Segunda Serie de Problemas

Transcripción

1 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Sem Segunda 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 X H2O = 0.5, X acetona = 0.45, y X MIBK = 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: X agua = 0.50 X acet = 0.45 X MIBK = kg/s Etapa I Etapa II X acet = 0.4 X acet = 0.25 MIBK 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 MgSO 4 a 140 g de agua. La solución se lleva a 200 ºF para disolver completamente el MgSO 4. 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. 30/03/2009 1

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4 Balances de Materia con Reacción Química 4. Efectúe lo siguiente: a) Escriba una reacción química balanceada para la reacción de 1 mol de C 8 H 12 S 2 con O 2 para producir CO 2, H 2 O y SO 2. b) Calcule la rapidez de producción de todas las sustancias, si se hacen reaccionar 2 moles/h de C 8 H 12 S 2 con cantidad estequiométrica de O 2. c) Calcule la rapidez de reacción. 5. 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 NaClO H 2 SO 4 + CH 3 OH 6 ClO NaHSO 4 + CO H 2 O Supóngase que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO 3 y H 2 SO 4 por mol de CH 3 OH. a) Determine el reactivo limitante. b) Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas métricas por hora de ClO 2, suponiendo que se obtiene una conversión del 90% del reactivo limitante. 6. Es posible obtener el acetaldehído, CH 3 CHO por la deshidrogenación catalítica de etanol, C 2 H 5 OH, mediante a reacción: C 2 H 5 OH CH 3 CHO + H 2 Ocurre también sin embargo, una reacción paralela que produce acetato de etilo, CH 3 COOC 2 H 5 ; 2 C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 + 2H 2 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. 30/03/2009 4

5 7. La corriente de alimentación a un proceso de producción de amoniaco contiene 24.75% mol de N 2, 74.25% mol de H 2 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 H 2 para producir NH 3, sin tomar en cuenta el NH 3 eliminado con el gas de purga. c) Calcule la relación: moles gas de purga/ mol gas que sale del condensador. d) Calcule la relación: moles gas de recirculación al reactor / mol de alimentación fresca. e) Calcule la composición de todas las corrientes. 8. El yoduro de metilo puede obtenerse por la reacción de ácido yodhídrico con un exceso de metanol. Así, HI + CH 3 OH CH 3 I + H 2 O 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 CH 3 OH por mol de HI. 2. Se obtiene una conversión de 50% de HI en el reactor % del H 2 O que entra en el primer separador sale por la corriente Todas las composiciones están en base molar. 30/03/2009 5

6 Cuántas moles de CH 3 I se producen por mol de alimentación fresca de HI? 9. Los elementos clave del proceso Kraft son la recuperación de NaCO 3 y su conversion a NaOH. En el diagrama de flujo simplificado de la figura, se hace reaccionar Na 2 CO 3 con Ca(OH) 2 en el calcinador, mediante la reacción, Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 2NaOH + CaCO 3 El CaCO 3 se lava en un espesador y se convierte en CaO en un horno según la reacción CaCO 3 CaO + CO 3 La cal viva resultante (CaO) se hidrata de nuevo para obtener Ca(OH) 2 CaO + H 2 O 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 CaCO 3 que se requieren por unidad de masa de Na 2 CO 3 procesado. 30/03/2009 6

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