UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE COAHUILA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Titular: Lucero Rosales Marines BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA INGENIERO QUÍMICO Cuadernillo de Trabajo Alumno: _______________________________________________________________________ Modulo: 667119 AGOSTO -‐ DICIEMBRE 2013 SALTILLO; COAHUILA Unidad II BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA Preguntas: 1. ¿Cuál es la diferencia de un sistema estacionario y un sistema dinámico? 2. De manera general, ¿cual cree usted es el procedimiento a seguir para abordar y comenzar a resolver un problema de balance de materia?, ¿Cuál sería la secuencia de pasos que usted haría? 3. ¿En qué consiste la acumulación en un sistema?, cite tres ejemplos. 4. Explique la importancia de un análisis de grados de libertad antes de tratar de resolver un problema de Balances de Materia. 5. Expliquen al menos tres motivos del porque es importante usar la recirculación en un proceso químico. 6. ¿Qué uso e importancia tienen las reacciones de combustión y porque en su mayoría hacen referencia de O2 en exceso? 7. ¿Qué es un gas de chimenea? 8. ¿Qué es lo que se ve afectado en caso de que se llegue a realizar cálculos y operaciones sin tomar en cuenta la estequiometria de la reacción? 9. ¿Por qué es importante que algunos procesos deban tener una corriente de purgado? 10. ¿Cuál es la diferencia entre derivación y purgado en un proceso? 11. ¿Qué es una una conversión fraccional global y una conversión fraccional en una sola pasada? 2.1. Balances de Materia sin Reacción Química 1. Con el objeto de preparar una disolución de ácido sulfúrico al 50.0%, un acido diluido de desecho de desecho que contiene 28.0% de H2SO4, se mezcla con un ácido comprado que contiene 96.0% de H2SO4 ¿Cuántos kilogramos del ácido concentrado será necesario adquirir por cada 100kg de ácido diluido? 2. Un secador admite madera mojada (30.5% agua) y reduce el contenido de agua al 5.6%. Queremos determinar los kg de agua eliminados por kg de madera que ingresa en el proceso. Haga un dibujo del proceso, coloque los datos en la figura, determine el número de variables cuyos valores se desconocen y el número de ecuaciones independientes que es posible escribir para el proceso, calcule los grados de libertad, escoja una base de cálculo (en caso de ser necesario), ¿Puede haber una solución única? 00/100 lb. b. carbono 88. calcule: a) La cantidad de agua que se agrega antes de enfriar. El jugo de naranja fresco consiste generalmente en 12% en peso de sólidos en solución Acuosa (% en peso). el fabricante planea mezclar con el material base una cierta cantidad de coque de petróleo que tiene el análisis: material volátil 8. 5.5% y ceniza 13. ¿Cuánto coque de petróleo deberán agregar a cada 1OOIb del material base? 6. a menudo se concentra el jugo antes de embarcarse y luego se reconstituye antes de embarcarse y luego se reconstituye al llegar a su destino. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23. b) El porcentaje de recuperación de Na2S2O2 en los cristales hidratados secos. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad. 9. Los cristales que se extraen llevan como disolución adherente 0. carbono 57. Una industria lechera produce caseína seca que en estado húmedo contiene 23.7% y humedad 3. Los cristales secos fínales de Na2S2O2 *5H2O no deben contener más de un 0. ¿Qué porcentaje del Na2CO3 del Na2CO3 * 10H20 se recupera en el sólido que precipita.2%. determine: a. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? 7. Apara reducir los costos de traslado a menudo se concentra. La cantidad de agua extraída en cada etapa del evaporador. A fin de satisfacer las especificaciones (en sus límites). Con base en 100Ib de la disolución original.7% de humedad.1%. A la salida del primer evaporador queda un 67% de agua y a la salida del segundo queda un 50% de agua. A fin de cumplir con esta especificación. Si se quiere producir 15000 kg/hr de sal. . 4. 3.4%. la disolución original se diluye con agua antes de enfriarse. el peso molecular del Na2CO3 es 106. se separa por cristalización Na2S2O2 * 5H2O. Sus costos de secado son $0.1% de impurezas. Los cristales se secan para eliminar el agua restante (pero no el agua de hidratación). material volátil 16.00/100 lb. Esta caseína la venden a $8. La corriente de salmuera alimentada al evaporador. Se diseña un evaporador de triple efecto para reducir el agua de una salmuera desde un 75% hasta un 3% en peso.6%. Una disolución acuosa contiene 60% de Na2 S2O2 junto con 1% de impurezas solubles. de tiempo de residencia corto que operan a presiones menores que la atmosférica para reducir las pérdidas de los componentes de sabor y aroma. dichos sólidos son principalmente azúcares.2% de Na2CO3. el cual es Na2CO3 * H2O? Datos a 100°C: La disolución saturada tiene 3 1.8Ib de Na2S2O2 * 5H2O/lb de agua libre. El material básico que usan tiene el análisis: humedad 12. Un fabricante tiene un contrato para producir carbón artificial para asar carne con un contenido máximo garantizado de 10% de humedad y 10% de ceniza. ¿Cuál debe ser el precio de venta de la caseína seca si se desea mantener el mismo margen de utilidades? 8.80/100Ib de agua eliminada.7% de humedad. Al enfriarla a lO°C. Esta caseína la venden a $8. Se introducen introducen cristales de Na2CO3*10H2O en una disolución saturada de Na2CO3 en agua a lOO°C. El proceso de concentración se efectúa en evaporadores de diseño especial. También secan esta caseína para obtener un producto que contiene 10% de humedad.80/100Ib de agua eliminada.5%. La solubilidad de este hidrato es de 1. Sus costos de secado son $0.06Ib de disolución/lb de cristales. Esa solución se concentra por evaporación hasta 50% de sólidos en peso. obteniendo como producto el café en polvo que se envasa para su despacho a) Haga el diagrama de flujo del proceso. luego se seca en evaporador flash. Calcular la composición del extracto de aceite que se obtendrá utilizando 18lb de hexano por cada lb de semilla cruda. b) Haga un balance de masas del proceso. La obtención de café en polvo procede de acuerdo a las siguientes etapas: Molienda de los granos Tostado a 150°C Lixiviación del café en polvo a 90°C Concentración de la solución en evaporador de simple efecto Eliminación del agua por secado flash.). mediante el impacto de aire caliente con la solución concentrada de café finamente pulverizada. 49% de aceite. Puede obtenerse una pasta de proteína vegetal libre de aceite a partir de semilla de algodón.presentes en cantidades muy pequeñas y que son muy volátiles y sensibles al calor. Como generalmente no pueden evitarse algunas pérdida de estos componentes. indicando la cantidad de café. en el tostado se pierde un10% (humedad + gases). usando hexano para extraer el aceite de las semillas limpias. indicando en el las entradas y salidas. masa etc. Conociendo la composición de la alimentación con semilla de algodón cruda que consiste (% en peso) en: 14% de material celulósico. 10. 11. la práctica común es concentrar el jugo un poco más de lo necesario y después agregar una pequeña cantidad de jugo fresco al concentrado para obtener un producto de mejor aroma y sabor. en un ciclón Envasado Se procesan 300 kg de café en grano. con todos los datos (T°. 37% de pasta. establecer el balance de masas y calcular la composición del producto final.000 lb/h de jugo fresco. Si al proceso se alimentan 10. desecho y agua que entra y sale en cada etapa . composición. Supóngase que se utiliza 10% de la alimentación a dicho proceso para la reconstitución y que se opera al evaporador para obtener un jugo de descarga que contiene 80% de sólidos en solución. en la molienda se pierde el 2% del material. en la lixiviación se emplean 1000 litros de agua a 90°C obteniéndose 1050 litros de una solución al 10% en peso de sólidos solubles (densidad 1kg/L). 2. O2: 5%. 25% reacciona para formar CO y el resto para formar CO2. CO: 15%. Si un gas con la siguiente composición porcentual se quema en la llamarada –CH4: 70%. amoniaco y oxigeno. El porcentaje de conversión del etano es de 90% del etano quemado. Suponga que la combustión es completa.0% de N2 se quema con aire en una caldera.2% de CO2. Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composición de los humos en % base seca. que luego se quema en un motor con 200% de aire en exceso. C3H8: 5%. Se alcanza una conversión fraccionaria de 30% del reactivo limitante. Un gas preparado especialmente con 80. Balances de Materia con Reacción Química 1. Suponga que en una prueba se queman 20 kg de C3H8 con 400 kg de aire para producir 44 kg de CO2 y 12 kg de CO.35% de H2O y el resto es O2 y N2. ¿Cuál fue el porcentaje de aire en exceso? 5. ¿Qué porcentaje de aire en exceso se usó? 6. 12.0% de CH4 y 20. 2. Calcule el aire en exceso y la razón entre los moles de los gases que salen por la chimenea y los moles del gas de alimentación. Determine cuál es el reactivo limitante. el 10% se quema a CO y el 10% no se quema. N2: 5%-‐ y el gas de chimenea contiene 7. El acetonitrilo se produce con la reacción del propileno. Se ha sugerido el propano comprimido como fuente de potencia económica para vehículos.73% de CO2. El análisis de Orsat del gas de chimenea producido es: 1.9% de N2. A fin de reducir la concentración de CO2 en el gas de chimenea. El 80% del etano se convierte en CO2. Se usa una llamarada para convertir gases no quemados en productos inocuos como CO2 y H2O. el porcentaje en el que los otros reactivos están en exceso y las velocidades de flujo molares de todos los productos gaseosos para una conversión de 30% del reactivo limitante. Calcule la composición del gas de salida sobre una base húmeda. 4. una buena parte del CO2 de la caldera se absorbe antes de que los gases de la combustión pasen a la chimenea. 12% en mol de amoniaco y 78% en mol de aire.9% de O2 y 93. Calcule la composición del gas de emisión y la relación entre el gas de emisión húmedo y el seco. Se mezcla Mezcla inicialmente etano con oxígeno para obtener un gas que contiene 80% de C2H6 y 20% de 02. Se quema etano (C2H6) con 50% de aire en exceso. 3. como se muestra: C3H6 + NH3 + 3/2 O2 C3H3N + 3 H2O La alimentación contiene 10% en mol de propileno. 4. 7. tomando como base de alimentación 100 moles.2. . Se están contemplando combustibles distintos de la gasolina para los vehículos de motor porque generan niveles más bajos de contaminantes que la gasolina. un tanque se carga con 400kg de una disolución de glucosa en agua al 12%. lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. la levadura Succharomyces cerevisiue digiere glucosa de origen vegetal para formar los productos etanol y ácido propenoico mediante las siguientes reacciones globales: Reacción 1: C6H12O6 + 2C2H5OH + 2CO2 Reacción 2: C6H12O6 + 2C2H3CO2H + 2H2O En un proceso por lotes.3% de O2 y 81. en la Comunidad Europea (CE) las plantas de biogás están exentas de los impuestos de energía y de carbón. Coque seco compuesto por 4% de sólidos inertes (ceniza). La figura siguiente muestra un proceso de combustión simple. 10. ¿Cuáles son los porcentajes en peso de alcohol etílico y ácido propenoico que quedan en el caldo? Suponga que las bacterias no asimilan nada de glucosa.0% CO2. El residuo sólido de la combustión contiene 10% de carbono y 90% de ceniza inerte (y nada de hidrógeno).O% de N2. En la fermentación anaerobia de granos. La generación de biogás rico en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos.5% CO.8% de CO. y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. El análisis de Orsat del gas de chimenea es: 13.130mol de H2O/moles gas húmedo. Calcule la relación entre el hidrogeno y el carbono en el gas. 11.8. y especule que gas puede ser. 0. . Es más.9% de CO2. 8. 6. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial. Un gas natural de composición desconocida se quema con aire. El contenido de ceniza inerte no interviene en la reacción. Calcule el porcentaje de aire en exceso con base en la combustión completa del coque. El análisis de Orsat del gas de salida: 1. 9. Realice el balance de moles de acuerdo a uno de los métodos vistos. Durante la fermentación se produce 120kg de dióxido de carbono y quedan 90kg de glucosa sin reaccionar. 90% de carbono y 6% de hidrógeno se quema en un horno con aire seco.2% O2 y 84. Un análisis del gas proporciona los siguientes resultados: 0.3% N2. Consideremos sólo la combustión del metano. 4. Determine el flujo molar y la composición que sale del reactor. acido sulfúrico y metanol. El gas de dióxido de cloro se utiliza en la industria papelera para blanquear la pulpa producida en un molino Kraft. Determine el reactivo limitante. b. suponiendo que se obtiene una conversión del 85 %. . 2.3.12. Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas métricas por hora de ClO2. en reactores recubiertos de plomo: Suponga que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO3 y H2SO4 por mol de CH3OH a. c. Varios flujos se mezclan como se muestra en la figura. Balances de Materia sin Reacción Química en Equipos Múltiples 1. Calcule la velocidad de cada flujo expresada en kg/s. El gas se produce haciendo reaccionar clorato de sodio. La cantidad de xileno obtenido en la segunda torre como producto de cola. ¿Es ésta una operación eficiente? Explique por qué sí o por qué no. . a. tolueno (T) y xileno (X). En la figura se muestra un diagrama de flujo simplificado de la fabricación de azúcar. En la primera se obtiene como producto de tope el 80 % del benceno alimentado. obtenido en la primera columna como producto de tope. ¿Qué porcentaje se pierde con el bagazo? e. Determine el agua eliminada en el evaporador en lb/h. y la composición de ella. el “bagazo” resultante contiene 80% de pulpa. en lb/h. se separa por destilación fraccionada continua en dos torres de destilación. b. c. Determine la tasa de alimentación de caña de azúcar a la unidad en Ib/h. de las cuales un 60 % sale como producto de tope. Calcule: El flujo de alimentación al sistema. La cantidad de benceno. Del azúcar que entra con la caña. 2. La caña de azúcar se alimenta a un molino donde se extrae jarabe por trituración. Una mezcla de tres compuestos orgánicos. El evaporador produce un jarabe “pesado” y el cristalizador produce 1000 lb/h de cristales de azúcar. La segunda torre se alimenta con 1700 lb/h. lb/h. benceno (B). 3. Determine las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho G. El jarabe (E) que contiene fragmentos finamente divididos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente (H) que contiene 15% de azúcar y 85% de agua. en lb/h. d. el cociente (moles hechos recircular)/ (moles de alimentación fresca) y la conversión en una sola etapa. el ácido sulfúrico entra al reactor con un 25% de exceso. que contiene H2. 3. Calcule la composición del producto. 3. cada horno tenía su propio suministro de oxígeno. . 2. C6H6 + C12H24 Alcl3 C6H5 ·∙ C12H25 Condiciones de separación: 85% de conversión. se hace recircular en el reactor. en el flujo de productos. N2 con 76%. C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3H + NaOH C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3Na + H2O Condiciones de operación: 100% de conversión. A causa del aumento en los costos de los combustibles y por la incertidumbre del suministro de un combustible en particular. Realice el diagrama de flujo y los cálculos correspondientes de lo que se obtendría con 1000kg/hr de Benceno. se toma como el producto. Los productos de la reacción se separan en dos flujos: el primero. La deshidrogenación del propano (C3H8) en un reactor catalítico produce propileno según la reacción: C3H8 à C3H6 + H2 El proceso debe diseñarse para una conversión global de propano de 95%. Para producir el detergente”X” se cuenta con las siguientes materias primas: Benceno C6 H6 Dodeceno C12 H24 Ácido Sulfúrico H2 SO4 Hidróxido de Sodio NaOH Tricloruro de Aluminio Alcl3 Y se puede hacer uso de las siguientes reacciones: 1. C3H6 y 0. Véase en la figura siguiente. que contiene el resto del propano que no ha reaccionado y 5% del propileno. En la RAMAD Corp. 2.4. el horno de aceite usaba un flujo de gas con el siguiente análisis: O2 con 20%. el benceno entra al reactor en un 30% de exceso. C6H5 ·∙ C12H25 + H2SO4 C12H25 ·∙ C6H4 ·∙ SO3H + H2O Condiciones de separación: 100% de conversión. pero los gases de chimenea salían por una chimenea común. Balances de Materia con Reacción Química en Equipos Múltiples 1. 2.555% de propano que sale del reactor.. el NaOH entra como una solución acuosa al 20% mol. CO2 con 4%. uno con gas natural y el otro con aceite combustible. el segundo flujo. muchas compañías operan dos hornos. ningún transporte pudo llegar a la RAMAD Corp. El análisis de los combustibles y del gas de chimenea en ese momento era: El peso molecular del aceite combustible era de 7. era de 6205 lbmol/h de gas de chimenea seco. ya que el suministro de gas natural se estaba usando a la velocidad máxima posible. Todas las fracciones de los compuestos son en base molar. La reserva de aceite combustible era de apenas 560 bbl (barriles).. . y su densidad era de 7. y los funcionarios se comenzaron a preocupar por el agotamiento de las reservas de aceite combustible.578 lbm/gal. traducida en gas de chimenea producido. ¿Cuántas horas podía operar la compañía antes de tener que parar si no se conseguía aceite combustible adicional? ¿Cuántas lbmol/h de gas natural se estaban consumiendo? La carga mínima de calentamiento de la compañía. Durante una tormenta de nieve.91 lbm/lbmol. el flujo combinado alimenta un evaporador. la velocidad de producción del K2CrO4 cristalino. este flujo alimenta un cristalizador. Véase la figura. que contiene también 36. . Calcule las cantidades de fibra desconocidas (todos los valores de la figura están en kg) en kg. A continuación se muestra el diagrama de flujo de un proceso en régimen permanente para la recuperación de cromato de potasio cristalino (K2CrO4) a partir de una disolución acuosa de esta sal.36% en masa de K2CrO4. ésta se devuelve para transportar más pulpa (85% fibra) a través del sistema.40% de K2CrO4.36% de K2CrO4. 2. Balances de Materia sin Reacción Química en Equipos con Reciclaje. En una máquina de papel sanitario. una vez que se elimina el agua del papel en las diversas etapas.36% de K2CrO4 en masa. El filtrado consiste en cristales de K2CrO4 y una disolución que contiene 36. Calcule el peso del agua extraída en el evaporador. los cristales representan 95% de la masa total del filtrado. 2. es el flujo de recirculación. Se combinan cuatro mil quinientos kilogramos por hora de una disolución que contiene 1/3 K2CrO4 en masa. en donde se enfría (produciendo la precipitación de los cristales de K2CrO4 a partir de la disolución) y después se filtra. El flujo concentrado que sale del evaporador contiene 49. y un flujo de recirculación que contiene 36. el cociente (Kg de flujo hecho recircular)/ (Kg de alimentación fresca) y las velocidades de alimentación con las que deben diseñarse el evaporador y el cristalizador. Derivación y/o Purgado 1. La disolución que pasa a través del filtro.5. 5. del producto extraído (D) y del reflujo (R) es idéntica porque el flujo V se condensa por completo.3. Una columna de destilación separa 10000 kg/h de una mezcla de 50% benceno y 50% tolueno. colorantes y otros compuestos orgánicos finos por lo regular requiere la separación de los sólidos suspendidos de su licor madre por centrifugación. Se utiliza un sistema de purificación con recirculación. como se muestra en la figura. y la cola W de la columna contiene 96% de tolueno. Dadas las mediciones experimentales del equipo de planta piloto bosquejadas en la figura. La fabricación de productos como la penicilina. Una porción del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo. ¿Cuál es la velocidad en lbm/h del flujo de reciclaje R? . el transporte y la recuperación de solvente incorpora equipo diseñado especialmente para manejar materiales que requieren condiciones estériles y libres de contaminación. El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h. y el resto se extrae para usarse en otro sitio. las vitaminas y otros fármacos. el secado. la tetraciclina. así como de químicos para fotografía. 4. El producto deberá tener únicamente 10% de DMF. seguida de secado de la torta húmeda. El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de benceno. para recuperar al solvente DMF de un gas de desperdicio que contiene 55% de DMF en aire. suponiendo que la unidad de purificación puede eliminar a dos terceras partes del DMF presente en la alimentación combinada a la unidad. Un sistema de ciclo cerrado. para la descarga de la centrífuga. Calcule la fracción de recirculación. Calcule la razón entre la cantidad reflujada R y el producto extraído (D). Suponga que la composición del flujo en la parte superior de la columna (V). . de manera que la concentración de H2S en la salida del sistema de absorción se reduzca lo suficiente para que la mezcla de salida contenga únicamente 1% de H2S y 0. el resto es CH4. se propone derivar una corriente con el exceso.41% de COS.3% de COS en base molar. se elimina isopentano de una gasolina libre de butano. Supongamos. para simplificar. 7. 6. Frecuentemente se utiliza un método de purificación de gases que consiste en la absorción selectiva de los componentes indeseables del gas. La corriente de alimentación consiste (en base molar) de 15% de CO2. que el proceso y los componentes son como se muestra en la figura. cuya capacidad de diseño es de 820 moles/h. 5% de H2S y 1. Como el sistema de absorción simplemente puede manejar 82% de este flujo. en un medio líquido específicamente seleccionado. En el área de preparación de la alimentación a una planta que fabrica gasolina. Calcule todos los flujos del sistema.00 moles/h a un sistema de purificación (diseñado para eliminar compuestos de azufre). ¿Qué fracción de la gasolina libre de butano se pasa por la torre de isopentano? El proceso está en estado estacionario y no ocurre reacción. En una instalación particular se alimentan temporalmente 10. Posteriormente se regenera el medio líquido mediante un tratamiento químico o térmico para liberar al medio absorbido. 40% de C3H8 y el resto de C4H10 (% mol) en fracciones. Calcular los flujos de todas las corrientes en el proceso. 25% de C2H6. .8. El tren de separación de cuatro unidades que se muestra en la figura ha sido diseñado para separar 1250 moles/hr de una alimentación de hidrocarburos que contiene 20% de Ch4. Con las composiciones indicadas. suponiendo que la recirculación a la unidad I es de 50% de los fondos de la unidad II. . La reacción alcanza una conversión en una sola etapa del 70% (conversión molar). Calcule: a) Los flujos y composiciones de todas las corrientes indicadas. según: CO2 + 3 H2 CH3OH + H2O La alimentación fresca del proceso contiene hidrógeno y dióxido de carbono en proporciones estequiometricas y 0. El metanol en el producto del reactor se separa del formaldehido y del hidrógeno mediante el empleo de un separador especial. una corriente C que contiene 35% mol de agua y todo el etiltolueno formado. b) El rendimiento de tolueno a etiltolueno. Balances de Materia con Reacción Química en Equipos con Reciclaje. y otra corriente S que se divide en dos. pero no así los reactivos ni los componentes inertes. El flujo de salida del reactor pasa a un condensador. Estas sustancias se hacen recircular al reactor. La velocidad de producción del formaldehído es de 800kg/hr. Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehído e hidrógeno a partir de metanol. de la alimentación total del reactor y del flujo de purgado para una velocidad de producción de metanol de 1000 mol/h. 2. Los productos de reacción pasan a un separador del que se obtienen dos corrientes. La alimentación al reactor contiene 2% en mol de sustancias inertes. El metanol puede producirse por medio de la reacción del dióxido de carbono e hidrógeno. para evitar que se acumule el vapor de agua formado. y en el reactor se convierte el 80% de tolueno alimentado. y otra corriente R. se extrae un flujo de purgado de recirculación de la misma corriente de recirculación.5% en mol de componentes inertes (I). una de purga P. Para evitar que se acumulen las sustancias inertes en el sistema. y la conversión en una sola etapa es de 60%. a) Calcule la velocidad de alimentación de metanol (kmol/hr) que requiere el proceso suponiendo que no hay recirculación. El etiltolueno puede obtenerse por alquilación catalítica del tolueno con etanol en fase vapor en una instalación como la esquematizada en la figura: La alimentación nueva contiene un 205 de exceso de etanol sobre el estequiométrico necesario. que se recircula al reactor. 3.6. Derivación y/o Purgado 1. Calcule las velocidades de flujo molar de la alimentación fresca. b) Si se desea alcanzar una conversión global del 95%. Si la relación entre corrientes C y P es 2:1 (en moles). ¿Cuál debe ser el flujo molar de la corriente de recirculación? 2. que extrae esencialmente todo el metanol y el agua formados. el purgado por mol de alimentación. ¿Cuál será el flujo de reciclaje por cada 100 Lbm de alimentación nueva de la disolución de sacarosa que entra en el proceso como se muestra en la figura? ¿Cuál será la concentración de azúcar invertido (Z) en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto? Las concentraciones de los componentes en el flujo de reciclaje y en el flujo de producto son las mismas. Se ha despertado un interés considerable en la conversión de carbón en productos líquidos más útiles para la subsecuente producción de compuestos químicos. ilustra un proceso en estado estacionario. La conversión en una pasada del CO por el reactor es del 18%. Calcule los moles de reciclaje. pero no participa en la reacción. ingresa en el proceso. CH3OH. Todas las composiciones están en fracciones o porcentajes molares. Dos de los principales gases que podemos generar en condiciones apropiadas a partir de la combustión de carbón in situ en presencia de vapor de agua (como sucede en presencia de aguas freáticas) son H2 y CO. estos dos gases se pueden combinar para producir metanol de acuerdo con la siguiente ecuación: CO + 2H2 CH3OH La figura. Se usa un flujo de purgado para mantener la concentración de CH4 en la salida del separador en no más de 3. Si ocurre una conversión del 90% de la sacarosa en una pasada por el reactor.2% mol. que una fracción del CH4. 4. y también calcule la composición del gas de purgado. 5. . Como se observa en la figura. El azúcar refinada (sacarosa) se puede convertir en glucosa y fructosa mediante el proceso de inversión: C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 Sacarosa d-‐Glucosa d-‐Fructosa La combinación de glucosa y fructosa se denomina azúcar invertido. Después de lavarlos. Los flujos están en moles. b) Lleve a cabo todos los cálculos necesarios. El ácido se recircula al reactor. . La corriente que se obtiene combinando la alimentación fresca y la recirculación de isobutano contiene 5mol de isobutano por mol de butileno. el cual se permite que se separen las fases acuosa (ácido sulfúrico) y de hidrocarburo. y la mezcla entra al reactor. El destilado ligero de la columna contiene isooctano y n-‐butano. y escriba las ecuaciones que utilizaría para determinar las velocidades de flujo necesarias (Sugerencia: comience calculando la velocidad de flujo molar de la corriente de alimentación fresca). La alimentación fresca combina con tres corrientes de recirculación distintas. El isooctano se produce por la reacción de isobutano y butilieno en una combustión con ácido sulfúrico concentrado: i-‐C4H10 + C4H8 à i-‐C8H18 La alimentación fresca al proceso fluye a una velocidad de 60. haga el análisis de grados de libertad del proceso total y de los subprocesos. 25% de butileno y 50% de n-‐butano. Se desea determinar la velocidad de flujo molar (kmol/hr) de cada componente de la alimentación fresca y de las corrientes de producto. de la emulsión. Se consume casi todo el butileno que se alimenta a este último. y el hidrocarburo pasa a una columna de destilación.6. como se ve en el diagrama de flujo.000 Kg/hr y contiene 25% mol de isobutano. Una porción del efluente del reactor se recircula de nuevo a la entrada de éste y el resto pasa a un decantador. y el destilado pesado que se recircula al reactor sólo contiene isobutano. La corriente que entra al reactor contiene 200mol de isobutano por mol de butileno y 2 kg de ácido sulfúrico al 91% en peso por kg de hidrocarburo. el cual es químicamente inerte en este proceso. a) Dibuje y marque en su totalidad el diagrama de flujo del proceso. del isobutano y de la recirculación ácida. 105%. sobre todo la contaminación proveniente de las descargas de aguas residuales y desechos industriales. ¿Cuál es la velocidad de flujo del fluido por el drenaje en kg/min? 2. Se conserva la masa total. Se ha acusado a la compañía de descargar diversos contaminantes en una cantidad superior al límite especificado por la ley. Cierta distancia corriente abajo del punto en que se agregó la sal. No es posible medir la descarga directamente porque no se han instalado dispositivos para medir el flujo. En fechas recientes se ha centrado la atención en la contaminación de las aguas del río Hudson. y a 1200ft corriente abajo se mide una concentración media en estado estacionario de KCI de 0. Problemas Adicionales 1. proceso en estado no estacionario. Indique cuál es el sistema. si: a. Es muy difícil determinar con precisión qué cantidad de efluente se introduce en el río porque es imposible atrapar y pesar el material. Determine. d) El radiador está lleno y la bomba de agua circula agua entre el motor y el radiador mientras el motor está funcionando.281%. Un método que se ha sugerido es agregar ion bromo como trazador a un flujo de aguas residuales dado. mediante cálculos. nada de agua y el resto SO3. ¿por qué? c. pero es posible tomar muestras de líquido en diferentes puntos de las tuberías de drenaje y medir la concentración de cloruro de potasio. Se conserva el número total de moles. y muestrear el flujo una vez que se haya mezclado. El resultado son 480 lbmol/h de una corriente mezclada que contiene 170 lbmol/h de N2. d.7. la construcción de vertederos es problemática. b) Usted drena el radiador de su automóvil. . En la fabricación de acetato de vinilo se descarga al alcantarillado un poco de ácido acético que no reaccionó. ¿por qué? b. Clasifíquelos como uno o más de los siguientes: sistema abierto. junto con otros compuestos. Lea cada una de las siguientes situaciones. c) Usted llena demasiado el radiador del automóvil y el refrigerante se derrama hacia el suelo. ¿Cuál es la tasa de flujo de las aguas residuales en lb/min? 3. En una alcantarilla. con 200 lbmol/h de otra que contienen 95% mol de H2SO4 en agua y con 200 lbmol/h de una corriente que consiste de 15% mol de SO3 en N2. Se conserva la masa de cada sustancia. dejar que se mezcle bien. 4. Dibuje el diagrama. Se conserva el número de moles de cada tipo de átomos.2. etc. un muestreo del flujo de aguas residuales indica una concentración de 0.5 % mol de H2SO4. a) Usted llena el radiador de su automóvil con refrigerante. sistema cerrado.4 lb/R3. En una prueba de la propuesta se añaden 10 libras de NaBr por hora durante 24 horas a un flujo de aguas residuales que prácticamente no contiene bromo. proceso en estado estacionario.012% de NaBr.3 lb/ft3 y la densidad del agua del río es de 62. se mezclan 100 lbmol/h de una corriente que contiene 90 % mol de H2SO4 en agua. la concentración es de 0. En una planta de ácido sulfúrico. Se introduce una disolución de 400 g de KCI en 1 L a una velocidad constante de 1 L por minuto durante un lapso de media hora en una alcantarilla situada 500ft corriente abajo. 62. La densidad de las aguas residuales es de 60. A fin de neutralizar el ácido en una corriente de desecho (compuesta por H2SO4 y H2O).0% en mol de etano (C2H6) y el resto de sustancias inertes (I). ¿Qué porcentaje del CaCO3 puro de la piedra caliza no reaccionó en la neutralización? 8. La alimentación contiene 20% en mol de CH4. se agrega a ésta piedra caliza seca molida (composición: 95% de CaCO3 y 5% de materiales inertes).5. el combustible primario (100% de material combustible) se mezcla con desechos a fin de producir una alimentación para la caldera. ¿Cómo sugeriría usted tratar el gas de salida del quemador? Explique. c. c) El incinerador recibe un flujo de aire enriquecido con oxígeno que contiene 40% de 02 y 60% de N2 a fin de promover la operación a alta temperatura. El sedimento seco que se extrae del proceso se analiza parcialmente quemándolo en un horno. En un sistema correctamente diseñado. Calcule la composición molar del producto gaseoso y la selectividad del etileno en la producción de metano. La conversión fraccionaria de etano es 0. La destrucción térmica de desechos peligrosos implica la exposición controlada de los desechos a temperaturas elevadas (por lo regular 900°C o mas) en un entorno oxidante. Utilice esta información y los datos relativos a la composición de la alimentación que se dieron antes para calcular: 1) todas las concentraciones en el gas de salida y 2) el porcentaje de 02 en exceso empleado en la reacción. La alimentación consiste de 85. Los balances de especies moleculares. 7. Las reacciones: C2H6 C2H4 + H2 C2H6 + H2 2 CH4 Se llevan a cabo en un reactor continuo en régimen permanente. . Calcule la composición molar del flujo de productos utilizado: a.501 y el rendimiento fraccionario del etileno es 0. Se averigua que el gas de salida tiene Xco2 = 0.471. El metano se quema con oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. ¿Cuántas toneladas de hexano se necesitarían para descontaminar ocho toneladas de esta arena? b) Escriba las dos reacciones que tendrían lugar en condiciones ideales si la mezcla de hexano y arena contaminada se alimentara al proceso de oxidación térmica tratando de obtener los productos más satisfactorios desde el punto de vista ambiental. 60% de O2 y 20% de CO2 y se alcanza una conversión del reactivo limitante de 90%.1654 y XO2 = 0. Entre los tipos de equipo para destrucción térmica están las calderas de alta temperatura. a) Se desea limpiar arena que contiene 30% en peso de 4. El único gas que se forma es CO2. 6. El grado de avance de la reacción. b. Los balances de especies atómicas.1220. los hornos para cemento y los hornos industriales en los que los desechos peligrosos se queman como combustibles.4’-‐diclorobifenilo [un ejemplo de bifenilo policlorado (PCB)] por combustión con hexano en exceso a fin de producir una alimentación que sea 60% en peso de combustible. El CO2 representa el 10% en peso del sedimento seco. American Institute of Chemical Engineers. por M. ¿Cuál de los tres diagramas de flujo requiere la menor cantidad de disolvente orgánico puro nuevo? Ignore los cambios de densidad que pudiera haber en las disoluciones. en Chemical Engineering Problems in Biotechnology. “Bioseparations of Traditional Fermentation Products”. es decir. Utilice valores iguales del disolvente orgánico en (b). Examine la figura. 10. Schuler. Payne. 𝐹!° + 𝐹!° + 𝐹!° = 𝐹 ° La relación entre la concentración del material indeseable en la fase acuosa y en la fase orgánica es de 10 a 1. Se proponen tres esquemas de separación para aislar los productos de fermentación deseados del resto de la disolución. Este problema se basa en los datos de G. ed. Se deben separar 10 litros por minuto de un caldo que contiene 100 gr/L de un producto indeseable de modo que la concentración en el flujo de salida se reduzca a (no más de) 0. L.1 g/L. La glucosa isomerasa inmovilizada se emplea como catalizador en la producción de fructosa a partir de glucosa en un reactor de lecho fijo (el disolvente es agua). qué porcentaje de conversión de glucosa tiene lugar en una pasada por el reactor si la razón entre el flujo de salida y el flujo de reciclaje en unidades de masa es igual a 8.33? El diagrama es: . Para el sistema de la figura.9. es decir. F. 𝑐 ! /𝑐 ° = 10 en los flujos de salida de cada una de las unidades. 1989. Nueva York.