Problemas de Ingeniería Química Hoja 3.- Balances de Materia y Energía

Problemas de Ingeniería Química
Hoja 3.- Balances de Materia y Energía
1.- En el calderín de una columna de rectificación se vaporizan 650 kmoles/h de una mezcla que contiene de
10 % de benceno y 90 % de tolueno (en moles). La mezcla llega al calderín procedente del primer plato
de la columna a una temperatura 5ºC por debajo de la del calderín. Para suministrar la energía necesaria
se utiliza vapor de agua saturado a 1,4 atm. El calor latente de condensación del vapor de agua es -2230
kJ/kg. Determínese el caudal másico de vapor de agua necesario.
Datos: Calores latentes de vaporización (kJ/kg): Benceno: 390; Tolueno: 365. (Considérense constantes en el
intervalo de temperatura en que opera la columna). Calores específicos medios (kJ/kmol.ºC): Benceno: 138; Tolueno:
148,8.
Sol.: 9911,1 kg/h
2.- Una caldera utiliza metano como combustible. Al quemador se alimenta aire en un 15% de exceso sobre
el estequiométrico. El metano se alimenta a 25ºC y el aire a 100ºC. Los gases de combustión abandonan
la caldera a 500ºC. Determínese la cantidad de vapor de agua saturado a 20 atm (temperatura de
equilibrio, 213ºC) que se produce en la caldera si a la misma se alimenta agua a 80ºC.
Datos: Calor de combustión del metano (a 25ºC): -55600 kJ/kg. Calor latente de vaporización del agua a 20 atm:
1885 kJ/kg. Calores específicos medios en el intervalo de 25 a 500ºC (kJ/kg.ºC): CH 4: 2,19; O2: 1,04; N2: 1,09 ; CO2:
0,95. Para el calor específico del agua líquida tómese un valor de 4,18 kJ/kg.ºC y para el vapor de agua 1,96 kJ/kg.ºC
en todo el intervalo de temperaturas.Calor latente agua: 2382 kJ/kg.
Sol.: 26215,6 kg/100 kmoles de CH4
3.- Un procedimiento para obtener cianuro de hidrógeno consiste en tratar metano con amoniaco sobre un
catalizador de platino a 1250ºC. Los reactantes se alimentan al reactor a 400ºC y la corriente de salida del
mismo lo abandona a la temperatura de reacción, es decir, 1250ºC. El gas efluente del reactor está
constituido por:
HCN = 23,5%  NH3 = 3,4%  CH4 = 2,6%  H2 = 70,5%
Calcúlese:
a) La conversión, referida al reactante que se encuentra en defecto.
b) La razón molar CH4/NH3 utilizada.
c) El calor que hay que aportar al reactor por cada 100 kmoles de HCN producido.
Datos: Entalpías de formación a 25ºC (kcal/mol): CH4 =  17,89  NH3 =  10,96  HCN = 31,10
Calores específicos medios (kcal/kmol K): CH4 = 17,1  NH3 = 13,5  HCN = 11,9  H2 = 7,4
Sol.: a) 90,04%; b) 0,97 kmoles CH4/kmol NH3; c) 9351584 kcal
4.- Una fracción petrolífera pesada se alimenta a 260ºC a un reactor de craqueo que opera a 500ºC. Durante
el proceso se deposita coque en el catalizador de sílice-alúmina empleado. El reactor está conectado a un
horno al que se alimenta continuamente el catalizador para su regeneración. El catalizador se regenera
por combustión del coque, para lo que se utiliza aire a 20ºC, que se alimenta en un 10 % de exceso sobre
el estequiométrico. La cantidad de coque formado representa un 7 % en peso del aceite petrolífero
alimentado y a efectos de cálculos estequiométricos dicho coque se considerará constituido únicamente
por C. La combustión del coque en el regenerador se considera completa y para el calor de combustión
del mismo (a 20ºC) puede tomarse un valor de 8100 kcal/kg de coque. El catalizador regenerado se
devuelve de forma continua al reactor de craqueo, con lo que se aporta la energía necesaria para dicho
proceso de craqueo, el cual es endotérmico, con un calor de reacción (a 20ºC) de 300 kcal/kg de aceite
petrolífero craqueado. Determínese:
a) Temperatura a la que opera el regenerador.
b) Caudal volumétrico de aire empleado (c.n.).
c) Velocidad de circulación del catalizador (en kg de catalizador/kg de aceite petrolífero alimentado).
Datos: Calores específicos medios (kcal/kg.ºC): Aire: 0,26; Gases de combustión del regenerador: 0,25; Sólidos
(catalizador y coque): 0,24; Aceite petrolífero: 0,72; Productos de craqueo (globalmente): 0,70.
Sol.: a) 550,3ºC;
b) 684 l/kg aceite (c.n.); c) 37,1 kg cat./kg aceite
5.- En una instalación industrial se obtiene metanol por conversión catalítica de CO2 y H2, según la
reacción:
CO2 + 3 H2  CH3OH + H2O
Los gases de salida del convertidor pasan a un condensador donde se retiene el metanol y el agua,
mientras los gases residuales se recirculan al reactor, excepto una pequeña cantidad que se purga para
evitar que aumente la concentración de inertes (N2) en el sistema. La proporción de CO2 y H2 en la
alimentación es la estequiométrica y el contenido de gases inertes es de 0,5 moles/100 moles de CO2 +
H2. La conversión en el reactor es del 58%, siendo la concentración máxima admisible de inertes en los
gases de entrada al mismo de 4,5 moles/100 moles de CO2 + H2.
Determínese:
a) La proporción de gases purgados a la salida del condensador.
b) El caudal y la composición de la mezcla gaseosa a la entrada del reactor.
c) Establézcase el balance calorífico en el condensador, sabiendo que los gases entran al mismo a 325ºC
y salen a 25ºC. Como fluido refrigerante se utiliza agua, que entra a 15ºC y sale a 45ºC. La presión de
trabajo es de 20 atm.
Datos: Calores específicos medios (kJ/kg ºC): CO2: 0,95; H2: 14,2; N2: 1,09; H2O (vapor): 1,96; H2O (líquida): 4,18;
CH3OH (vapor): 1,96; CH3OH (líquido): 2,8. Calor latente del agua (Temp. Equilibrio del agua a 20 atm: 207 °C):
1885 kJ/kg; calor latente del metanol (Temp. Equilibrio del metanol a 20 atm: 167,8 °C): 765 kJ/kg.
Sol.: a) 6,7%;
b) 104,5 moles (CO2: 23,9%; H2: 71,8%; N2: 4,3%); c) 17950 kg agua
6.- Se desea mejorar un gas de síntesis aumentando su contenido en metano mediante la reacción:
CO + 3 H2

CH4 + H2O
El esquema del proceso se muestra en la Figura. La alimentación fresca contiene CO y H2, en relación
molar 1/3, y 0,5% CH4. El reactor opera adiabáticamente y la corriente gaseosa que abandona el mismo
se divide en dos: una de producto (P), con un 50% CH4 y un 12% CO, y otra (B) que se hace pasar a
través de un condensador para reducir su contenido en agua hasta el 1%, y se recircula al reactor. La
corriente de alimentación fresca, A, tiene un caudal de 100 kmoles/h. Calcúlese:
a) El caudal de las corrientes P, L y R.
b) La conversión en el reactor.
c) La temperatura de los gases a la salida del reactor, si a la entrada del mismo es de 212ºC.
Datos: Calores específicos medios (kJ/kmol ºC): CO = 29,56  H2 = 29,6  CH4 = 50  H2O (v) = 34,75
 H2O (l) = 75,24. Calor latente de vaporización H2O: 40630 kJ/kmol. Calor de reacción a 25ºC:  93571 kJ/kmol
CH4 (exot.).
Sol.: a) P: 40,9 kmoles; L: 19,2 kmoles; R: 1876,7 kmoles; b) 7,9%; c) 227,2ºC.
A
E (212ºC)
CO/H2 = 1/3
CH4 = 0,5%
S
P
REACTOR
B
R
CONDENSADOR
H2O (1%)
L
H2O
CH4 (50%)
CO (12%)
H2
H2 O