Problemario 2ø dep - 2009

PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
SEGUNDA EVALUACION
BALANCES DE MATERIA
CON REACCIÓN QUÍMICA
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
PROBLEMA 1.- En la reacción:
BaCl2 + Na2SO4 ⇒ BaSO4 + NaCl
a)
b)
c)
d)
¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para reaccionar con 5 g de sulfato de sodio?
¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para precipitar 5 g de sulfato de bario?
¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para producir 5 g de cloruro de sodio?
¿Cuántos gramos de sulfato de sodio se necesitan para precipitar 5 g de bario contenidos en el cloruro de
bario?
PROBLEMA 2.- En la reacción:
AgNO3 + NaCl ⇒ AgCl + NaNO3
a)
b)
c)
d)
¿Cuántos gramos de nitrato de plata harán falta para reaccionar con 5 gramos de NaCl?
¿Cuántos gramos de nitrato de plata se requieren para la precipitación de 5 g de cloruro de plata?
¿Cuántos gramos de nitrato de plata equivalen a 5 g de nitrato de sodio?
¿Cuántos gramos de cloruro de sodio se necesitan para precipitar 5 g de plata contenidos en el nitrato de
plata?
PROBLEMA 3.- Para la reacción en la cual el amoniaco se forma a partir de sus constituyentes atómicos,
determinar lo siguiente:
a) La reacción estequiométrica de N2 e H2
b) Los coeficientes estequiométricos de los reactivos y productos.
c) (moles de NH3 producidas)/(moles de N2consumidas).
d) (lb de H2 consumidas)/(lb mol de NH3 producidas).
e) Los kg mol de N2 e H2 que deben reaccionar para formar 150 kg mol de NH3.
f) Las lb de NH3 producidas y las lb de H2 consumidas si 20 lb de N2 reaccionan completamente.
PROBLEMA 4.- El fosgeno es muy famoso por haber sido el primer gas tóxico que se usó ofensivamente en
la primera guerra mundial, pero también tiene muchas aplicaciones en el procesamiento químico de una gran
cantidad de materiales. El fosgeno puede prepararse por medio de la reacción catalizada entre el CO y el Cl2
en presencia de un catalizador de carbono. La reacción química es:
CO + Cl2 ⇒ COCl2
Supóngase que se han determinado las siguientes cantidades del producto de la reacción: 3 lbmol de Cl2, 10
lbmol de fosgeno y 7 lbmol de CO. Calcular:
a) El porcentaje en exceso de reactante utilizado.
b) El grado de conversión de la reacción.
c) Las lbmol de fosgeno formada por lbmol de reactantes totales alimentadas al reactor.
PROBLEMA 5.- El sulfato de aluminio se utiliza en el tratamiento de agua y en muchos procesos químicos;
se puede preparar haciendo reaccionar bauxita triturada con ácido sulfúrico al 77% en peso. El mineral de
bauxita contiene 55.4% en peso de óxido de aluminio, siendo el resto impurezas. Si a un reactor la relación
másica de alimentación de ácido sulfúrico a bauxita es de 2.32 a 1.
a) Determinar el reactante en exceso.
b) Calcular el porcentaje en exceso.
c) Para una producción de 2 000 libras de sulfato de aluminio y una conversión del 99.56%, determine las
cantidades de bauxita y solución ácida alimentadas al reactor.
Reacción:
Al2O3 + H2SO4 ⇒ Al2(SO4)3 + 3 H2O
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Pesos moleculares de reactantes y productos:
Compuesto
óxido de aluminio
PM
101.9
ácido sulfúrico
98
SemII 2009
Sulfato de aluminio
342.1
Agua
18
PROBLEMA 6.- Con el fin de sintetizar 100 lbmol/h de amoniaco, se alimentan a un reactor N2 a 200 oF y 17
lb/pulg2 manométricas e H2 a 80 oF y 25 lb/pulg2 manométricas. Si la relación molar de H2 a N2 es de 3:1,
calcular los gastos volumétricos de estos gases en pie3/min.
Reacción:
N2 + H2 ⇒ NH3
PROBLEMA 7.- Un reactor de deshidrogenación se alimenta con etano a razón de 150 kmol/h. Los
productos de la reacción son acetileno e hidrógeno. Si se alcanza una conversión del 80%, calcular las
siguientes cantidades del producto gaseoso final.
a) El flujo molar total.
b) La relación entre las moles de hidrógeno y acetileno.
c) El peso molecular promedio.
d) El flujo másico de acetileno.
PROBLEMA 8.- La reacción entre el etileno y el bromuro de hidrógeno se efectúa en un reactor continuo. El
flujo de productos se analiza, y se encuentra que contiene 50% mol de C2H5Br, 33% mol de C2H4. La
alimentación del reactor contiene sólo etileno y bromuro de hidrógeno. Calcular:
a) La conversión del reactivo limitante.
b) El porcentaje en el que el otro reactivo se encuentra en exceso.
PROBLEMA 9.- En el proceso Deacon, para la fabricación de cloro, reaccionan HCl y O2 para formar Cl2 y
H2O. El reactor se alimenta con suficiente aire para proporcionar 25% de oxígeno en exceso. Si la conversión
del HCl es de 70%, calcular las fracciones molares de los componentes del flujo de salida del reactor.
PROBLEMA 10.- Bajo ciertas condiciones el N2 e H2 reaccionan de acuerdo a la siguiente ecuación.
N2 + H2 ⇒ NH3
Suponiendo que a un reactor se alimenta una mezcla que contiene 81.28%w de N2 y 18.72%w de H2
determinar:
a) Reactante limitante y reactante en exceso, % en exceso.
b) Si al reactor se introducen 10 lbmol de N2 y bajo las condiciones de operación (515°C y 3 atmósferas de
presión) se obtienen 38 lbmol de mezcla gaseosa, determine la conversión del N2 e H2.
PROBLEMA 11.- La mezcla diluida de un proceso de nitración contiene 23% en peso de HNO3, 57% de
H2SO4 y 20% de H2O. esta solución se va a concentrar para que contenga 27% en peso de HNO3, 60% de
H2SO4 y 13% de H2O, para ello se tiene H2SO4 al 93% en peso y HNO3 al 90% en peso.
a) Si se desean obtener 1 000 kg de mezcla ácida concentrada, ¿cuánto debe usarse de cada uno de los
componentes?
b) Si en lugar de H2SO4 al 93% en peso, se tuviese disponible una mezcla de 80% de H2SO4 y 20% de SO3,
¿qué cantidades se requerirán para obtener la misma mezcla concentrada?
PROBLEMA 12.- Los gases que entran a un reactor lo hacen en una relación de 4 moles de hidrógeno por
mol de nitrógeno. Los gases que salen del mismo, tienen una relación 5 moles de hidrógeno por mol de
nitrógeno. ¿Qué volumen de gases de entrada, medidos a 500 °C y 1 atmósfera, se requiere para producir 10
000 kg de NH3/día?
PROBLEMA 13.- Una mezcla gaseosa consistente en 50% de H2 y 50% de C2H4O se encuentra inicialmente
en un recipiente herméticamente cerrado a una presión total de 760 mm de Hg absolutos y ocurre la siguiente
reacción:
C2H4O + H2 ⇒ C2H6O
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SemII 2009
Después de cierto tiempo se observa que la presión total en el recipiente hermético a descendido a 700 mm de
Hg absolutos. Calcular el grado de conversión considerando lo siguiente:
a) Todos los reactantes y productos se encuentran en fase gaseosa.
b) El recipiente y su contenido estaban a la misma temperatura cuando se hicieron las mediciones de presión.
PROBLEMA 14.- El análisis de una piedra caliza es: carbonato de calcio 94.52% en peso, carbonato de
magnesio 4.16% en peso y material insoluble 1.32% en peso.
a) ¿Cuántas libras de óxido de calcio podrían obtenerse de 8 800 libras de piedra caliza?
b) ¿Cuántas libras de dióxido de carbono se desprenden?
Pesos moleculares de reactantes y productos.
MgCO3
Compuesto
CaCO3
PM
100
84.3
Reacciones:
CaO
56
CaCO3 ⇒ CaO + CO2
MgCO3 ⇒ MgO + CO2
MgO
40.3
CO2
44
(I)
(II)
PROBLEMA 15.- El bióxido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza con H2SO4 diluido
(12% en peso de ácido). La caliza usada en el proceso contiene CaCO3 y MgCO3, además de material
insoluble. El residuo del proceso tiene la siguiente composición: 8.56% en peso de CaSO4, 5.23% en peso de
MgSO4, 1.05% en peso de H2SO4, 0.53% en peso en inertes, 0.12% en peso de CO2 y 84.51% en peso de
H2O.
Durante el proceso se calienta la masa reaccionante desprendiéndose parte del CO2 y del H2O. Suponiendo
una conversión del 100%, calcular:
a) El análisis de la caliza.
b) El porcentaje en exceso de reactante usado.
c) La masa y el análisis de los gases que se desprendieron de la masa reaccionante por cada 1 000 kg de
caliza usada.
Las reacciones que se llevan a cabo son:
CaCO3 + H2SO4 ⇒ CaSO4 + CO2 + H2O
(I)
MgCO3 + H2SO4 ⇒ MgSO4 + CO2 + H2O
(II)
PROBLEMA 16.- El metano y el oxígeno reaccionan en presencia de un catalizador para producir
formaldehído. En una reacción paralela secundaria, una porción del metano se oxida para formar dióxido de
carbono y agua
(I)
CH4 + O2 ⇒ HCHO + H2O
CH4 + O2 ⇒ CO2 + H2O
(II)
La alimentación del reactor contiene cantidades equimolares de metano y oxígeno.
(a) La conversión del metano es de 95%, y se forman 0.9 moles de formaldehído por mol de metano
alimentado. Calcule la composición molar del flujo que sale del reactor y la relación de formaldehído
producido con respecto a dióxido de carbono producido.
(b) El flujo de salida del reactor contiene 45% mol de formaldehído, 1% de dióxido de carbono, 4% de
metano y el resto de oxígeno y agua. Calcule la conversión del metano, moles de formaldehído formado
por mol de metano alimentado y la relación de producción del formaldehído con respecto a la producción
de dióxido de carbono.
PROBLEMA 17.- El etano reacciona con cloro en un reactor continuo:
(I)
C2H6 + Cl2 ⇒ C2H5Cl + HCl
Una porción del monocloroetano reacciona con cloro en una reacción secundaria no deseada:
C2H5Cl + Cl2 ⇒ C2H4Cl2 + HCl
(II)
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SemII 2009
Supóngase que la conversión del etano es de 13%; y una relación de 13.3 moles de C2H5Cl/mol de C2H4Cl2, y
que el producto contiene una cantidad despreciable de cloro. Calcule los moles de todas las especies en el
flujo de productos por cada 100 moles de monocloroetano presente en éste flujo.
PROBLEMA 18.- El etanol se produce comercialmente por medio de la hidratación de etileno:
(I)
C2H4 + H2O ⇒ C2H5OH
Una parte del producto se convierte en dietil éter en la reacción secundaria
C2H5OH ⇒ (C2H5)2O + H2O
(II)
La alimentación a un reactor contiene etileno y vapor de agua en una relación molar 3:2 y 10% en mol de
sustancias inertes. La conversión del etileno es de 5%, y la selectividad de la producción de etanol con
respecto a la producción de éter es de 18.0 mol/mol. Calcule la composición molar del flujo de salida del
reactor.
PROBLEMA 19.- Una solución de carbonato de sodio con la siguiente composición: 0.59% en peso de
NaOH, 14.88% en peso de Na2CO3 y 84.53% en peso de H2O, se va a caustificar añadiéndole cal comercial
parcialmente apagada (la cal contiene como única impureza CaCO3). La masa obtenida de la caustificación
tiene la siguiente composición: 13.48% en peso de CaCO3, 0.28% en peso de Ca(OH)2, 0.61% en peso de
Na2CO3, 10.36% en peso de NaOH y 75.27% en peso de H2O. Calcular:
a) El peso de la solución de carbonato de sodio por 100 libras obtenidas.
b) El peso de cal cargada y su composición por 100 libras obtenidas.
c) El porcentaje en exceso de Na2CO3.
d) El grado de conversión.
(I)
CaO + H2O ⇒ Ca(OH)2
Ca(OH)2 + NaCO3 ⇒
NaOH + CaCO3
(II)
PROBLEMA 20.- El fluoruro de calcio sólido (CaF2) reacciona con ácido sulfúrico para formar sulfato de
calcio sólido y fluoruro de hidrógeno gaseoso. El HF se disuelve en agua para formar ácido fluorhídrico. El
mineral de fluorita es una fuente de fluoruro de calcio que contiene 96% en peso de CaF2 y 4% de SiO2.
En un proceso típico de fabricación de ácido fluorhídrico, se hace reaccionar fluorita con una disolución
acuosa de ácido sulfúrico al 93% en peso, suministrado al 15% en exceso de la cantidad estequiométrica. El
noventa y cinco por ciento de mineral se disuelve en el ácido, una parte del HF formado reacciona con el
sílice disuelto en la reacción.
HF + SiO2(aq) ⇒
H2SiF6(s) + 2 H2O(L)
El fluoruro de hidrógeno que sale del reactor se disuelve posteriormente en suficiente agua para producir
ácido fluorhídrico al 60%w. Calcule la cantidad de mineral de fluorita que se necesita para producir una
tonelada métrica de ácido.
PROBLEMA 21.- El dióxido de titanio (TiO2) se utiliza ampliamente como un pigmento blanco. Se produce
a partir de un mineral que contiene ilmenita (FeTiO3) y óxido férrico (Fe2O3). El mineral se trata con una
solución de ácido sulfúrico acuoso para producir una disolución acuosa de sulfato de titanilo [(TiO)SO4] y
sulfato ferroso (FeSO4). Se añade agua para hidrolizar el sulfato de titanilo a H2TiO3, que precipita y H2SO4.
Posteriormente se tuesta el precipitado separando el agua y dejando un residuo de dióxido de titanio puro. (En
esta descripción se han omitido varias etapas para extraer el fierro de las disoluciones intermedias como
sulfato de fierro.) Supóngase que un mineral contiene 24.3% en masa de Ti: se trata con una disolución al
80% de H2SO4, suministrada con un 50% de exceso respecto a la cantidad necesaria para convertir toda la
ilmenita en sulfato de titanilo, y todo el óxido férrico en sulfato férrico [Fe2(SO4)3]. Después suponemos que
realmente se descompone un 89% de la ilmenita. Calcular las masas (kg) de mineral y de disolución de ácido
sulfúrico al 80% que deben proporcionar, para producir 1 000 kg de TiO2 puro.
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
PROBLEMA 22.- Un gas contiene 5% en peso de C3H8, 5% en peso de C4H10, 16% en peso de O2, 38% en
peso de N2 y el resto de H2O. Calcule la composición molar de este gas sobre una base húmeda y sobre una
base seca, y el cociente (moles de H2O /moles de gas seco).
PROBLEMA 23.- A un horno se alimenta propano y aire seco en una proporción molar tal que, por cada
kmol de propano se introducen 35.7 kmol de aire seco. De un flujo de 120 kmol/h de propano, no todo se
quema y se forman CO y CO2. Si es posible sin información adicional, calcule el porcentaje de aire en exceso
suministrado al horno. Si se necesita mas información, establezca cual es ésta.
PROBLEMA 24.- Treinta libras de carbón (análisis: 80% carbono y 20% hidrógeno), se queman con 600
libras de aire para producir un gas con un análisis Orsat en el que la razón de CO2 a CO es de 3 a 2. ¿Qué
porcentaje de aire se usó?.
PROBLEMA 25.- Se quema carbono puro en oxígeno, el análisis del gas de chimenea es: CO2 75% mol, CO
14% mol, O2 11% mol. Mediante balances elementales, determine los flujos de carbono y oxígeno
alimentados y a continuación el %EO2 empleado.
PROBLEMA 26.- Un gas natural contiene 92% en mol de metano, 5% de etano y un 3% de propano.
Si 100 kmol/h de este combustible se queman por completo con 125% en exceso de aire, ¿cuál es la
alimentación de aire requerida?, ¿Cómo cambiaría la respuesta si la combustión sólo se efectuara con una
conversión de un 75%? Determine la composición en base húmeda y en base seca para ambas condiciones
PROBLEMA 27.- Se quema metano puro con aire fresco y los gases de combustión se pasan a través de un
aparato que elimina el vapor de agua por condensación. Los gases remanentes se analizan por el método
Orsat y se encuentra que contiene 9.999% mol de CO2, 0.526% mol de CO, 2.368% mol de O2 y 87.107%
mol de N2.
a) ¿Cuál es el reactante limitante?
b) ¿Cuál es el porcentaje en exceso?
c) ¿Cuántas moles de aire se usaron por mol de metano?
d) ¿Cuáles son los gramos de agua formados por mol de metano?
e) ¿Cuáles son los gramos de gases secos formados a la salida por mol de metano?
Reacciones:
CH4 + O2 ⇒ CO + H2O
CH4 + O2
⇒ CO2 + H2O
(I)
(II)
PROBLEMA 28.- Un gas tiene la siguiente composición en % volumen: 27% CO, 4% CO2, 1% O2 y 68% N2.
Este gas se quema con aire utilizando un 20% en exceso del O2 teórico requerido por la combustión completa.
Si la combustión se efectúa en un 90%, determinar la composición de los gases formados.
Reacción:
CO + O2 ⇒ CO2
PROBLEMA 29.- Se tiene una mezcla de 90% en mol de etano y 10% en mol de O2. Esta mezcla se quema
con 180% de exceso de aire; un 80% se transforma en CO2, 10% en CO y 10% permanece sin quemarse.
Calcule la composición de los gases de salida.
C2H6 + O2 ⇒ CO2 + H2O
C2H6 + O2 ⇒ CO + H2O
(I)
(II)
PROBLEMA 30.- 100 pie3/h de un gas que tiene la siguiente composición: 23 %mol de CO, 4.4% mol de
CO2, 2.4% mol de O2 y 70% de N2, se quema con un 20% en exceso del oxígeno teóricamente necesario. Para
la combustión completa de este gas medido a 70 oF y 750 mm de Hg , determinar:
a) El volumen de aire, medido a las mismas condiciones del gas.
b) La composición de los gases que salen del quemador, suponiendo combustión completa.
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
c) El gasto volumétrico de los gases de combustión a la temperatura de 600 oF y presión de 750 mm de Hg
Reacción:
CO + O2 ⇒ CO2
PROBLEMA 31.- Un combustible gaseoso húmedo, tiene la siguiente composición en % en volumen base
seca: CH4 80%, C2H6 6%, C3H8 4%, N2 8% y O2 2%. Este gas (se encuentra saturado con vapor de agua cuya
presión parcial es de 1.032 pulgadas de Hg) se mide a 80 °F y 29.92 pulgadas de Hg (14.7 lb/pulg2). Se
quema utilizando un 50% de exceso de aire, alimentado a 85 °F y 29.92 pulgadas de Hg. Si, la combustión es
completa y el gas de emisión sale del horno a 500 °F y 29.92 pulgadas de Hg, calcular el volumen de estos
para una alimentación de 100 pie3 de gas combustible húmedo.
Reacciones:
O2
⇒ CO2 + H2O
(I)
CH4 +
C2H6 +
O2 ⇒ CO2 + H2O
(II)
C3H8 +
O2
⇒ CO2 + H2O (III)
PROBLEMA 32.- Un aceite de combustible se analiza y contiene 87%w carbono, 11%w hidrógeno y 1.4%w
azufre, y materiales no combustibles. El aceite se quema con aire en un 20% en exceso, suponiendo que la
combustión es completa, es decir, el carbono se transforma en CO2, el hidrógeno en agua y el azufre en SO2.
El aceite se quema completamente, pero 5% de carbono forma CO. Calcule la composición molar de los gases
de emisión.
Aire
20% Exceso
79% N2
21% O2
2
100 Kg
87 %w C
11% w H
1.4 %w S
0.6%w inertes
1
HORNO
4
% CO2
%CO
% N2
% O2
% H2O
% SO2
3
Inertes
PROBLEMA 33.- A un reactor se alimenta una mezcla equimolar (1) de etano (C2H6) y vapor de agua, en la
que este último actúa como diluyente. Para una conversión del etano del 90%, se obtiene el siguiente análisis
molar del efluente del reactor (2): C2H4 = 28.521%, H2 = 28.521%, H2O = 35.211%, desconociéndose los
porcentajes de metano (CH4), propileno (C3H6) y etano (C2H6), pero se sabe que la relación molar de metano
a propileno en esta corriente es de 3 a 1. Para un flujo molar total del efluente del reactor de 142 mol/h,
determine los flujos individuales de todos los compuestos en las corrientes de entrada y salida del reactor.
(I)
C2H6 ⇒ C2H4 + H2
C2H6 + H2 ⇒ CH4
(II)
C2H4 + C2H6 ⇒ C3H6 + CH4
(III)
PROBLEMA 34.- Una reacción que tiene importancia industrial es la oxidación de etileno (C2H4) a óxido de
etileno (C2H4O):
C2H4 + O2 ⇒ C2H4O
(I)
La cual se lleva a cabo en un reactor catalítico, donde también ocurren las siguientes reacciones secundarias
(II)
C2H4 + O2 ⇒ CO2 + H2O
C2H4O + H2O ⇒ (CH2OH)2
(III)
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
El efluente del reactor (corriente 2) se analiza en un cromatógrafo equipado con un detector de conductividad
térmica. El reporte del análisis indica que la composición en porcentaje mol de C2H4 es 5.54%, O2 es 2.77%,
CO2 es 7.39%, H2O es 5.54%, desconociendo las composiciones de N2, C2H4O y (CH2OH)2, pero se sabe que
la relación molar de C2H4O a CO2 es 1:1. Calcule la conversión del etileno, la composición completa de la
corriente de alimentación (corriente 1, formada por etileno y aire) y la relación de óxido de etileno producido
a etileno alimentado.
PROBLEMA 35.- En el proceso ordinario para la fabricación de ácido nítrico, se hace reaccionar nitrato de
sodio con una solución de ácido sulfúrico al 95% en masa. Para que la pasta de nitro resultante pueda
fluidizarse, es necesario emplear ácido suficiente, de forma que haya un 34% de éste en la pasta final. Puede
suponerse que la pasta contiene 1.5% en masa de agua y que la reacción es completa. Además, considérese
que el 2% de ácido nítrico formado permanece en la pasta. Suponiendo que el nitrato de sodio utilizado es
puro y seco, calcular:
a) El peso y la composición de la pasta de nitro formada por 100 libras de nitrato de sodio.
b) El peso de solución ácida que ha de emplearse por 100 libras de nitrato de sodio cargado.
c) Los pesos de ácido nítrico y de vapor de agua separados de la pasta de nitro por 100 libras de nitrato de
sodio.
4
HNO3
Na2SO4
100 lb NaNO3
Reactor
1
95% H2SO4
5% H2O
3
HNO3
H2O
Separador
H2SO4
H2O
2
5
Pasta:
HNO3 2% del formado
H2SO4 34%
H2O 1.5%
Na2SO4
Reacción:
NaNO3 +
H2SO4 ⇒
Pesos moleculares de reactivos y productos:
H2SO4
Compuesto
NaNO3
PM
85
98
HNO3
+
HNO3
63
Na2SO4
Na2SO4
142
H2O
18
PROBLEMA 36.- Con el fin de sintetizar CH3OH, de acuerdo a la reacción:
CO + H2 ⇒ CH3OH
(I)
a un reactor se alimenta una mezcla de CO e H2 conteniendo un 100% en exceso de CO.
De acuerdo a las condiciones del proceso reacciona 65% del hidrógeno alimentado al reactor,
desafortunadamente sólo el 58% de esta cantidad, produce CH3OH, mientras que el resto, produce CH4 y H2O
según la reacción:
(II)
CO + H2 ⇒ CH4 + H2O
De acuerdo con el diagrama mostrado, y la información complementaria que contiene, determine los flujos
molares de todas las corrientes.
3
CO
H2
1
Reactor
2
CO
CH4
H2
Separador
4
CH3OH 150 kmol/día
H2O
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
PROBLEMA 37.- Un gas natural contiene 4 lbmol de CH4 por cada lbmol de N2. Este gas se quema en una
caldera y la mayor parte del CO2 se utiliza en la producción de hielo seco, por lo cual se separa para eliminar
el gas de chimenea. El análisis del gas de salida del separador es 1.2% CO2, 4.9% O2 y 93.9% N2. Calcular:
a) El porcentaje de CO2 absorbido.
b) El porcentaje en exceso de O2.
CO2
CO2 1.2%
CH4
H
2O
O2 4.9%
Quemador
4
Separador
1
3
N2
93.9%
N
2
O
2
21% O2
79% N2
N2
2
5
H2O
CO2 absorbido
aire
CH4 +
Reacción:
O2 ⇒ CO2 +
H 2O
PROBLEMA 38.- Se quema azufre puro con aire utilizando un 20% en exceso del teórico requerido para que
todo el azufre se oxide a SO3, pero inicialmente lo hace el 40%, permaneciendo el resto como SO2.
a) ¿Cuál es el análisis de la mezcla gaseosa resultante?
b) Los gases que salen del horno se pasan a un convertidor sin agregar algún material. Suponiendo que los
gases a la salida del convertidor tienen un 5% en mol de O2, ¿cuál será la relación de moles de SO3 por
mol de SO2 en dichos gases?
20% exceso de aire
21% O2
79% N2
2
S
1
Horno
SO2
SO3
3 O
2
N2
⇒ SO2
S + O2
S + O2 ⇒ SO3
Reacciones en el horno:
Conv
4
SO2
SO3
O2 5%
N2
(I)
(II)
PROBLEMA 39.- En una planta de ácido sulfúrico por el método de contacto, se quema azufre puro en un
horno con aire para formar SO2. Los productos de la combustión pasan a un convertidor de alta temperatura,
en donde parte del SO2 pasa a SO3. Posteriormente, los gases se enfrían y se mandan a un segundo
convertidor, en donde se lleva a cabo la oxidación de SO2 a baja temperatura, la que es más favorable. Los
gases que salen del primer convertidor contienen 2.2% mol de SO2 y los gases que salen del segundo
convertidor contienen 0.1% mol de SO2 y 9.3% de O2.
a) ¿Qué porcentaje del SO2 se convirtió a SO3 en el segundo convertidor?
b) ¿Qué porcentaje en exceso de oxígeno se usó en el horno, si, se considera al O2 teórico como el requerido
para que todo el azufre se oxide a SO3?
21% O2
79% N2
S
1
2
Horno
3
SO2
O2
N2
Conv 1
2.2% SO2
SO3
4
O2
N2
Conv 2
SO2 0.1%
SO3
5
O2 9.3 %
N2
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
30
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Reacciónes:
S
+
SO2 +
O2 ⇒ SO2
O2 ⇒ SO3
SemII 2009
(I)
(II)
PROBLEMA 40.- Se hace pasar etileno (C2H4) y aire sobre un catalizador a 250 °C para formar óxido de
etileno (C2H4O). La mezcla se enfría y se pasa a través de agua, el óxido de etileno reacciona con el agua para
formar etilenglicol (CH2OH)2.
En una prueba, una mezcla formada por 5% mol de etileno y 95% mol de aire, entra a un reactor catalítico;
parte del etileno no reacciona, parte forma óxido de etileno y parte se oxida completamente para formar CO2
y H2O. La mezcla gaseosa que sale del reactor pasa directamente al sistema de absorción, donde se pone en
contacto con el agua. Los gases que salen del absorbedor contienen todo el N2, el C2H4 que no reacciona, el
O2 que no se usó, el CO2 formado y salen saturados con vapor de agua cuya presión parcial es de 15.4 mm de
Hg cuando la presión total es de 730 mm Hg. El análisis Orsat de los gases que salen del absorbedor reporta:
etileno 1.075% mol, N2 80.7% mol, CO2 4.3% mol, O2 13.925% mol. Si, al absorbedor se alimenta una mol
de agua líquida por cada 100 moles de mezcla que se alimentan al reactor. ¿Cuál es la composición en % mol
del producto formado etilenglicol-agua?
H2O
5% C2H4
95% aire
T = 250 °C
C2H4
C2H4O
CO2
Reactor
1
2
H2O
N2
O2
PT = 730 mm Hg
3
Gas seco
Absorbedor
4
C2H4 1.075%
CO2 4.3%
N2 80.7%
O2 13.925
5
PH2O = 15.4 mm Hg
Etilenglicol-agua
Reacciones del catalizador:
Reacción en el absorbedor
C2H4
C2H4
+
+
O2
O2
⇒
⇒
C2H4O
+
H2O
⇒
C2H4O
CO2
+
(I)
(II)
H2O
(CH2OH)2
(III)
PROBLEMA 41.- La mezcla estequiométrica de H2 y N2 para la síntesis de amoniaco, se prepara mezclando
“gas de productor” (78% N2, 20% CO, 2% CO2), con una mezcla equimolar de CO e H2. El monóxido de
carbono que actúa como veneno del catalizador de síntesis (del amoniaco), se elimina haciendo reaccionar
estas mezclas de gases con vapor de agua para formar CO2 e H2 mediante la reacción
CO + H2O ⇒ CO2 + H2
Esta reacción se efectúa generalmente en dos lechos catalíticos como se muestra en el diagrama. La corriente
de producto del proceso (5) debe contener H2 y N2 en una proporción molar de 3 a 1.
Si se ajusta el flujo molar de vapor de agua de tal manera que sea el doble del flujo molar total de gases secos
(corrientes 1 y 2), y si la conversión del CO en el primer reactor es del 80%, calcular la composición de la
corriente 4.
H2
CO
2
Gas de productor
N2 78%
1
CO 20%
CO2 2%
Reactor 1
Vapor de agua
Sobrecalentado
4
Reactor 2
5
N2
H2
CO2
H 2O
3
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
31
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
PROBLEMA 42.- Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído a partir de metanol por medio de
la reacción:
CH3OH ⇒ HCHO + H2
En el reactor se alcanza una conversión del 70%. El metanol que sale del reactor se separa del formaldehído y
del hidrógeno en un proceso de varias unidades. Si, la producción del formaldehído es de 600 kg/h, Calcule la
alimentación de metanol (mol/h) que requiere el proceso para los siguientes dos casos.
(a) Cuando no hay recirculación.
(b) El metanol recuperado se hace recircular al reactor.
PROBLEMA 43.- Se va a producir ácido acético por la adición de 10% de exceso de H2SO4. La reacción:
Ca(Ac)2 + H2SO4 ⇒ CaSO4 + 2 HAc
se efectúa en un 90%. El CaSO4 y el H2SO4 sin reaccionar se separan de los productos de la reacción y el
exceso de Ca(Ac)2 se recircula. El acético se separa de los productos.
Determinar la cantidad de material recirculado en base a 1 000 libras de Ca(Ac)2 alimentado por hora, así
como las libras de ácido acético producidas por hora.
H2SO4
2
1 000 lb/h
Ca(Ac)2
1
Reactor
3
4
6
Separador
7
8
5
HAc
H2SO4
CaSO4
Ca(Ac)2
PROBLEMA 44.- El metanol se produce mediante la reacción de monóxido de carbono e hidrógeno. Un flujo
de alimentación fresca que contiene CO e H2 se mezcla con un flujo de recirculación, y el flujo resultante se
alimenta un reactor. La corriente que sale del reactor entra a un condensador parcial donde se condesa parte
del metanol que sale del reactor; el CO, H2 y CH3OH no condensados se recirculan. La corriente que sale del
reactor fluye a una velocidad de 275 mol/min y contiene 10.6% en masa de H2, 64.0% en masa de CO y
25.4% en masa de CH3OH. Si la fracción mol de metanol en el flujo de recirculación es de 0.004, determine
el reactivo en exceso, calcule los de flujos molares del CO y del H2, la razón molar de CO a H2 en la
alimentación fresca así como la velocidad de producción del metanol líquido.
PROBLEMA 45.- En la producción de NH3, la relación molar entre el N2 e H2 en la alimentación, así como
en todo el proceso es de 1 mol de N2 a 3 de H2. De la carga a la entrada del reactor, el 25% se transforma en
NH3, el NH3 producido se condensa y se elimina completamente en un separador, mientras que el N2 y el H2
que no reaccionaron se recirculan para mezclarse con la carga de alimentación del proceso. ¿Cuál es la
relación de libras de recirculación por libra de carga alimentada?
4
N2
=3
H2
Reacción:
H2, N2
H2
1
2
Reactor
N2
+
N2
NH3
H2
3
⇒
Separador
5
NH3
NH3
PROBLEMA 46.- En un convertidor se obtiene amoniaco por síntesis directa, operando en las siguientes
condiciones:
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
32
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
A la entrada del convertidor se tiene una mezcla de H2 y N2 en proporción estequiométrica; en dicha mezcla
se encuentra material inerte, de tal manera que el volumen de éste, es el 10% del volumen total de H2 y N2. En
el reactor se obtiene una conversión por paso del 10%. El amoniaco formado se separa del sistema y se
purgan parte de los gases sin convertir antes de recircularlos al reactor.
Si la alimentación fresca tiene la siguiente composición: 24.7% mol N2, 1.3% mol inertes y 74% mol H2,
determine, el porcentaje de recirculación.
6
7
5
1
Convertidor
2
Reacción en el convertidor:
+
N2
Separador
3
⇒
H2
4
NH3
PROBLEMA 47.- 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 flujo de recirculación que contiene las mismas especies, y el flujo 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 esencialmente amoniaco mientras que los gases restantes se hacen recircular.
Sin embargo, para evitar el aumento de las sustancias inertes, debe extraerse un flujo de purgado. El flujo de
recirculación contiene 12.5% en mol de inertes. Calcule la conversión global de nitrógeno, el cociente (moles
de gas purgadas/moles de gas que salen del condensador), y el cociente (moles de alimentación fresca/moles
que alimentan el reactor).
6
7
N2, H2, I
5
N 2, H 2, I
1
2
3
Reactor
Condensador
4
NH3
PROBLEMA 48.- La alimentación fresca a una unidad de síntesis de metanol contiene 32% en mol de CO,
64% de H2 y 4% de N2 y fluye a una velocidad de 100 moles/h. La alimentación fresca se mezcla con un flujo
de recirculación que fluye a una velocidad de 4 000 moles/h para producir una alimentación al reactor que
contiene 13% mol de N2. El flujo de producto que sale del condensador contiene sólo metanol líquido. Para
evitar el aumento de nitrógeno en el sistema, se extrae un flujo de purgado del gas que sale del condensador.
Los gases no purgados constituyen el flujo de recirculación del reactor. Calcule la producción del metanol
(mol/h), el flujo molar y la composición del gas de purgado, así como la conversión global y por paso.
PROBLEMA 49.- El formaldehído se forma a partir de la oxidación parcial de metanol:
CH3OH
+
O2
⇒
CH2O
+
H 2O
La mezcla gaseosa alimentada al reactor contiene 8% mol de metanol y 10% mol de O2 (corriente 4).
El metanol se convierte completamente a formaldehído en el reactor. Calcular las lbmol/h de las corrientes 1,
2, 3, 4 y 5 necesarias para producir 3 000 lb/h de solución de formaldehído al 37% peso.
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
33
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
aire
1
8
3
Gas recirculado
SemII 2009
O2 + N2
7
10
2
metanol
Reactor
4
6
8% metanol
10% O2
t
o
r
r
e
5
9
H2O
3 000 lb/h de sol’n
formaldehído
al 37% peso
PROBLEMA 50.- Puede producirse ácido acético mediante la reacción
C2H5OH + Na2Cr2O7 + H2SO4 ⇒ CH3COOH + Cr2(SO4)3 + Na2SO4 + H2O
En el proceso se obtiene una conversión global de C2H5OH del 90%, con un flujo molar de recirculación
igual al flujo molar de alimentación de C2H5OH fresco. Los flujos de alimentación de H2SO4 y Na2Cr2O7,
frescos son 20% y 10% respectivamente, en exceso sobre las cantidades teóricas requeridas para la
alimentación fresca de C2H5OH. Si la corriente de recirculación contiene 94% mol de H2SO4 y el resto
C2H5OH, calcule los flujos molares de las corrientes 5 y 7 para 100 moles de C2H5OH/h alimentados al
sistema, y la conversión por paso de C2H5OH.
H2SO4
Na2Cr2O7
Äcido acético
6
2
1
Reactor
4
5
Separador
7
C2H5OH
Recirculación
3
Cr2(SO4)3
Na2SO4
H2O
Na2Cr2O7
C2H5OH
H2SO4
PROBLEMA 51.- El óxido de etileno C2H4O, se obtiene por reacción catalítica entre el etileno (C2H4) y el
oxígeno. La alimentación al reactor está formada por 40% de etileno y 60% de oxígeno. El análisis reporta
que el 48% del etileno que entra al reactor se consume y de éste, el 65% forma óxido de etileno, el resto se
oxida a CO2 y H2O. El etileno que no reacciona se separa y se recircula. Si se desean obtener 20 ton/día de
óxido de etileno. ¿Qué volumen debe alimentarse en m3/min de C2H4 fresco medido a 800 mm Hg y 127 oC?.
¿Qué volumen a las mismas condiciones de presión y temperatura se desprende a la salida del reactor en la
corriente 6?
Las reacciones que se efectúan son:
+
O2
⇒
C2H4O
65%
(I)
C2H4
C2H4
+
O2
⇒
CO2
+
H2O
35%
(II)
5
P = 800 mm Hg
t = 127 C
1
C2H4
3
2
O2
40% C2H4
60% O2
C2H4
20 ton/día C2H4O
C2H4
CO2
Reactor
4 H2O
O2
6
O2
CO2
H2O
C2H4O
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
34
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
PROBLEMA 52.-El óxido de etileno se produce por medio de la oxidación catalítica del etileno.
C2H4 + O2 ⇒ C2H4O
Una reacción de competencia no deseada es la combustión del etileno:
C2H4 + O2 ⇒ 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 20%, y por cada 100 moles de etileno consumidos en el reactor salen 80 moles de óxido
de etileno en los productos del reactor. Se utiliza un proceso de varias unidades para separar los productos: el
etileno y el oxígeno se hacen recircular al reactor, el óxido de etileno se vende como un producto, y el
dióxido de carbono y el agua se desechan. Calcule los flujos molares de etileno y oxígeno en la alimentación
fresca requeridospara producir 1 500 kg de C2H4O/h, y la conversión global del etileno.
PROBLEMA 53.- Una calcita que contiene 95% en peso de CaCO3 y 5% de SiO2 se va a calcinar de acuerdo
al diagrama. El calor para la reacción se suministra por un horno que quema carbón. Los gases calientes que
salen del horno A contienen 5% mol de CO2 y los gases que salen del horno B contienen 8.65% mol de CO2.
Con el fin de aprovechar parte del calor sensible de estos gases, cierta cantidad de ellos se recirculan y la
mezcla formada contiene 7% mol de CO2. Calcular:
a) Las libras de CaO obtenidas por libra de carbón quemado.
b) La relación de libras de gases recirculados por gases no recirculados.
calcita
CO2 5%
O2
N2
aire
1
Horno A
CO2 7%
O2
N2
3
5
Horno B
4
2
6
carbón
CO2 8.65%
O2
N2
Reacción en el horno A:
C
+
Reacción en el horno B:
CaCO3
O2
⇒
⇒
CO2
CO2
+
CO2 8.65%
O2
N2
7
SiO2
CaO
9
CO2 8.65%
O2
N2
8
(I)
CaO
(II)
PROBLEMA 54.- El metano reacciona con cloro para producir cloruro de metilo y cloruro de hidrógeno.
CH4 + Cl2 ⇒ CH3Cl + HCl
Una vez que se ha formado, el cloruro de metilo puede clorarse para formar cloruro de metileno (CH2Cl2),
cloroformo (CHCl3) y tetracloruro de carbono ( CCl4).
En un proceso de producción de cloruro de metilo, un reactor se alimenta con metano y cloro en una relación
molar de 5:1. (Esta relación se mantiene mediante alta para minimizar la polisustitución.) Se puede suponer
que se alcanza una conversión del cloro del 100% en una sola etapa. El cociente entre las moles de CH3Cl y
las moles de CH2Cl2 en el producto es de 4:1, y se producen cantidades despreciables de cloroformo y
tetracloruro de carbono. El producto gaseoso se enfría, condensando CH3Cl y CH2Cl2, que se separan
posteriormente en una columna de destilación. El gas que sale del condensador se manda a una torre de
absorción, donde se absorbe HCl. El gas que sale de la torre, que puede considerarse como metano puro, se
retorna para mezclarse con la alimentación fresca y la mezcla resultante al reactor.
Para una velocidad de producción de 1 000 kg de CH3Cl/h, calcule:
(a) El flujo y la composición molar de la alimentación fresca.
(b) La cantidad que debe eliminarse de HCl en la torre.
(c) La recirculación.
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
35
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
6
N6 = ?
CH4
Absorbedor
CH4
Cl2
1
2
Composición = ?
Reactor
4
Enfriador
5
n CH4, 2
n Cl2, 2
N7 = ?
HCl
7
=5
8
9
1 000 kg de CH3Cl/h
Destilador
n CH3Cl, 9
n CH2Cl2, 10
=4
CH2Cl2
10
PROBLEMA 55.- Se desea obtener isobutileno (C4H8), -materia prima para la elaboración de gasolinas de
alto octano- por deshidrogenación de isobutano (C4H10) en un proceso como el que se muestra en el siguiente
diagrama; sin embargo, debido a las condiciones de operación del reactor, ocurre también una reacción
secundaria no deseada, conocida como hidrogenólisis, en la cual se produce C3H8 y CH4. Con la información
del diagrama (las composiciones están en fracción molar), calcule la conversión por paso, la relación de
moles de isobutileno producidas (corriente 7) a moles de alimentación fresca (1), así como, la composición
del H2 en la corriente (6) de salida de la unidad de separación
C4H10
C4H10
C4H8
7
Sistema de purificación
2
1
C4H8 20%
CH4
C4H10
C4H8
3
CH4
C4H10 30%
C4H8
R
E
A
C
T
O
R
5
6
C3H8 10%
CH4
H2
Unidad de
separación
por membranas
C4H10 17.143%
C4H8
C3H8
4
CH4
H2
Reacción de deshidrogenación:
C4H10 ⇒ C4H8 + H2
Reacción de hidrogenólisis:
C4H10 + H2 ⇒ C3H8 + CH4
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
36
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
ANEXO DEL SEGUNDO PROBLEMARIO
Un combustible formado por C4H8 y H2S se quema con una mezcla de O2 y N2 (de composición
desconocida). El análisis Orsat reporta que la composición de los gases de emisión es 0.3% de C4H8, 0.59%
de SO2, 21.14% de CO2, 1.1.7% de CO, 20.41% de O2 y 56.39% de N2. Determine la composición del
combustible, así como la composición de la mezcla (O2-N2) empleada.
C4H8
H2S
Quemador
1
2
Mezcla O2
N2
Respuestas: xnH2S, 1 = 0.09122
3
xnC4H8, 1 = 0.90878:
0.3% C4H8
0.59% SO2
21.14% CO2
1.17% CO
20.41% O2
56.39% N2
xnN2, 2 = 0.51
xnO2, 2 = 0.49
A un horno se alimentan aire en exceso y 100 moles/h de metano. El análisis Orsat de la oxidación
de este compuesto se muestra en el diagrama. Determine el porcentaje en exceso en que se alimenta
el aire, el porcentaje del metano alimentado que se oxida a CO2, el porcentaje del metano
alimentado que se oxida a CO, el porcentaje de metano que no reacciona y el gasto volumétrico del
gas húmedo que sale del horno, si éste sale a una temperatura de 1,400°C y 1 atm de presión.
100 moles/h
CH4
CH4 0.896 %n
CO 0.896 %n
CO2 7.172 %n
N2 84.312 %n
O2 6.724 %n
Análisis Orsat
Horno
1
3
2
H2O
21% O2
79% N2
Aire en
exceso
Respuestas: %EO2 = 25: %CH4→CO = 10: %CH4 sin reaccionar = 10: V3 = 177,735
Se produce metanol haciendo reaccionar CO con H2. Una porción del metanol que abandona el reactor
condensa, y se recirculan completamente al reactor el CO e H2 sin consumir, así como el CH3OH sin
condensar. La corriente de salida del reactor es de 275 moles/min y contiene 9.51% peso de H2, 66.59% peso
de CO y 23.9% peso de CH3OH. La fracción mol del metanol en la corriente de recirculación es de 0.01.
Calcular:
a) La composición de la corriente fresca. R: %nCO, 1 = 33.33, %nH2, 1 = 66.67%
b) El flujo molar de la corriente producto. R: 23.53
c) La conversión por paso. R: 22.1%
2
Alimentación
fresca
1
CO, H2
275 mol/min
3
4
R
CO
+ 2 H2
⇒
Condensador
5
Producto
CH3OH
CH3OH
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
37
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
En un sistema con recirculación, que se muestra en el diagrama adjunto, se lleva a cabo la siguiente
reacción química:
A + B ⇒ C
La conversión de A en el reactor es del 20%. El efluente del reactor se alimenta a un separador del
cual resulta que la corriente de recirculación contiene un 80% del A y 90% del B alimentado al
separador.
2
Alimentación
fresca
A 30% mol
B 70% mol
1
3
A
B
R
4
Separador
5
Producto
A
B
C 100 mol/h
Proceda a efectuar los balances y cálculos pertinentes para elegir el inciso correcto
(SUGERENCIA: CONTESTE EN EL ORDEN EN QUE SE PIDEN LOS RESULTADOS).
1. La cantidad de A que reacciona en mol/h (nA reaccionan) es:
a) 125
b) 75
c) 150
d) 100
2. El flujo molar de A alimentado al reactor en mol/h (nA, 3) es
a) 625
b) 187.5
c) 600
d) 500
3. La fracción molar de B en la corriente producto (xn B, 5) es:
a) 0.64
b) 0.4
c) 0.61
d) 0.4667
4. El flujo molar de B recirculado en mol/h (nB, 2) es
a) 2,880
b) 1,350
c) 1,372.5
d) 1,890
5. La conversión global de A es:
a) 62.5
b) 55.56
c) 56.85
d) 76.92
6. La fracción molar de A a la salida del reactor (xn A, 4) es
a) 0.0657
b) 0.2353
c) 0.1081
d) 0.1667
A partir de la información proporcionada en el siguiente diagrama simplificado de producción de
NH3, en el que la corriente 7 es el 5% de la corriente 5, la relación molar de Ar a NH3 de la
corriente 4 es de 1 a 99, el Ar en esta corriente es el 95% del Ar fresco. La razón molar de NH3 a Ar
en la corriente de purga es de 25 a 1. Para un flujo molar total de 47 mol/h en (4), responda las
siguientes preguntas.
Purga
Recirculación
N2
6
7
Alimentación
fresca
N2 24%n
H2 75.601%n 1
Ar 0.399%n
H2
NH3
Ar
5
Producto
2
3
Separador
4
NH3
Ar
Efectúe los balances y cálculos correspondientes para elegir sólo una de las 4 opciones
presentadas (NO ANOTE NINGÚN OTRO VALOR)
1) El flujo molar del Ar en la corriente fresca (nAr, 1) es
a) 2.056
b) 3.87
c) 3.99
d) 0.4947
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
38
PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
SemII 2009
2) La fracción molar del NH3 en la corriente de producto (xnNH3, 4) es:
a) 0.3393,
b) 0.1132,
c) 0.0258
d) 0.99
3) El flujo molar total de la corriente de purga (N7) es:
a) 29.84,
b) 181.3,
c) 312.4
d) 692.27
4) La conversión global es:
a) 39.15
b) 79.22
c) 68.33
d) 70.57
5) La fracción molar del Ar en la corriente de recirculación (xnAr, 7) es:
a) 0.0006
b) 0.0018
c) 0.0008
d) 0.0022
6) La fracción molar del H2 en la corriente de recirculación (xnH2, 7) es:
a) 0.7696,
b) 0.7712,
c) 0.7484,
d) 0.7495
7) La conversión por paso es:
a) 8.8,
b) 23.06,
c) 16.01
d) 17.74
8) La fracción molar del Ar en la corriente que alimenta al reactor (xnAr, 2) es:
a) 0.0025,
b) 0.0026,
c) 0.0013
d) 0.0014
|
Se convierte C6H6 a C6H12 por adición directa de H2. Si la planta produce 150 kmol/h de C6H12 y el 99% del
C6H6 alimentado al proceso reacciona para producir C6H12 y la composición de entrada al reactor es de 80%
mol de H2 y 20% mol de C6H6, calcular el flujo de recirculación y la conversión por paso del C6H6.
Suponga que la relación molar de hidrógeno a benceno de las corrientes 5 y 6 es la misma.
C6H6
H2
5
C6H6
3
1
R
4
2
Separador
6
H2
Respuestas: 740.43 kmol/h,
C6H12 150 kmol/h
H2 5% mol
C6H6
55.6%
Para la producción de cloruro de vinilo (C2H3Cl), compuesto empleado en la fabricación de cloruro
de polivinilo PVC, se hace reaccionar acetileno y cloruro de hidrógeno de acuerdo a la siguiente
reacción:
C2H2(g) + HCl(g) ⇒ C2H3Cl(g)
(I)
Sin embargo ocurre la reacción secundaria
(II)
C2H3Cl(g) + HCl(g) ⇒ C2H4Cl2(g)
Conforme a la información proporcionada en el diagrama, para una conversión global del 97% y
una conversión por paso del acetileno del 46.154%, determine:
a) La composición de la alimentación fresca, R: xn C2H2, 1 = 0.4695, xn HCl, 1 = 0.5305
b) la composición de la alimentación al reactor, R: xn C2H2, 4 = 0.485, xn HCl, 4 = 0.515
c) el porcentaje que se recircula de la corriente 7.
R: 97.3%
Nota : el exceso del HCl es con respecto al acetileno fresco.
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
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PROBLEMARIO DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
1
C2H2
HCl 13% Exc
SemII 2009
8
9
2
4
3
C2H3Cl
C2H2
HCl
7
C2H3Cl
Unidad de
Separación I
C2H2
HCl
25°C
R
Unidad de
Separación II
5
C2H2
35%n
HCl
35%n
C2H3Cl 26%n
C2H4Cl2 4%n
6
C2H4Cl2
Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita y curvisa .
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