Balances DE Materia Y Energia 1 PDF

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BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA La deshidrogenación catalítica del propano se lleva a cabo en un reactor continuo de lecho fijo. La alimentación de 100 kg/h de propano puro se precalienta hasta 670 ºC antes de pasar al reactor. El gas de salida, que contiene propano, propileno, metano e hidrógeno, se ...

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BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA 1. La deshidrogenación catalítica del propano se lleva a cabo en un reactor continuo de lecho fijo. La alimentación de 100 kg/h de propano puro se precalienta hasta 670 ºC antes de pasar al reactor. El gas de salida, que contiene propano, propileno, metano e hidrógeno, se enfría desde 800 ºC hasta 110 ºC, y se alimenta a una torre de absorción en la que el propano y el propileno se absorben en un aceite. El aceite entra a una torre de desorción en la que se calienta, permitiendo la salida de los gases disueltos; estos gases se comprimen y se transfieren a una columna de destilación de alta presión, en la que el propano y el propileno se separan. El flujo de propano se recircula hacia la alimentación del precalentador del reactor. El flujo de producto de la columna de destilación contiene 98% de propileno, y el flujo de recirculación 97% de propano. El aceite desorbido se hace recircular a la torre de absorción. Plantear el diagrama de flujo del proceso. 2. Un experimento sobre la velocidad de crecimiento de ciertos organismos requiere de un ambiente de aire húmedo enriquecido en oxígeno. Una cámara de evaporación se alimenta con tres flujos, A, B y C, para producir la composición deseada: A: 20 cm3/min de agua líquida; B: aire (21% en mol de O2, siendo el resto N2); y C: oxígeno puro, con una velocidad de flujo molar igual a la quinta parte de la velocidad de flujo de la corriente B. Se analiza el gas de salida, y se encuentra que contiene 1,5% en mol de agua. Calcular todas las incógnitas del flujo. 3. Se combinan 4500 kg/h de una disolución que contiene 1/3 (33,3%) en masa de K2CrO4 con un caudal de recirculación que contiene 36,36% de K2CrO4; el caudal combinado se alimenta a un evaporador. La corriente concentrada que sale del evaporador contiene 49,4% de K2CrO4; este caudal se alimenta a un cristalizador en el cual se enfría (produciendo la precipitación de cristales de K2CrO4 a partir de la disolución) y después se filtra. El filtrado consiste en cristales de K2CrO4 y una disolución que contiene 36,36% en masa de K2CrO4; los cristales representan el 95% de la masa total del filtrado. La disolución que pasa a través del filtro, que contiene también 36,36% de K2CrO4, es el caudal de recirculación. Calcular: a) Masa de agua extraída del evaporador. b) Caudal másico de producción de K2CrO4 cristalino. c) Cociente (kg de caudal recirculado/kg de alimentación fresca) d) Caudales de alimentación al evaporador y al cristalizador.

4. El jugo de naranja fresco contiene 12,0% en peso de sólidos y el resto de agua, mientras que el jugo de naranja concentrado contiene 42% de sólidos. Inicialmente, se utilizó un solo proceso de evaporación para concentrar el jugo, pero los componentes volátiles escaparon con el agua dejando al concentrado sin sabor. El siguiente proceso resuelve este problema: se realiza una desviación (by-pass) del evaporador con una fracción del jugo fresco; el jugo que entra al evaporador se concentra hasta que tiene 58% de sólidos, y el producto se mezcla con el jugo fresco desviado para alcanzar la concentración final de sólidos deseada. Calcular: a) La cantidad de jugo concentrado producido por cada 100 kg de jugo fresco que se alimenta al proceso.

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b) La fracción de la alimentación que se desvía del evaporador. c) Los ingredientes volátiles que proporcionan el sabor están contenidos en el jugo fresco que se desvía del evaporador. Podrías tener más de estos ingredientes en el producto final evaporando hasta conseguir (por ejemplo) un 90% de sólidos en lugar de un 58%; entonces podrías desviar una fracción mayor del jugo fresco y, por lo tanto, obtendrías un producto de mejor sabor. Sugiere las posibles desventajas de esta proposición. Un proceso de evaporación-cristalización del tipo descrito en el problema 3 se utiliza para obtener sulfato de potasio sólido a partir de una disolución acuosa de esta sal. La alimentación fresca de este proceso contiene 18,6% en masa de K2SO4. El precipitado húmedo consiste en cristales sólidos de K2SO4 y una disolución al 40% en masa de K2SO4, en una relación 10kg de cristales/kg de disolución. El filtrado, una disolución también el 40%, se hace recircular para unirla a la alimentación fresca. Del agua alimentada al evaporador se elimina el 42,66%. El evaporador tiene una capacidad máxima de 155 kg de agua evaporada/min. Calcular: a) El caudal máximo de producción de K2SO4 sólido, el caudal de alimentación fresca necesario para alcanzar dicha producción y el cociente kg de recirculación/kg de alimentación fresca. b) La composición y el caudal de alimentación al cristalizador si el proceso se reduce a la escala que corresponde al 75% de su capacidad máxima. Una corriente de gas que contiene 25% en mol de CO2 y 75% de CH4 se trata en una planta de acondicionamiento de gas. La corriente se alimenta a un absorbedor con un caudal molar de 50 kmol/h y se pone en contacto, dentro de éste, con un disolvente líquido que contiene 0,500% en mol de CO2 disuelto y el resto de metanol. El gas que sale del absorbedor contiene 1,00% en mol de CO2 y todo el metano que se alimentó a la unidad. El disolvente rico en CO2 que sale del absorbedor se alimenta a una torre de desorción; en ella se pone en contacto con una corriente de nitrógeno que extrae el 90% del CO2 disuelto. El disolvente regenerado se hace recircular al absorbedor. Se puede suponer que el metanol no es volátil, esto es, que no se encuentra en fase vapor en ninguna unidad del proceso. Calcular: a) La extracción fraccionaria de CO2 (moles absorbidos/moles de la alimentación), el caudal molar y la composición de la alimentación líquida a la columna de absorción. b) El caudal molar de la alimentación al absorbedor requerido para producir un caudal de productos absorbidos de 1000 kg/h. El antimonio se obtiene calentando estibnita pulverizada con hierro y extrayendo el antimonio fundido del fondo del reactor: Sb2S3 + Fe → Sb + FeS Suponer que 0,600 kg de estibnita y 0,250 kg de virutas de hierro se calientan para obtener 0,200 kg de antimonio metálico. Calcular: a) El reactivo limitante. b) El porcentaje del reactivo en exceso. c) La conversión (en fracción y en porcentaje). d) El rendimiento del proceso. Pesos Moleculares (kg/kmol): Sb2S3: 339,7; Fe: 55,8; Sb: 121,8; FeS: 87,9. El sulfato de aluminio se puede obtener haciendo reaccionar mineral de bauxita triturado con ácido sulfúrico, de acuerdo a la ecuación siguiente: Al2O3 + H2SO4 → Al2(SO4)3 + H2O El mineral de bauxita contiene 55,4% en masa de óxido de aluminio, el resto son impurezas. La solución de ácido sulfúrico contiene 77,7% de pureza, siendo el resto

agua. Para producir sulfato de aluminio impuro con un contenido de 1798 lb de sulfato de aluminio puro se usan 1080 lb de mineral de bauxita y 2510 lb de solución de ácido sulfúrico. a) Identificar el reactivo en exceso. b) ¿Qué porcentaje del reactivo en exceso se consumió?. c) ¿Cuál fue el porcentaje de conversión de la reacción?. Pesos Moleculares (lb/lb-mol): Al2O3: 101,9; Al2(SO4)3: 342,1; H2SO4: 98,1. 9. Las reacciones: C2H6 → C2H4 + H2 C2H6 + H2 → 2CH4 se llevan a cabo en un reactor continuo en régimen permanente. La alimentación consta de 85% en mol de C2H6 y el resto de sustancias inertes (I). La conversión fraccionaria de etano es 0,501 y el rendimiento a etileno es 0,471. Calcular: a) La composición molar del producto gaseoso b) Selectividad de etano a etileno y metano. 10. El metano se quema con oxígeno para producir CO2 y H2O. La alimentación contiene 20% en mol de CH4, 60% en mol de O2 y 20% en mol de CO2 y se alcanza una conversión del reactivo limitante del 90%. Calcular la composición molar de la corriente de productos utilizando: a) Los balances de especies moleculares. b) Los balances de especies atómicas. 11. Un gas pobre, cuya composición es: CO2: 9,2%; C2H4: 0,4%; CO: 20,9%; H2: 15,6%; CH4: 1,9%; N2: 52,0% se quema en un horno con exceso de aire. El gas de combustión resultante tiene la siguiente composición en base seca: CO2: 10,86%; CO: 0,4%; O2: 8,74%; N2: 80,0%. Calcular: a) Los metros cúbicos de aire utilizados en la combustión de un metro cúbico de gas pobre, medidos ambos en iguales condiciones. b) El porcentaje de exceso de aire utilizado. c) El porcentaje del nitrógeno del gas de combustión que procede del gas pobre. 12. Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído a partir de metanol por medio de la reacción: CH3OH → HCOH + H2 En el reactor, se alcanza una conversión en una sola etapa del 70%. La corriente de salida del reactor se alimenta a un proceso de separación de varias unidades en el que el metanol se separa del formaldehído y del hidrógeno. El caudal másico de producción de formaldehído es de 600 kg/h. Calcular el caudal molar de alimentación de metanol (mol/h) que requiere el proceso en los siguientes casos: a) No hay recirculación b) El metanol recuperado se recircula al reactor. 13. El metanol se produce cuando monóxido de carbono e hidrógeno reaccionan. Una corriente de alimentación fresca que contiene CO y H2 se une a una corriente de recirculación, y la corriente combinada se alimenta a un reactor. Una porción del metanol que sale del reactor se condensa y se hace recircular el CO y el H2 que no han reaccionado y el CH3OH que no ha condensado. La corriente que va del reactor al condensador tiene un caudal molar de 275 mol/min, y contiene 10,6% en peso de H2, 64% en peso de CO y 25,4% en peso de CH3OH. La fracción molar de metanol en la corriente de recirculación es de 0,004. Calcular: a) Caudal molar de CO y H2 en la alimentación fresca. b) Caudal molar de producción de metanol líquido. 14. La alimentación fresca en un proceso de producción de amoniaco contiene 24,75% en mol de nitrógeno, 74,25% en mol de hidrógeno y el resto de sustancias inertes (I).

La alimentación se combina con un caudal de recirculación que contiene las mismas especies, y el caudal combinado se alimenta al reactor donde se alcanza una conversión en una sola etapa del 25% de nitrógeno. Los productos pasan a través de un condensador, donde se separa el amoniaco mientras que los gases restantes se hacen recircular. Sin embargo, para evitar la acumulación de las sustancias inertes debe extraerse un caudal de purga. El caudal de recirculación contiene 12,5% en mol de inertes. Calcular: a) Conversión global de nitrógeno. b) Cociente (moles de gas de purga/moles de gas de recirculación). c) Cociente (moles de alimentación fresca/moles de alimentación al reactor).

15. La alimentación fresca a una unidad de síntesis de metanol contiene 32,0% en mol de CO, 64% en mol de H2 y el resto (4%) de N2 y fluye a una velocidad de 100 mol/h. La alimentación fresca se mezcla con una corriente de recirculación, cuyo caudal es 400 mol/h para producir una alimentación al reactor que contiene 13,0% en mol de N2. La corriente de producto que sale del condensador contiene sólo metanol líquido. Para evitar el aumento de N2 en el sistema, se extrae una corriente de purga de la corriente de gas que sale del condensador. Los gases no purgados constituyen la corriente de recirculación al reactor. Calcular: a) Caudal de producción de metanol (mol/h). b) Caudal molar y composición del gas de purga. c) Conversión global. d) Conversión en una etapa. 16. Se quema etano (C2H6) con un 50% de aire en exceso. El porcentaje de conversión del etano es del 90%; del etano quemado, el 25% reacciona para formar CO y el resto para formar CO2. Calcular: a) Composición del gas de combustión. b) Relación entre el gas de combustión húmedo y el seco. 17. Un gas de emisión contiene 60% en moles de CO2, 10% de O2 y el resto de H2O. Calcular la composición molar en base seca. 18. Mediante un análisis de Orsat se obtuvo la siguiente composición de un gas de combustión en base seca: 65% N2; 14% CO2; 11% CO; 10% O2. Las mediciones de humedad muestran que la fracción molar de H2O en el gas de emisión es de 0,007. Calcular la composición del gas de emisión en base húmeda. 19. Problema de examen. Diciembre 1998. Debido a los actuales bajos precios del petróleo, el proceso de acoplamiento oxidativo de metano (componente mayoritario del gas natural) para dar hidrocarburos superiores (etano y etileno) ha perdido gran parte de su interés. Considerar que en dicho proceso tienen lugar sólo las siguientes reacciones: 2CH4+1/2O2ÎC2H6+H2O C2H6+1/2O2ÎC2H4+H2O

C2H4+3O2Î2CO2+2H2O y que en el reactor catalítico a 800 ºC se alcanza una conversión de CH4 del 25%, con selectividades de CH4 a CO2, C2H6 y C2H4 de 25, 45 y 30%, respectivamente. Por otra parte, en la alimentación al reactor (corriente F2) la relación CH4/O2= 10/3, mientras que en la alimentación fresca (F1) las concentraciones en mol de CH4, O2 y N2 son 61,67; 37,60 y 0,73%, respectivamente. Determinar, para completar la tabla que se adjunta, los flujos de todos los componentes en las corrientes F1 a F8, tomando como base 100 mol de CH4 en F2 y suponiendo que la concentración de N2 en la purga es 4% en mol. Finalmente, en F4 no hay más que CO2 y H2O; en F5, C2H4 y C2H6; y en F6, CH4, O2 y N2.

Componente F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 CH4 100 O2 N2 CO2 C2H6 C2H4 H2O Total 20. Problema de examen. Marzo 1993. Por una modificación en un proceso de producción industrial de churros, se añade agua (A) a una fracción (40%) de la pasta base pura (B) utilizada, mezclando posteriormente esta masa diluida (C) con el resto de la pasta base (K) se obtiene la masa adecuada para la obtención de churros (D), que tiene una relación pasta pura/agua de 10:1. La masa se introduce en la freidora junto con aceite (F). Este aceite es mayoritariamente recirculado del propio proceso (R), en el que se extraen en continuo los churros y el aceite (G); el resto es aceite virgen (E) que se añade para mantener una relación aceite/masa de 10:1 en la entrada a la freidora. En el proceso de fritura se desnaturaliza (estropea) el 37,5% del aceite virgen presente, por lo que del aceite extraído en continuo (H) sólo se puede recircular una fracción (R/P) para evitar la acumulación de aceite desnaturalizado. Para que los churros no adquieran un mal sabor, el aceite que entra a la freidora (F) puede estar desnaturalizado en un 50% como máximo. Determinar:

a) Cantidad y composición de todas las corrientes involucradas en el proceso de fabricación de 100 kg de churros (I). b) Contenido en agua de la corriente C en base seca y en base húmeda.

21. Problema de examen. Febrero 1999. El metanol sintético es un producto de un gran interés industrial. Para su fabricación se utiliza hidrógeno y monóxido de carbono. Estas materias primas pueden proceder tanto de los gases provenientes de la gasificación de biomasa como de los gases provenientes de la oxidación parcial de combustibles líquidos. Un análisis típico de estos gases, en base seca, es: H2: 45,8%; CO: 46,2%; CO2: 5,0%; CH4: 0,6%; N2: 2,4% [composición en volumen]. Son necesarias modificaciones de este gas: - Se requiere una mezcla gaseosa llamada “gas de síntesis”, en la que el H2 y el CO presentes están en la relación de 2/1, mientras que en este gas de oxidación parcial la relación es de aproximadamente 1/1. - CH4, CO2 y N2 son considerados impurezas. Aunque el CH4 y el N2 no interfieren considerablemente en la síntesis de metanol, el CO2 si lo hace, por lo que se ha de eliminar. La requerida relación H2/CO= 2/1 se consigue haciendo reaccionar parte del gas de oxidación parcial y derivando (by-pass) el resto. En una primera etapa, parte del monóxido de carbono procedente del “gas de oxidación parcial” reacciona catalíticamente con vapor de agua de la alimentación: CO(g) + H2O (g) → H2 (g) + CO2 (g) La salida de esta etapa, cuya composición en gas seco contiene 1,6% en moles de CO, se mezcla con la corriente de by-pass consiguiendo así la relación H2/CO = 2/1. En una segunda etapa, la mezcla gaseosa obtenida se envía a la operación de eliminación del CO2 y H2O para obtener así el “gas de síntesis”. En una tercera etapa, el gas de síntesis produce metanol según la reacción: CO(g) + 2H2 (g) → CH3OH(g) Si el CO2 no se eliminara se produciría una reacción simultánea entre el H2 y el CO2, que consumiría H2 y a la vez formaría agua, que diluiría y perjudicaría el producto final. La reacción es: 3H2 (g) + CO2(g ) → CH3OH(g) + H2O (g) Se pide: a) El porcentaje del “gas de oxidación parcial” que se debe derivar (by-pass) para no ser tratado con vapor. b) Los moles de CO2 que se eliminarán del gas de síntesis bruto por 100 moles de “gas de oxidación parcial”. c) El porcentaje en moles de la impureza total que queda en el gas de síntesis seco después de eliminar el CO2.

22. Problema de examen. Septiembre 1998. Un gas de desperdicio de proceso (corriente 1) que contiene CH4, CO, CO2, H2S, O2 y N2 se quema con aire (corriente 2) según el esquema mostrado en la figura. Se analiza una muestra de 1.285 moles de gas a la salida del horno (corriente 3) y se encuentra que contiene 0.1 moles de CO2 y 0.08 moles de SO2. Debido a este alto contenido de SO2, se lava el gas de combustión con agua (corriente 4) en una torre de lavado. El gas lavado resultante (corriente 5) tiene un análisis en base seca de 1.0% de CO, 7.5% de CO2, 2.6% de O2 y 88.9% de N2, así como una fracción molar de agua de (1/11). El líquido de salida de la torre de lavado (corriente 6) contiene 2.5% de CO2, 8% de SO2 y el resto de H2O. Si se usa un 5% de aire en exceso sobre el estequiométrico (corriente 2) en el proceso de combustión, calcular la composición del gas de desperdicio (corriente 1). NOTAS: Todas las composiciones están dadas en fracción molar. Suponer que el aire contiene únicamente O2 y N2 con una proporción 21% O2, 79% N 2. Suponer que el CO que entra al horno con la corriente 1 actúa como inerte en la reacción de combustión. Suponer que la conversión de CH4 y H2S en el horno es completa.

23. Problema de examen. Junio 1999. El óxido de etileno se produce por medio de la oxidación catalítica de etileno. 2 C2H4 + O2 → 2 C2H4O Una reacción de competencia no deseada es la combustión del etileno: C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O La alimentación del reactor contiene 3 moles de etileno por cada mol de oxígeno. La conversión en una sola etapa del etileno es del 20%, y por cada 100 moles de etileno consumidos en el reactor salen 80 moles de óxido de etileno en los productos de reacción. Estos productos se separan posteriormente: el etileno y el oxígeno se hacen recircular y se mezclan con la alimentación fresca, el óxido de etileno se vende como un producto y el dióxido de carbono y el agua se desechan. Si se desea producir 1500 kg/h de óxido de etileno, calcular: a) Caudales molares y composiciones de todas las corrientes del proceso. b) La conversión global del etileno. Pesos Atómicos: C: 12; H: 1; O: 16 24. Problema de examen. Febrero 1998. Se desea producir benceno mediante la desalquilación de tolueno, siguiendo la reacción: C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4 Sin embargo, esta reacción catalítica ocurre acompañada de la reacción secundaria: 2C6H5CH3 + H2 → (C6H5)2 + 2CH4 que genera el subproducto indeseado bifenilo. Debido a esta reacción paralela, la conversión de tolueno debe mantenerse por debajo del 100% y deben efectuarse una serie de procesos de separación, con recirculación de los reactivos no utilizados tal y como se muestra en la figura. La alimentación al reactor (corriente 3) contiene 5 moles de H2 por mol de tolueno, y se alcanza una conversión total de tolueno del 75%. a) Suponiendo que la corriente de salida del reactor (corriente 6) contiene 5% de benceno y 2% de tolueno (en moles), calcular el caudal molar y composición de todas las corrientes del proceso por cada 100 kmoles/h de tolueno alimentado al reactor. b) Calcular el rendimiento y la selectividad a benceno y bifenilo.

25. Problema de examen. Julio 1999. Se desea obtener un producto químico R por reacción catalítica en fase gas entre A y B. Para ello, se introducen en el reactor las siguientes corrientes:

- Una corriente (F2), que contiene mayoritariamente el reactivo A, y que es la suma de F1 (alimentación fresca) y F8 (recirculación). El reactivo A que se introduce con la alimentación fresca (F1) proviene de otro proceso de síntesis, con lo que su pureza es del 93,7% (en moles)...