Tercera Serie de Problemas

Transcripción

1 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Sem 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 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. 27/03/2008 1

2 4. Determine la composición y cantidad de las fases presentes cuando se mezclan a 70 ºF las siguientes cantidades: a) 20 g de MgSO 4 y 80 g de H 2 O b) 20 g de MgSO 4 y 60 g de H 2 O c) 60 g de MgSO 4 7 H 2 O y 20 g de H 2 O d) 60 g de MgSO 4 y 40 g de H 2 O 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): X X α n hep tan o β n hep tan o = 0. 3 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 2

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5 Balances de Materia con Reacción Química 6. 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. 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 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. 8. En la industria del ácido sulfúrico, el nombre óleum se utiliza para un ácido 100% puro que contiene SO 3 libre sin reaccionar disuelto en el ácido. Por ejemplo un óleum de 20% contiene 20 kg de SO 3 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 SO 3 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%. 27/03/2008 5

6 9. 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. 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 N 2, O 2, CO 2, SO 2 y H 2 O solamente. Se debe controlar la emisión de SO 2 a la atmósfera, pasando los gases de combustión por un absorbedor, en donde la mayor parte del SO 2 se absorbe en una solución alcalina. Los gases que salen del absorbedor contienen todo el N 2, O 2, y CO 2, algo del H 2 O y del S0 2 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 SO 2 que se alimenta y los gases de chimenea combinados contienen PPM de SO 2 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 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. 27/03/2008 6

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 NH 3 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 + 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. Cuántas moles de CH 3 I se producen por mol de alimentación fresca de HI? 27/03/2008 7

8 15. 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. 16. El óxido de etileno se fabrica (ver figura), por la oxidación parcial de etileno con oxígeno, usando un catalizador de plata: 27/03/2008 8

9 2 C 2 H4 + O 2 2 C 2 H 4 O También ocurre una reacción paralela indeseable: C 2 H O 2 2 CO H 2 O Con una composición de entrada al reactor de 10% de C 2 H 4, 11% de O 2, 1% de CO 2 y el resto de inerte diluyente N 2, se observa una conversión de 25%, y se obtiene una corriente de salida del reactor con 2 moles de CO 2 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 C 2 H 4 por mol de CO 2. El líquido absorbedor, que contiene 4% de C 2 H 4 O, se envía a un agotador de vapor de agua. El análisis del producto, corriente 12, corresponde a 25% de C 2 H 4 O, 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 N 2 diluyente necesario por mol de C 2 H 4 para el proceso. d) Calcule el rendimiento global de C 2 H 4 O a partir de C 2 H 4 para el proceso. Calcule el rendimiento fraccional de C 2 H 4 O, tal como ocurre en el reactor mismo. Explique porqué son diferentes. Rendimiento global = ( moles de C2H4O producido realmente ) / ( moles de C 2 H 4 O que podrían producirse si todo el C 2 H 4 alimentado se usara para producir sólo C 2 H 4 O ) 27/03/2008 9