ne, Kr, Xe

AIRE 79 % N_{21 % O}2

2

PM = 29 g/mol

Aire en exceso O_N2 reactivo en exceso 2 aparece como inerte

- Se aumenta la conversión del combustible - Combustión completa (C → CO₂)

(24)

TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL Oxígeno teórico → moles de O₂ necesarios para conseguir la combustión

completa del combustible (C → CO₂ y H → H₂O)

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 teórico x 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

(25)

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

(26)

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 C₄H₁₀ + 13/2O₂→ 4CO₂ + 5H₂O, 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

X_O2 =7,62%

X_N2 = 75,24%

X_CO2 = 7,62%

X_H2O = 9,52%

(27)

TEMA 4 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA 1º INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL 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 + 2H₂O, 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

X_O2 =4,77%

X_N2 = 72,92%

X_CO2 = 7,31%

X_H2O = 14,61%

(28)

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 + 2H₂O (1) CH₄ + O₂ → HCOH + H₂O (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:

(29)

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:

C₂H₆ + 7/2O₂→ 2CO₂ + 3H₂O (1) C₂H₆ + 5/2O₂ → 2CO + 3H₂O (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

X_C2H6 = 0,37%

X_O2 =8,71%

X_N2 = 74%

X_CO2 = 5,06%

X_H2O = 10,12%

X_CO = 1,68%

b) base seca

X_C2H6 = 0,42%

X_O2 =9,7%

X_N2 = 82,4%

X_CO2 = 5,6%

(30)

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 + H₂O. 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% H₂O. Calcular, el % de exceso de aire utilizado en la combustión.

SOLUCIÓN:

(31)

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) X_SO2 = 10,34%

X_O2= 8,62%

X_N2 = 81,04%

c) 883,93 kg/h

X_FeCuS2= 8,48% X_inertes = 28,28%

X_SiO2 = 8,35%

(32)

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 producto

Datos 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) X_ClNO= 4,29%

X_O2 = 3,5%

X_N2 = 56,3%

X_NO = 1,1%

X_NO2 = 22,94%

(33)

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% H₂O, 2,0% cenizas, con aire en exceso del 50%.

En las condiciones de operación, el 60% del C se oxida a CO₂y el resto a CO, el 90% del S a SO₂ y el resto a SO₃, el 100% del H a H₂O. Hallar la composición en base seca del gas de chimenea.

SOLUCIÓN:

X_O2= 9,15%

X_N2 = 80,85%

X_CO2 = 5,97%

X_CO = 3,98%

X_SO2 = 0,04%

(34)

Ejercicio 19: En el diagrama de flujo que se adjunta se representa la producción de H₂SO₄ 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 → 2Fe₂O₃ + 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

(35)

a) Aire introducido = 512,1 kg/h

b) 540,49 kg/h

X_N2 = 72,7 %

X_O2 = 8,8 %

X_SO2 = 10,1 %

X_SO3 = 8,4 %

HORNO

Aire

exceso 40% COLUMNA DE

CONTACTO

100 kg/h de pirita

SO₂ → SO₃

SO₂, O₂, N₂

REACTOR CATALÍTICO

40%

SO₂ 96%→ SO₃

SO₂, SO₃ O₂, N₂

SO₂ SO₃ O₂ N₂

E _P

c) 540,59 kg/h

X_N2 = 72,7 %

X_O2 = 6,4 %

X_SO2 = 0,4 %

X_SO3 = 20,5 %

d) 83,2 %

(36)

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 H₂SO₄ al 12% (masa). Las reacciones son:

CaCO₃ + H₂SO₄ → CO₂ + H₂O + CaSO₄ MgCO₃ + H₂SO₄ → CO₂ + H₂O + 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% H₂SO₄, 0,12% CO₂, 84,51% H₂O 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), H₂SO₄ (98 g/mol), CaSO₄ (136 g/mol), MgSO₄ (120,3 g/mol).

b) L = 95,65 kg/h de H₂SO₄ al 12%

exceso H₂SO₄ = 10,38%

c) 6,14 kg/h

X_CO2 = 53,13%

X_H2O = 45,87%

SOLUCIÓN:

a) 10,49 kg/h

(37)

4.3. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON

DERIVACI

Ó

N O RECIRCULACI

Ó

N

Productos de salida de una operación se devuelven a un punto previo del proceso Derivación o bypass→ operación inversa a la recirculación

D

REACTOR SEPARADOR

F_N P

R X < 100%

F_R S_R S

Recirculación ⇒ F_R = F_N + R Derivación ⇒ F_R = F_N - 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?

(38)

Ejercicio 21: En el diagrama de flujo de un proceso que opera en estado estacionario para la recuperación de cromato de potasio cristalino (K₂CrO₄) a partir de una disolución acuosa de esta sal, se combinan 4500 kg/h de una disolución que contiene un tercio de K₂CrO₄, y un flujo de recirculación que contiene 36,36% de K₂CrO₄, para entrar en un evaporador. La corriente concentrada que sale del evaporador contiene 49,4% de K₂CrO₄ 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 K₂CrO₄ 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 K₂CrO₄ es el flujo de recirculación. Calcular:

a) el peso de agua extraída en el evaporador.

b) la velocidad de producción de K₂CrO₄ cristalino.

c) los kg de flujo de recirculación/kg de alimentación fresca.

(39)

a) A= 2950,14 kg/h

b) 1471,7 kg/h K₂CrO₄

c) 1,25 kg/h

recirculación/kg/h alimentación fresca

d) F_R= 10133,3 kg/h

S_R = 7182,5 kg/h

EVAPORADOR CRISTALIZADOR_{Y FILTRO}

F_N _S

R

H₂O

F_R _S

R

4500 kg/h 33,3% K₂CrO₄

A

49,4% K₂CrO₄

Solución al 36,36% K₂CrO₄

(40)

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 (C₄H₈)

CH₄: 5% C₂H₆: 15% C₂H₄: 10%% H₂: 70% G

PLANTA DE SEPARACIÓN

S_R

F_R

R (C₄H₁₀) F_N

(41)

4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO CON

RECIRCULACI

Ó

N Y PURGA

Recirculación ⇒ puede suponer acumulación de alguno de los componentes

PURGA (evita acumulación)

REACTOR SEPARADOR

F_N S

R

X < 100%

F_R S_R

(42)

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 CONDENSADOR

F_N

P R

X = 25%

F_R S_R _N

S

(43)

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:

(44)

4.4. BALANCE DE MATERIA EN UN PROCESO EN ESTADO

NO ESTACIONARIO

Tiempo es una variable a considerar (masa varía con el tiempo) Régimen no estacionario ⇒ A ≠ 0

Operación discontinua ⇒ A = T

(45)

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: