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BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Sem. 2008-2
Tercera Serie de Problemas
Balances de Materia sin Reacción Química usando Diagramas
1. Una corriente que contiene acetona y agua fluye a razón de 350 kg / min y se mezcla con una segunda corriente que es metil-isobutil-cetona (MIBK) en un tanque agitado. El producto obtenido se pasa a un separador que opera a 25°C para separar las dos fases líquidas formadas. Una de ellas tiene un flujo de 310 kg / min y su análisis reporta una composición de 64.5% MIBK y 30% de acetona en masa. Determine el flujo y composición de la segunda fase líquida formada y el flujo de la corriente de MIBK que se alimentó al proceso. Utilice el diagrama de fases que se anexa.
2. En un proceso de extracción de dos etapas se alimenta una corriente cuya composición es XH2O = 0.5, Xacetona = 0.45, y XMIBK = 0.05 (fracciones masa) a razón de 100 kg / s. La
acetona se va a extraer con una corriente de MIBK. El diagrama de flujo es el siguiente:
Considere que las corrientes que salen de cada etapa están en equilibrio entre sí. Calcule el flujo y la composición de todas las corrientes del proceso. Utilice el diagrama de fases que se anexa.
3. Se forma una solución agregando 60 g de MgSO4 a 140 g de agua. La solución se lleva a 200
ºF para disolver completamente el MgSO4.
a) Determine la cantidad y composición de las fases presentes al enfriar la solución a 130 °F.
b) Determine la cantidad y composición de las fases presentes al enfriar la solución a 80 ºF. c) Determine la cantidad y composición de las fases presentes al enfriar la solución a 30 ºF. d) Repita el cálculo en c) pero considere que se evapora además el 15% del agua total. Utilice el diagrama de las fases anexo.
Etapa I Etapa II
Xagua = 0.50
Xacet = 0.45
XMIBK = 0.05
100 kg/s
4. Determine la composición y cantidad de las fases presentes cuando se mezclan a 70 ºF las siguientes cantidades: a) 20 g de MgSO4 y 80 g de H2O b) 20 g de MgSO4 y 60 g de H2O c) 60 g de MgSO4 7 H2O y 20 g de H2O d) 60 g de MgSO4 y 40 g de H2O
Utilice el diagrama de las fases anexo.
5. El coeficiente de distribución del n-heptano entre el benceno y el etilenglicol a 25° es (fracción masa): 3 0 X X o hep n o hep n . tan tan = − − β α
donde α es la fase rica en etilenglicol y β es la fase rica en benceno.
Considere que el benceno y el etilenglicol son inmiscibles. A un frasco se añaden 50 g de n-heptano, 400 g de benceno y 550 g de etilenglicol. Calcule la cantidad de n-heptano contenida en cada una de las fases líquidas.
27/03/2008 5 Balances de Materia con Reacción Química
6. Efectúe lo siguiente:
a) Escriba una reacción química balanceada para la reacción de 1 mol de C8H12S2 con O2
para producir CO2, H2O y SO2.
b) Calcule la rapidez de producción de todas las sustancias, si se hacen reaccionar 2 moles/h de C8H12S2 con cantidad estequiométrica de O2.
c) Calcule la rapidez de reacción.
7. El gas de bióxido de cloro se utiliza en la industria papelera para blanquear la pulpa producida en un molino Kraft. El gas se produce haciendo reaccionar clorato de sodio, ácido sulfúrico y metanol, en reactores recubiertos de plomo:
6 NaClO3 + 6 H2SO4 + CH3OH 6 ClO2 + 6 NaHSO4 + CO2 + 5 H2O
Supóngase que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO3 y H2SO4 por mol de
CH3OH.
a) Determine el reactivo limitante.
b) Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas métricas por hora de ClO2, suponiendo que se obtiene una conversión del 90% del reactivo limitante.
8. En la industria del ácido sulfúrico, el nombre óleum se utiliza para un ácido 100% puro que contiene SO3 libre sin reaccionar disuelto en el ácido. Por ejemplo un óleum de 20%
contiene 20 kg de SO3 en 80 kg de ácido al 100% por cada 100 kg de mezcla. También es
posible designar al óleum como un porcentaje de ácido sulfúrico superior al 100% que se obtendrá mediante la adición de suficiente agua a 100 kg de óleum para disolver el SO3 libre.
Usando estas definiciones, calcule:
a) La cantidad de óleum de 25% que pueden producirse con 100 kg de azufre. b) El porcentaje de ácido sulfúrico que corresponde al óleum de 25%.
9. Es posible obtener el acetaldehído, CH3CHO por la deshidrogenación catalítica de etanol,
C2H5OH, mediante a reacción:
C2H5OH CH3CHO + H2
Ocurre también sin embargo, una reacción paralela que produce acetato de etilo, CH3COOC2H5;
2 C2H5OH CH3COOC2H5 + 2H2
Supóngase que en un reactor determinado se ajustan las condiciones, de modo que se obtiene una conversión de etanol de 95% con un rendimiento de 80% de acetaldehído. Calcule la composición del producto del reactor, suponiendo que la alimentación es etanol puro.
10. Un aceite combustible se quema con un 25% de exceso de aire. El aceite contiene 87.0% en masa C, 10% y 3% S. El análisis de los gases de combustión muestra la presencia de N2, O2,
CO2, SO2 y H2O solamente. Se debe controlar la emisión de SO2 a la atmósfera, pasando los
gases de combustión por un absorbedor, en donde la mayor parte del SO2 se absorbe en una
solución alcalina. Los gases que salen del absorbedor contienen todo el N2, O2, y CO2, algo
del H2O y del S02 que entraron al mismo, y son desechados a la atmósfera. El absorbedor
tiene una capacidad limitada por lo que parte de los gases de combustión son desviados y mandados a la chimenea sin pasar por el absorbedor. El absorbedor renueve el 90% del SO2
que se alimenta y los gases de chimenea combinados contienen 612.5 PPM de SO2 base seca.
Calcule la fracción de gases de combustión que se desvían del absorbedor y la composición base seca de los gases combinados de chimenea.
11. La corriente de alimentación a un proceso de producción de amoniaco contiene 24.75% mol de N2, 74.25% mol de H2 y el resto son inertes (I). La alimentación se combina con una
corriente de recirculación y se alimenta a un reactor donde se logra una conversión del 25%. Los productos gaseosos de reactor se pasan por un condensador en donde se condensa la mayor parte del amoniaco presente. Los gases remanentes se recirculan. Sin embargo, para evitar que se acumulen los inertes en el circuito de síntesis, se debe eliminar parte de la corriente de recirculación como purga. La corriente de recirculación contiene 12.5% mol de inertes y 3% de amoniaco.
a) ¿Están los reactivos en proporción estequiométrica o alguno de ellos en exceso? En el último caso determine cuál es el reactivo limitante.
b) Calcule la conversión total de H2 para producir NH3, sin tomar en cuenta el NH3
27/03/2008 7 12. Resuelva el problema anterior con una concentración de inertes en el gas de purga de 10%
mol. Compare los resultados con los obtenidos en el problema anterior y comente sobre las diferencias encontradas.
13. Resuelva el Sexto Problema con una concentración de NH3 en el gas de recirculación del 2%
en mol. Compare los resultados obtenidos en los dos casos y comente sobre las diferencias encontradas.
14. El yoduro de metilo puede obtenerse por la reacción de ácido yodhídrico con un exceso de metanol. Así,
HI + CH3OH CH3I + H2O
En la figura se presenta un proceso típico para la producción industrial de yoduro de metilo. Las condiciones del proceso son:
1. La alimentación al reactor contiene 2 moles de CH3OH por mol de HI.
2. Se obtiene una conversión de 50% de HI en el reactor.
3. 3. 90% del H2O que entra en el primer separador sale por la corriente 5.
4. Todas las composiciones están en base molar.
15. Los elementos clave del proceso Kraft son la recuperación de NaCO3 y su conversion a
NaOH. En el diagrama de flujo simplificado de la figura, se hace reaccionar Na2CO3 con
Ca(OH)2 en el calcinador, mediante la reacción,
Na2CO3 + Ca(OH)2 2NaOH + CaCO3
El CaCO3 se lava en un espesador y se convierte en CaO en un horno según la reacción
CaCO3 CaO + CO3
La cal viva resultante (CaO) se hidrata de nuevo para obtener Ca(OH)2
CaO + H2O Ca(OH)2
Use las composiciones que muestra el diagrama de flujo y las especificaciones adicionales que: Flujo de 5 = 4 veces Flujo de 3
Flujo de agua en 1 = Flujo de 10
Además, suponga que todas las reacciones tienen conversión del 100%. Todas las composiciones corresponden a un porcentaje en masa.
a) Demuestre que las reacciones dadas son independientes. b) Construya una tabla de grados de libertad.
c) Deduzca un orden de cálculo que pueda utilizarse para determinar todas las corrientes; Presente detalladamente todo su razonamiento.
d) Resuelva los balances del proceso global para determinar la cantidad de CaCO3 que se
27/03/2008 9 2 C2H4 + O2 2 C2H4O
También ocurre una reacción paralela indeseable:
C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O
Con una composición de entrada al reactor de 10% de C2H4 , 11% de O2, 1% de CO2 y el resto de
inerte diluyente N2, se observa una conversión de 25% , y se obtiene una corriente de salida del
reactor con 2 moles de CO2 por mol de agua.
El óxido de etileno se elimina de la corriente que sale del reactor mediante un absorbedor. Se observa que los gases de descarga superior del absorbedor contienen 6 moles de C2H4 por mol de
CO2. El líquido absorbedor, que contiene 4% de C2H4O, se envía a un agotador de vapor de agua.
El análisis del producto, corriente 12, corresponde a 25% de C2H4O, Parte de los gases del
absorbedor se purgan y el resto se recircula al reactor.
a) Construya una tabla de grados de libertad, mostrando que el proceso está especificado correctamente.
b) Deduzca un orden de cálculo, suponiendo que se desean determinar todos los flujos y composiciones. Explique.
c) Calcule el N2 diluyente necesario por mol de C2H4 para el proceso.
d) Calcule el rendimiento global de C2H4O a partir de C2H4 para el proceso. Calcule el
rendimiento fraccional de C2H4O, tal como ocurre en el reactor mismo. Explique porqué
son diferentes.
Rendimiento global = ( moles de C2H4O producido realmente ) / ( moles de C2H4O que podrían
