Problemario De Balances De Materia Y EnergíaTERCERA EVALUACIÓN BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA SIN/CON REACCIÓN QUÍMICA Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa . 63 076 25 412 NOTA: Temperatura de referencia 0 °C. Suponiendo que para las condiciones dadas.109 0. Calcule la calidad de 15 lb de vapor de agua a 120 psia cuando la entalpía de vapor se ha determinado en 12.6%w de K2SO4 y se encuentra a 45 °C.4 kg/cm2. empleando vapor saturado a 1. Por una tubería de acero circula vapor de agua saturado y seco a una presión absoluta de 5 bar. NOTA: Temperatura de referencia 0 °C. 64 .56 Btu/(lb)(°F) . CP queroseno = 0. Calcule el flujo másico necesario del medio de calentamiento para alcanzar la capacidad máxima evaporativa. ºC Cp(s). la capacidad calorífica del agua líquida es constante e igual a 1 Btu/lb °F. PROBLEMA 7. Fluye petróleo crudo a razón de 2 000 lb/h a través del tubo interior de un cambiador de calor de tubos concéntricos y se calienta de 90 a 200 °F. PROBLEMA 4. considerando: a) que no existen perdidas de calor.0 151. El caudal de vapor es de 0. si se dispone de la siguiente información Compuesto Cinc Tfusión. ¿Cuál es el cambio de entalpía que se requiere para transformar 3 libras de agua líquida a 32 °F en vapor de agua sobrecalentado a 1 atmósfera y 300 °F? PROBLEMA 3.5 kg de agua. Determine la temperatura del vapor sobrecalentado. cal/g °C λf. La alimentación al evaporador contiene 18. Un flujo de aire de 1 kg/s a 24°C debe calentarse en un intercambiador de calor de coraza y haz de tubos. determinar el flujo requerido de éste. PROBLEMA 8. Un proceso de evaporación se utiliza para obtener una solución concentrada de sulfato de potasio a partir de una disolución acuosa de esta sal. Determine las cantidades necesarias de agua caliente y fría. con lo que ocurre un sobrecalentamiento del mismo.24 kcal/kg °C.81 2107. calcule la entalpía específica del agua a 150 °F y 1 atmósfera con respecto a: a) 32 °F y 1 atm y b) 100 °F y 1 atm.1 102. PROBLEMA 5.184 kJ/kg K .53 PROBLEMA 6. cal/g °C Cp(l). El calor es proporcionado por queroseno que entra al equipo a 450 °F. CP(V) = 1.01 kg/s y el condensado sale a 88 °C a través de una trampa de vapor. PROBLEMA 2. El evaporador tiene una capacidad máxima de evaporación de 185 kg de agua/min. Calcule la entalpía del vapor de cinc a 1 000 °C y presión de 1 atmósfera. además considere que las disoluciones de K2SO4 tienen las mismas propiedades físicas que las del agua pura. La solución que abandona el evaporador sale a 90 °C.883 kJ/kg K λ vaporización ( kJ/kg) 2250. cal/g °C Cp(v). ¿cuál es la temperatura de salida del aire? Despreciar las pérdidas de calor.5% del calor suministrado en el evaporador. Cp(l) Presión (bar) Temperatura (°C) 1. °C 419 Tebullición.Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 1. Si la temperatura de salida del queroseno es de 220 °F. Este vapor se hace pasar por un dispositivo aislado hasta reducir su presión a 1.105 0. 000 Btu (respecto al agua líquida a 32 °F la cual tiene un valor de 0 Btu).60 Btu/(lb)(°F) PROBLEMA 9. consiste en una solución en la que por cada kg de K2SO4 hay 1. b) que se pierde 7. Si el calor específico medio del aire es de 0. Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .1 bar absolutos. cal/g λv. Datos adicionales: CP petróleo = 0. cal/g 907 0.8 = 4.3 5. Para ello se tiene un recipiente con agua a 90°C y otro con agua a 14°C. relativa al sólido a 0 °C. Se desean obtener 50 kg de agua a 38°C. 20 bar. La velocidad a la que debe entrar el vapor al primer evaporador. El calor liberado por el vapor que se condensa en los tubos ocasiona que el agua de la salmuera se evapore a una presión de 0. y el vapor saturado a una presión de 4 bar alimenta a un conjunto de tubos en el primer evaporador.5%w de sal. constante en el evaporador. La salmuera a la salida del primer efecto tiene 5.Problemario De Balances De Materia Y Energía 2 M2 = 185 kg/min Evaporador P =530 mmHg 1 Vapor de H2O T4=100 °C P=760 mmHg 3 5 H 2O T5=95 °C 4 PROBLEMA 10. y se trabaja a P = 0. y que éstos operan adiabáticamente. El vapor se condensa a 4 bar. Del problema anterior.20 bar constituyen el agua pura que se produce durante el proceso. y el condensado se extrae a la temperatura de saturación que corresponde a esta presión.5% sal H2O (l) saturado P = 4 bar 8 PROBLEMA 11. Calcule. El vapor generado en el primer evaporador alimenta a un conjunto de tubos en el segundo evaporador. Calcule el flujo de alimentación de vapor saturado a P = 4 bar que se requiere para alcanzar la misma de producción de agua pura. 65 .762% mol al 25% en masa.01117 moles de sal/mol de agua. la velocidad de producción de agua pura y la concentración de sal de la disolución final de salmuera. supongamos que se utiliza un solo evaporador.6 bar 5 H2O (v) P = 0. Nota: considere a la sal como NaCl. Se utiliza un evaporador de doble efecto para producir agua pura a partir de agua de mar que contiene 0. Si. las disoluciones de salmuera en ambos evaporadores tienen las propiedades físicas del agua pura. En la figura se muestra un sistema de evaporación para concentrar una solución de sosa del 4. 1 T1=300 K Salmuera 5. la temperatura y la entalpía específica de cada flujo.60 bar. 6 H2O (v) P = 0. La alimentación fresca (M1) se mezcla con una corriente de recirculación (M2) Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .2 bar H2O (V) Saturada P = 4 bar 2 9 7 3 10 4 Agua de mar 5000 kg/h. El agua de mar entra al primer evaporador a 300 K a 5 000 kg/h. ¿Qué otros datos necesitarías conocer para determinar cuál proceso es más económico? PROBLEMA 12. El condensado de los tubos y el vapor generado en el segundo evaporador a una presión de 0. Datos adicionales: CP benceno = 0. produciendo al mismo tiempo vapor de 50 bar. la cantidad de masa recirculada y el calor suministrado (Qs) en el cambiador de calor (suponiendo que las pérdidas de calor Qp representan el 20% de Qs). Se utiliza vapor de agua a 60 bar como medio de transferencia de calor entre una corriente vapor de benceno a 500 °C y una corriente fría de gas metano a 100 °C mediante el sistema ilustrado en la figura. 3. CP metano = 0.1685 kJ/mol K .Problemario De Balances De Materia Y Energía para alimentarse a un cambiador de calor donde eleva su temperatura de 60 a 62°C (sin que ocurra cambio de fase).44 La entalpía de la corriente 1 se calcula con la ecuación: h = 0. Si el condensado que sale del intercambiador 1 es agua saturada a 60 bar. Supóngase que todas las unidades operan en forma adiabática y que todos los flujos de agua están a 60 bar. El metano va a calentarse hasta 260 °C y el benceno va a enfriarse hasta 300 °C. Datos adicionales: Temperatura de referencia = 0°C. M1= 100 kg/h T1= 60°C 1 Cambiador de calor 3 5 QP Qsum T4= 62°C 4 6 T2= 60°C 2 25% NaOH 7 PROBLEMA 13. Calcule el flujo del metano que puede procesarse y los flujos de circulación del agua. Calcular la cantidad de solución al 25% de NaOH que se obtiene como producto. Esta corriente se alimenta a un separador donde se reduce la presión para provocar una vaporización instantánea de agua (M5) y una corriente líquida de solución concentrada.6253 En las ecuaciones anteriores T está en °C y h en kcal/kg. 4 y 7 se calculan con la ecuación: h = 0. Se va a enfriar hasta 200 °C una corriente de proceso que contiene vapor de benceno a 500 °C y 2 bar.9T -3. el vapor que sale del intercambiador 2 tiene una calidad de 10% a 60 bar. Las entalpías de las corrientes 2.8798T + 0. mediante el sistema de dos intercambiadores que se Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .0443 kJ /mol Vapor saturado 9 Metano T9=260 ˚C 2 T A N Q U E IC-1 D E 8 Metano T8=100 ˚C S E P A R A C I Ó N H 2O V/L 3 Líquido saturado 4 1 5 Benceno 7 T7=300°C IC-2 6 Benceno T6=500°C PROBLEMA 14. de la cual una parte se recircula (M2) y otra sale como producto (M7). 66 . λVagua a 60°C = 563 kcal/kg. y se alimenta benceno a razón de 200 mol/h. Datos complementarios: Compuesto PM Producto X 103 Agua 18 Tebullición. determine: a) El flujo del producto X. Si se ajusta el flujo de agua a través del intercambiador 1. b) las entalpías de las corrientes 1.6 kmol/min Producto X 10 80 °C 1 2 M 4 3 Vapor (90%) 100 °C 7 Vapor/líquido 100 °C 9 Producto X 30 °C λV.Problemario De Balances De Materia Y Energía ilustra en la siguiente figura. calcule la calidad del vapor en el intercambiador 1 y la masa de vapor producida por mol de la corriente de proceso. J/mol °C 243 35 8 M Vapor (100 °C) N8 = 2. 5. de manera que sea 12 veces mayor al del intercambiador 2. y 8. El agua saturada se evapora parcialmente en el intercambiador 1. La mezcla de vapor-líquido del intercambiador 1 se mezcla con el agua saturada del intercambiador 2 y se separan las fases en el tanque de separación. 6 67 . 5 P = 50 bar Vapor saturado 50 bar S E P A R A C I Ó N T A N Q U E D E M 3 2 4 Líquido saturado 6 Líquido saturado 50 bar IC-2 IC-1 T7 = 500 °C 7 2 bar 8 T9 = 200 °C 2 bar 9 1 V/L Agua de alimentación a calderas a 75°C y 50 bar PROBLEMA 15. 4. Para una presión total de operación de 1 atmósfera en el proceso. el agua de alimentación a calderas. que esta inicialmente a 75 °C y 50 bar primero se calienta hasta la saturación en el intercambiador 2. 2. J/mol °C 451 75 CP (v) ). ºC 103 100 N1 = 20 kmol/min Vapor (360 °C) CP (l). Se desea calentar un producto X de 30 °C a 80 °C mediante el sistema que se muestra en el diagrama. el flujo de agua recirculada. 3. J/mol 32 000 41 000 Separador LíquidoVapor 5 Agua (100 °C) D Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa . 215 moles por mol de producto destilado. Calcule: a) Las cantidades de producto destilado y residuo. El destilado (la cabeza de la destilación) es esencialmente acetona pura. Btu/lb 80. 68 . ºF Benceno Tolueno CP.18 231.66 43. determínese la masa de agua necesaria para efectuar la condensación total del vapor destilado.17 PROBLEMA 17.38 15793. En una columna de destilación se desea separar una mezcla formada por benceno y tolueno. b) Entalpías de la alimentación y productos. Se desean rectificar 5000 lb/h de una mezcla benceno-tolueno conteniendo 54% mol de benceno a 80 °F.1 110. y el producto de la parte inferior contiene 1% de la acetona presente en la alimentación. la corriente de vapor que sale por el domo lo hace a 184.68 176.5% mol de tolueno. La mitad del condensado se extrae en la cabeza de la destilación. Una mezcla que contiene 46% en masa de acetona (CH3COCH3). el cual saldrá a 150 °F. la alimentación contiene 70 %n de benceno y entra a la columna a 150 °F. 27%w de anhídrido acético (CH3CO)2O se destila a la P = 1 atm. El proceso se efectuará a la presión de 1 atmósfera para producir un destilado (a 180. La alimentación se precalienta en un intercambiador de calor utilizando el residuo.47 0. La alimentación entra a una columna de destilación a 348 K con un flujo másico de 15 000 kg/h.6°F B = 1.6 0. Btu/lbmol 36.5 °F) conteniendo 94.13 Condensador Agua a 86°F 10 3 Agua a 59°F 9 5 7 180.967% masa de benceno y un residuo (a 229. Datos complementarios: Compuesto Tebullición. Sí para el proceso se recirculan 1. Btu/lbmol °F λ v . mientras el producto de fondos lo hace a 230 °F y está formado por 98. El vapor de salida de la cabeza de la columna entra a un condensador a 329 K y sale como líquido a 303 K. 27%w de ácido acético (CH3COOH).5%n IC 8 5 000 lb/h 80ºF B = 54%n 150°F PROBLEMA 18. Calcule el calor que debe suministrar el medio de calentamiento si la columna opera a 1 atm y no existen pérdidas de calor.1 161.5% en mol de benceno. donde es parcialmente Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa . El líquido a la salida de la parte inferior de la columna va a un hervidor. Btu/lb °F λ v . Datos complementarios: Compuesto PM Benceno Tolueno 78 92 Tebullición. c) Temperatura de la alimentación a la entrada de la columna.9 °F con un 90 %n de benceno. y el resto se pone en reflujo de la columna.47 172.Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 16.6 °F) conteniendo 1. El destilado se condensará totalmente regresando el reflujo a la columna como líquido saturado. ºC Cp.5°F 6 T2 = ? 1 2 4 229. d) Si se introduce agua al condensador a una temperatura de 59 °F y sale a 86 °F.24 13423. 5 Acetona (v). T2 = 329 K Qc 2 4 5 M1 = 15 000 kg/h 6 Producto de la destilación Acetona (l). T6 = 303 K 1 46% acetona (l) 27% ácido acético (l) 27% anhídrido acético (l) T1 = 348 K 7 3 8 Qr Producto inferior (líquido) 1% de acetona de la alimentación ácido acético anhídrido acético T8 = 398 K PROBLEMA 19.26 4.9 f MgO(s) –143. H2O(g) –241. Las reacciones de combustión son de gran interés en la industria química.18 2.5 18 329. constituye el producto inferior.25 1998. kJ/kg 2. ¿a qué velocidad debe suministrarse el vapor? Datos Termodinámicos Compuesto Acetona (A) Ácido acético (B) Anhídrido acético (C) H2O @ 11.84 H2O(1) –68.30 2.1 413.6 406.184 520.013 bar PM Tebullición.826 69 . Utilice un balance de energía global para determinar el calor suministrado Qc(kJ/h) por el hervidor.2 457. Calcule el calor estándar de reacción para la combustión completa del propano. debido a la cantidad de calor que generan.0 391. Datos adicionales: Compuesto ∆h of (kJ/mol) C3H8 (g) + C3H8(g) –103. Calcule el calor de reacción a 77 °F (25 °C) y una atmósfera para las siguientes reacciones: a) CH4 (g) ⇒ C (s) + 2H2 (g) b) 2CaO (s) + 2MgO (s) + 4H2O (1) ⇒ 2Ca(OH)2 (s) + 2Mg(OH)2 (s) Datos adicionales Compuesto CH4(g) o –17.3174 Ca(OH)2(s) –253. Si el calor que suministrado en el hervidor lo proporciona la condensación de vapor saturado a 10 bar (manométrica). y el líquido residual.Problemario De Balances De Materia Y Energía evaporado. también a 398 K.85 5O2 (g) ⇒ O2(g) 0 3CO2 (g) + 4H2O (g) CO2(g) –393.889 ∆h (kcal/mol) CaO(s) –151. El vapor vuelve a la columna a una temperatura de 398 K.51 Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa . a) b) c) d) Calcule las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos de productos. Calcule el calor retirado en el condensador Qc (kJ/h). K CP (l). kJ/kg K λ v .8 Mg(OH)2(s) –221 PROBLEMA 20. 92 CO2(g) O2(g) 7. Datos adicionales: Compuesto CO(g) CP (cal/mol °C) 7.311 O2(g) 0 H2O(g) –241. Calcular el calor que desarrolla esta reacción suponiendo combustión completa.507 ∆hºR = –67.3kPa) para 1 mol de HCl(g) de la siguiente reacción: Datos adicionales: Compuesto ∆h of (kJ/mol) 4HCl(g) + O2 (g) ⇒ 2 H2O(g) + 2Cl2(g) HCl(g) –92.9 SO3(g) –395.419 32. Se quema CO a 200 °C con aire seco a 500 °C y con un 90% en exceso del teórico requerido.(kJ/mol) SO2(g) –296. Datos adicionales: Compuesto ∆h of .32 PROBLEMA 24. si la conversión es del 90%. El trióxido de azufre se puede producirse mediante la reacción: SO2 (g) + ½O2 (g) ⇒ SO3 (g) A un reactor se alimenta SO2 y aire en forma estequiométrica a 300°C.46 8. Calcular el calor que debe suministrarse o retirarse para que se lleve a cabo la reacción.601 62.18 O2(g) 0 N2(g) 0 CP (J/mol K) 48.Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 21.97 7.264 30. Calcule el calor estándar de reacción para la de oxidación de amoniaco.848 H2O(g) –241.636 kcal/mol Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .017 La reacción que se lleva a cabo es: CO (g) + ½ O2 (g) ⇒ CO2(g) 11.826 Cl2(g) 0 PROBLEMA 23. 70 .222 ∆h of PROBLEMA 25.513 H2 0 CH4(g) –74.(kJ/mol) CP. además.200 °C. Calcule el calor de reacción a condiciones estándar (T = 25°C y P = 101. se encuentra que existen 180 mol/h de SO3. Calcular el calor que debe suministrarse o eliminarse si los materiales entran y salen a 500 °C y si la conversión es del 100%.941 N2(g) 7.826 11. Datos adicionales: Compuesto ∆h of (kJ/mol) 4NH3 (g) + 5 O2 (g) NH3(g) – 46.191 ⇒ 4 NO (g) O2(g) 0 + 6 H2O (g) NO(g) 90.12 10. (cal/mol K) CO2 (g) + 4H2 (g) ⇒ CH4 (g) + 2 H2O (g) CO2 –393. Los productos de combustión salen del reactor a 1. Datos adicionales: Compuesto .374 H2O(g) –241. los gases que abandonan el reactor lo hacen a 350°C.826 PROBLEMA 22. 25 O2(g) ⇒ NO(g) + 1. Se agrega calor a la mezcla de reacción mediante el paso de un gas caliente por fuera de los tubos que contienen el catalizador. El gas de calentamiento se alimenta con un flujo de 298. calcule la temperatura a la que saldrán los gases del reactor.5 litros normales/mol de C3H8 alimentado.415. los reactivos se alimentan a 340 K. después de precalentar la alimentación.000 °C.6 cal/mol Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa . Calcule la composición molar del producto gaseoso. 71 .98 9. El ácido nítrico se fabrica industrialmente por la oxidación del amoníaco con aire.5 H2O(g) ∆hºR = –54. Datos adicionales: Compuesto ∆h of (cal/mol) C3H8(g) –24. Suponiendo que las capacidades caloríficas de todas las especies reactivas y productos son constantes e iguales a 7.68 7.5 H2O(g) ∆hºR = –54. y la del gas de calentamiento es de 9.83 8. H2(g) 0 PROBLEMA 28.055. este gas penetra a unidad a 2.055.56 NH3(g) + 1.11 7.68 7. En un proceso de producción de ácido nítrico. así como la conversión. Datos adicionales: Compuesto NH3(g) O2(g) N2(g) NO(g) H2O(g) CP cal/(mol K) 11.56 NH3 O2 N2 T1 = 340 K Reactor 1 NH3 O2 2 N2 NO H 2O PROBLEMA 27.000 °C y la abandona a 1. Determinar la composición del gas de alimentación para que se cumplan las condiciones del proceso y la temperatura de los gases de salida. Datos adicionales: Compuesto NH3(g) O2(g) N2(g) NO(g) H2O(g) CP cal/(mol K) 11.25 O2(g) ⇒ NO(g) + 1.6 cal/mol A un reactor catalítico se alimenta amoníaco mezclado con aire teórico necesario para que reaccione todo el amoníaco.17 cal/mol °C. si en el reactor no existe intercambio de calor con los alrededores y el grado de conversión del amoníaco es del 90%.11 7. Se produce hidrógeno mediante la reacción de propano con vapor sobre un catalizador de níquel en un reactor de tubos y coraza. primeramente se produce óxido nítrico por oxidación de amoniaco con aire mediante la reacción: NH3(g) + 1.98 9.56 cal/mol °C.Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 26. C3H8(g) + 3 H2O(g) 3 CO(g) ⇒ + 7 H2(g) Un gas que contiene propano y vapor de agua en proporción estequiométrica se alimenta al reactor a 25 °C mientras que el producto gaseoso sale a 800°C.799 CO(g) –26. y la posterior oxidación del óxido formado y su absorción en agua. La primera parte de proceso aparece representada por el diagrama adjunto.809 H2O(g) –57.83 8. 9 – 26. Datos adicionales: Compuesto ∆h of (kcal/mol) o CP cal/(mol C) CaCO3(s) CaO(s) CO(g) CO2(g) O2(g) N2(g) – 288.Problemario De Balances De Materia Y Energía NH3 O2 1 N2 T1=50 °C 5 T3 =850 °C O2 N2 3 NO H 2O Q=0 T2=200 °C NH3 2 O2 N2 Quemador O2 N2 NO H 2O T4=300 °C Vapor saturado agua 4 PROBLEMA 29. si se asume que la calcinación se llevó a cabo con 100% de conversión. mediante la combustión completa de un gas pobre en contacto directo con la carga (CaCO3).2 7.44 7. se calcina completamente para producir CaO y CO2 en un horno vertical continuo. considere que no existe intercambio de calor con los alrededores y se puede despreciar el contenido de humedad del gas pobre.45 – 151. La caliza se carga a 25 °C y.58 11. Los productos gaseosos de la combustión y calcinación suben verticalmente atravesando la carga que desciende y salen a 200 °C. Una piedra caliza formada de carbonato de calcio (CaCO3) puro.57%n 600°C 2 Aire O2 21%n N2 79%n 4 3 25°C CaO 900°C Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .052 0 0 20 13.6%. Calcúlese el número de metros cúbicos (a 0 °C y 760 mmHg) de gas pobre que se necesitan para calcinar 100 kg de caliza. la cal (CaO) producida se recoge a 900 °C.9 6. El gas pobre (presenta el siguiente análisis en volumen: CO2 = 9. 72 .6%n N2 75. O2 = 1.21%. N2 = 75.57%) se alimenta al horno a 600 °C y se quema con la cantidad de aire seco teóricamente necesario a 25 °C.4 CaCO3 25°C 100 kg 1 200°C 5 CO2 N2 HORNO Gas pobre CO2 9. CO = 13.416 – 94.21%n O2 1. así mismo.62%n CO 13.62%. calcule la temperatura a la salida del reactor. las reacciones que se efectúan simultáneamente son: CH2=CH2 (g) + ½ O2 (g) ⇒ C2H4O (g) η = 35% CH2=CH2 (g) + 3 O2 (g) ⇒ 2 CO2 (g) + 2 H2O (g) η = 15% Calcular: a) la composición a la salida de la segunda columna.0438 H2O(L) 0. Debido a las condiciones de operación del reactor. En el proceso de obtención de óxido de etileno. CO2(g) 0.. si entra a una temperatura de 15°C y sale a 35°C.0360 Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .Problemario De Balances De Materia Y Energía PROBLEMA 30. se hace reaccionar C3H6 con una mezcla de O2 y N2. Considere que para retirar el calor generado en el reactor. b) la masa de agua necesaria para mantener la temperatura de 300°C en el reactor.6 O2(g) 0 C2H4O(g) –14.68 CP a 300 °C cal/(mol K) 6 4 H 2O T10 = 35 °C O2 T2 = 20 °C 8 H 2O T 9= 15 °C 1 C2H4 T1=20 °C US-2 5 7 9 10 2 US-1 O2 CO2 H 2O Reactor 3 M5=5 ton C2H4O / día PROBLEMA 31.0301 C3H4O(g) 0. si del total de C3H6 alimentado al reactor el 97% reacciona hacia acroleína y el resto a CO2.67 20.0753 73 .83 mol/h de agua de enfriamiento.1 7.83 kJ/mol Compuesto CP kJ/(mol K) C3H6(g) 0. como el que se muestra en el siguiente diagrama de flujo simplificado.62 11.0913 H2O(g) 0. ocurre también la reacción secundaria de oxidación total de propileno. el reactor opera a 300°C y presión de 1.Para producir acroleína (C3H4O) por oxidación parcial de propileno (C3H6). Compuesto ∆hf a 300 °C (kcal/mol) CH2=CH2(g) 10. C3H6 (g) + O2 (g) ⇒ C3H4O(g) + H2O(g) ∆hºR = –333.0313 N2(g) 0.927.5O2(g) ⇒ 3CO2(g) + 3H2O(g) ∆hºR = –1.0935 O2(g) 0.35 kJ/mol C3H6(g) + 4.31 8. Nota: Las conversiones son con respecto al total del etileno alimentado al reactor. Si la capacidad de producción es de 5 ton de C2H4O/día y.428 mol/h de N2.1 H2O(g) –58. Datos Adicionales. Con la información del diagrama.5 17.8 CO2(g) –94.673. en la corriente fresca se alimentan 100 mol/h de C3H6 120 mol/h de O2 y 451. En la entrada al reactor se tiene 1 mol de C2H4/mol de O2. se utilizan 11.2 atmósferas. 2) la composición molar de las corrientes de entrada y salida de unidad de separación 1 es la misma.40 °C. La descarga del tercer reactor se encuentra a 509 °C y la corriente de producto líquido (NH3) se refrigera a . 74 .Problemario De Balances De Materia Y Energía O2 1.9%n O2 3 N2 CO2 C3H6 O2 1 N2 T1= 298 K T6=332 K C3H4O Unidad de Separación y purificación 6 T7=332 K H 2O 7 10 9 Medio de enfriamiento T10=328 K T9=301 K PROBLEMA 32. 72 %n de H2 y 4 %n de NH3 y 4) que se alimentan 0. la cantidad de NH3 obtenido como producto.06%n CO2 2.40 °C NH3 como producto 2 conversión de 5% 10 N2 H2 NH3 9 N2 24% H2 72% NH3 4% Reactor 2 8 6 509 °C N2 H2 NH3 Reactor 3 N7 = 20 mol/h 7 N2 Alimentación H2 estequiométrica Con la información anterior. Datos complementarios: ∆h°f NH3 = – 10. CP NH3(g) = 14 cal/mol K. Suponga que: 1) el N2 y el H2 están en proporción estequiométrica en la corriente 4. CP H2(g) = 7 cal/mol K Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .2 moles de la corriente 7 por mol de la corriente 8.02%n 8 T8=332 K 5 2 C3H4O CO2 O2 4 N2 H 2O C3H6 10. Tome la Tº = 25ºC. esto se logra mezclando unas corrientes adicionales más frías (2 y 7) con las corrientes provenientes de los reactores 1 y 2. Considere que los mezclados se llevan a cabo de forma adiabática. En una modificación del proceso producción de amoniaco. en el segundo y tercer reactor. determine: la conversión del N2 en el reactor 3. se utilizan tres etapas de reacción adiabáticas mediante la reacción: N2(g) + H2(g) ⇒ NH3(g) Las conversiones del N2 en los dos primeros reactores se mantienen en 5% y las temperaturas de entrada a los reactores se mantienen a 425 °C. 4 425 °C Proporción 1:3 de N2:H2 N2 H2 NH3 N2 H2 NH3 N2 H2 conversión de 5% Reactor 1 US 1 425 °C 5 3 US 2 1 .92%n N2 96. 3) que la composición de la corriente 9 es 24 %n de N2. CP N2(g) = 7. la composición (porcentaje mol) y temperatura del efluente del reactor 1.92 kcal/mol. el calor retirado en la U S1.5 cal/mol K. 1.735. Con una conversión del etano del 90%. a) 98. para que alcance los 98.884.4 115 λV (J/g) 2102 2215 1.2 bar Líquido saturado Solución concentrada 3 Sólidos 15%w A partir de la información proporcionada.695 6. Tome la T0 = 0 ºC. efectúe los balances y cálculos correspondientes para elegir sólo una de las 4 opciones presentadas (NO ANOTE NINGÚN OTRO VALOR).394 d) 53.521%.2 bar y una calidad del 98%. el vapor se alimenta a un evaporador (que opera a una P = 1. El calor suministrado por el vapor de calentamiento ( QV en kJ/h). El calor suministrado a la solución diluida (QIC = kJ/h). se reduce la presión del vapor hasta 1. en ésta.03346 0.737 b) 35.7 bar (9).7 kJ/kgºC CP H2O liq = 4. La temperatura de la corriente 5 (T5).05958 –74. A las condiciones de operación.8ºC 2 7 1.2 105 2244 CP soluciones = 3. Tome la Tº = 298K C2H6(g) ⇒ C2H4(g) + H2(g) C2H6(g) + H2(g) ⇒ CH4(g) C2H4(g) + C2H6(g) ⇒ C3H6(g) + Datos complementarios H2O(g) C2H4(g) Compuesto C2H6(g) CP (kJ/mol K) 0. la economía del evaporador (Masa de Evaporado/Masa de vapor de calentamiento) es de 0. a) 333. A estas condiciones. a) 44. a) 28 b) 20 c) 22 d) 33 5.04075 –84.521%. H2 = 28. Para un flujo molar total del efluente del reactor de 142 mol/h.105 b) 277.8ºC.67 –241.884 kJ/kgºC 6 Vapor saturado 5 4 Evaporado IC 98.2 1.01987 0.176 K): C2H4 = 28. pero se sabe que la relación molar de metano a propileno en esta corriente es de 3 a 1.41 El vapor de calentamiento proveniente de la caldera (8). llega a la válvula reductora de presión (VRP) a una presión de 5.797 c) 40. 75 . Solución diluida 3%w 20°C 1 P (bar) 5. propileno (C3H6) y etano (C2H6). El flujo másico de la solución concentrada (M3).8 b) 105 c) 115 d) 153 2.Problemario De Balances De Materia Y Energía ANEXO DEL TERCER PROBLEMARIO A un reactor se alimenta una mezcla equimolar (450 K) de etano (C2H6) y vapor de agua. en la que este último actúa como diluyente. se obtiene el siguiente análisis molar del efluente del reactor (1.579 kJ/h.58 ∆hof (kJ/mol) RESPUESTA: 9.83 52.85 20.04085 0 CH4(g) C3H6(g) 0. desconociéndose los porcentajes de metano (CH4).2 bar 9 10 1.04937 0. y las pérdidas de calor en el evaporador son de 16.93 (I) (II) (III) CH4(g) H2(g) 0.655 kJ/h y las del intercambiador de calor (IC) de 3.2 bar) a una velocidad de 100 kg/h para concentrar una solución inorgánica del 3%w al 15%w. H2O = 35.7 bar VRP Líquido saturado 8 Vapor de calentamiento 5.186 kJ/kgºC CP H2O vap = 1. por lo cual entra ligeramente sobrecalentado. La temperatura de la corriente 9 (T9).588 c) 222.070 d) 40394 4. El flujo másico de evaporado empleado (M7) en el IC en kg/h. determine el calor suministrado o retirado en el reactor.211%. a) 115 b) 118 c) 120 d) 121 3.7 T (ºC) 153. a) 28 b) 16 c) 20 d) 24 Se recomienda que el profesor resuelva en clase los problemas en negrita curvisa .
Report "Ejercicios de Balance de Materia y Energia"