Balances de materia con reacción químicaProblemas propuestos 1. En la reacción: BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + NaCl a) ¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para reaccionar con 5 g de sulfato de sodio? b) ¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para precipitar 5 g de sulfato de bario? c) ¿Cuántos gramos de cloruro de bario se requieren para producir 5 g de cloruro de sodio? d) ¿Cuántos gramos de sulfato de sodio se necesitan para precipitar 5 g de bario contenidos en el cloruro de bario? 2. En la reacción: AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3 a) ¿Cuántos gramos de nitrato de plata harán falta para reaccionar con 5 gramos de NaCl? b) ¿Cuántos gramos de nitrato de plata se requieren para la precipitación de 5 g de cloruro de plata? c) ¿Cuántos gramos de nitrato de plata equivalen a 5 g de nitrato de sodio? d) ¿Cuántos gramos de cloruro de sodio se necesitan para precipitar 5 g de plata contenidos en el nitrato de plata? 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. 4. 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? Reacciones: CaCO3 CaO + CO2 (I) MgCO3 MgO + CO2 (II) 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. Para producir 2 000 libras de sulfato de aluminio se emplean 1080 libras de bauxita y 2 510 libras de solución. a) Determinar el reactante en exceso. b) Calcular el porcentaje en exceso. c) ¿Cuál es el grado de conversión de la reacción? Reacción: Al2O3 + H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2O 6. El fósgeno 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 fósgeno puede prepararse por medio de la 67 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 cantidades de producto de la reacción en cierto reactor y los resultados son: 3 lbmol de Cl2, 10 lbmol de fósgeno 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 fósgeno formada por lbmol de reactantes totales alimentadas al reactor. 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 molar promedio. d) El flujo másico de acetileno. 8. La reacción entre el etileno y el bromuro de hidrógeno se efectúa en un reactor contínuo. El flujo de productos se analiza, y se encuentra que contiene 50% mol de C2H5Br, 33% mol de HBr. 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. 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 a la salida. R. HCl = 0.13, Cl2 = 0.15, H2O = 0.15, O2 = 0.06, N2 = 0.51 10. El bióxido de carbono se puede obtener tratando una piedra caliza con H 2SO4 diluido (12% en peso de ácido). La caliza usada en el proceso contiene CaCO 3 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) 11. Bajo ciertas condiciones el N2 e H2 reaccionan de acuerdo a la siguiente ecuación. N2 + H2 NH3 Suponiendo que 280 lb de N2 y 64.5 lb de H2 se llevan a reaccionar a 515 ºC y 3 atmósferas de presión, y que despues de obtener el equilibrio existen 38 lbmol de gas, determinar: a) Reactante limitante y reactante en exceso. b) % en exceso. c) lbmol de N2, H2 y NH3 en el equilibrio. d) Grado de conversión de la reacción. 68 Balances de materia con reacción química 12. Con el fin de sintetizar 100 lbmol/h de amoniaco, se alimentan a un reactor N 2 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 13. El dióxido de titanio (TiO2) se utiliza ampliamente como un pigmento blanco. Se produce a partir de un mineral que contiene ilmenita (FeTiO 3) 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 TiO 2 puro. 14. 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 CH4 + O2 HCHO + H2O (I) 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. 15. El etanol se produce comercialmente por medio de la hidratación de etileno: C2H4 + H2O C2H5OH (I) 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. 16. El etano reacciona con cloro en un reactor continuo: C2H6 + Cl2 C2H5Cl + HCl (I) Una porción del monocloroetano reacciona con cloro en una reacción secundaria no deseada: C2H5Cl + Cl2 C2H4Cl2 + HCl (II) 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 producido. 69 17. 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%. Calcule la cantidad de mineral de fluorita que se necesita para producir una tonelada métrica de ácido. 18. La mezcla diluida de un proceso de nitración contiene 23% en peso de HNO 3, 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 cantidad se requeriría para obtener la misma mezcla concentrada? 19. 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 requieren para producir 10 000 kg de NH3/día? 20. 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 la formación de etano ocurre de acuerdo a la siguiente reacción: C2H4O + H2 C2H6O 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 de la reacción considerando las siguientes suposiciones: 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. 21. 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 de la reacción. CaO + H2O Ca(OH)2 (I) Ca(OH)2 + NaCO3 NaOH + CaCO3 (II) 22. Se quema carbono puro en oxígeno, el análisis del gas de chimenea es: CO 2 75% mol, CO 14% mol, O2 11% mol. ¿Qué porcentaje de oxígeno en exceso se usó? 70 Balances de materia con reacción química 23. 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 CO 2 a CO es de 3 a 2. ¿Qué porcentaje de aire se usó?. 24. Un aceite de combustible se analiza y contiene 87%w carbono, 11%w hidrógeno y 1.4%w azufre, el resto de materiales no combustibles, el aceite se quema con 20% exceso de aire y suponiendo que la combustión es completa, el carbono se transforma en CO 2, 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 100 kg 2 % CO2 87%w C % CO 11%w H 1 % N2 4 1.4%w S Horno % O2 0.6%w inertes % H 2O % SO2 3 inertes 25. Indique si son verdaderas (V) o falsas (F) las siguientes afirmaciones: a) Si ocurre una reacción química, las masas totales entran al sistema y salen de él en un proceso en estado estacionario son iguales b) En la combustión, todos los moles de carbono que entran en un proceso estacionario salen del proceso. c) El número de moles de un compuesto químico que entran en un proceso en estado estacionario en el que ocurre una reacción en el que interviene ese compuesto nunca puede ser igual al número de moles del mismo compuesto que salen del proceso. 26. 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). 27. 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%? 28. Un horno se alimenta con 120 kmol de propano junto con 4 284 kmol de aire. No se quema todo el propano y se forman CO y CO2. Calcule el porcentaje de aire en exceso suministrado al horno, si es posible, sin información adicional. Si se necesita más información, establezca cual es ésta. 29. 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. 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 30. Un gas tiene la siguiente composición en % volumen: 27% CO, 4% CO 2, 1% O2 y 68% N2. Este gas se quema con aire utilizando un 20% en exceso del O 2 teórico requerido por la combustión completa. Si la combustión se efectúa en un 90%, determinar la composición de los gases formados. Reacción: 71 CO + O2 CO2 31. Se tiene una mezcla de 90% en mol de etano y 10% en mol de O 2. Esta mezcla se quema con 180% de exceso de aire; un 80% se transforma en CO 2, 10% en CO y 10% residual permanece sin quemarse. Calcule la composición de los gases de salida. C2H6 + O2 CO2 + H2O (I) C2H6 + O2 CO + H2O (II) 32. 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 (I) CH4 + O2 CO2 + H2O (II) 33. 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: CH4 + O2 CO2 + H2O (I) C2H6 + O2 CO2 + H2O (II) C3H8 + O2 CO2 + H2O (III) 34. El análisis de un gas natural contiene 4 lbmol de CH4 por 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 1 H2O 4 CO2 1.2% Quemador Separador O2 4.9% CH4 3 O2 N2 93.9% N2 2 Aire N2 5 H 2O CO2 absorbido Reacción: CH4 + O2 CO2 + H2O 35. 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 O 2, ¿cuál será la relación de moles de SO3 por mol de SO2 en dichos gases? 72 Balances de materia con reacción química Aire 20% de exceso 2 SO2 SO2 1 SO3 4 SO3 S Horno Convertidor O2 5% 3 O2 N2 N2 Reacciones en el horno: S + O2 → SO2 (I) S + O2 → SO3 (II) 36. 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 SO 2 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 SO 2 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 el O 2 teórico requerido para que todo el azufre se oxide a SO3? Aire 2 2.2% SO2 0.1% SO2 1 SO2 SO3 SO3 S Horno Convertidor 1 Convertidor 2 3 O2 4 O2 9.3 %O2 5 N2 N2 N2 Reacciones: S + O2 SO2 (I) SO2 + O2 SO3 (II) 37. 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 está 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. HNO3 HNO3 4 H2O 1 Na2SO4 Quemador Separador 3 H2SO4 100 lb NaNO3 2 H2O 5 Pasta HNO3 95% H2SO4 H2SO4 34% 5% H2O H2O 1.5% Na2SO4 Reacción: NaNO3 + H2SO4 HNO3 + Na2SO4 38. A un reactor se alimenta una mezcla equimolar de CO e H2 con el fin de sintetizar CH3OH, conforme a la reacción: CO + H2 CH3OH (I) De acuerdo a las condiciones del proceso reacciona 65% del hidrógeno alimentado al reactor, desafortunadamente sólo el 58% de esta cantidad, produce CH 3OH, mientras que el resto, produce CH4 y H2O según la reacción: CO + H2 CH4 + H2O (II) 73 De acuerdo con el diagrama mostrado, y la información complementaria que contiene, determine los flujos molares de todas las corrientes. CO CH4 3 H2 1 2 Reactor Separador 4 CH3OH 150 kmol/día H2O 39. 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 que se alimentan al reactor. ¿Cuál es la composición en % mol del producto formado etilenglicol-agua? Gas seco H 2O C2H4 C2H4 1,075% 3 H2O 4,3% C2H4O 5% C2H4 1 Reactor CO2 2 4 N2 80,7% 95% aire Absorbedor O2 13,925% catalítico H2O T=250 °C N2 PH2O 15.4 mm de Hg 5 O2 PT 730 mm de Hg Etilenglicol-agua Reacciones del catalizador: C2H4 + O2 C2H4O (I) C2H4 + O2 CO2 + H2O (II) C2H4O + H2O (CH2OH)2 (III) 40. En un centro de investigación de nuevas tecnologías, se estudia una forma alterna para la producción de acroleína (C3H4O), que consiste en hacer reaccionar propileno (C3H6) con oxígeno gaseoso (O2) mediante la reacción: C3H6 + O2 C3H4O + H2O De acuerdo con los resultados experimentales obtenidos, se ha determinado que también se efectúa la reacción secundaria: C3H6 + O2 CO2 + H 2O Aun reactor a nivel laboratorio se alimenta una corriente gaseosa que consiste en 12.5% mol de C3H6, 12.5% mol de O2 y resto de N2 como diluyente. La corriente que abandona el reactor se alimenta a un equipo de separación donde se separa la acroleína y el propileno de los demás componentes, si a la salida del reactor se ha encontrado que existen 3 mol de acroleína por mol de bióxido de carbono, calcule el grado de conversión de la reacción, la composición completa de la corriente (4) y la relación de acroleína producida a propileno alimentado. 74 Balances de materia con reacción química C3H4O C3H6 3 N2 84.964%n C3H6 O2 6.281%n equipo de CO2 O2 1 Reactor 2 4 separación H2O N2 41. Se utiliza un reactor catalítico para producir formaldehido 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 formaldehido y del hidrógeno en un proceso de varias unidades. Si, la producción del formaldehido 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. 42. 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. Si, de la carga a la entrada del reactor, el 25% se transforma en NH3 y 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? H2 , N2 4 H2 3 H2 Reactor Separador 1 2 N2 N2 NH3 5 NH3 Reacción: N2 + H2 NH3 43. El metanol se produce mediante la reacción de monóxido de carbono e hidrógeno. Un flujo de alimentación fresca contiene CO e H2 se mezcla con un flujo de recirculación, el flujo combinado 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, H 2 y CH3OH no condensado 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. Calcule los de flujos molares del CO y del H2 en la alimentación fresca y la velocidad de producción del metanol líquido. 44. 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 CH 3Cl 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 75 una torre de absorción, donde se absorbe HCl. El gas que sale de la torre, que puede considerarse como metano puro, se retorna al reactor. Para una velocidad de producción de 1 000 kg de CH 3Cl/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. 45. Se va a producir ácido acético por la adición de 10% de exceso de H 2SO4. 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 4 7 6 HAc 1 000 lb/h Reactor Separador 1 Separador 2 Ca(Ac)2 1 3 5 8 H2SO4 CaSO4 Ca(Ac)2 46. 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 CO 2 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 sale en la corriente 6?. Las reacciones que se efectúan son: C2H4| + O2 C2H4O (I) C2H4 + O2 CO2 + H2O (II) C2H4 5 T=127 °C C2H4O C2H4O 20 ton/día C2H4 P=800 mm de Hg C2H4 4 6 CO2 O2 3 Reactor Separador C2H4 CO2 H 2O 1 2 O2 H2O O2 O2 47. 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 el flujo molar de etileno y oxígeno en la alimentación fresca requeridos para producir 1 500 kg de C2H4O/h, y la conversión global del etileno. 48. 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 76 Balances de materia con reacción química 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). 7 N2 , H2 , I 2 5 1 4 6 Reactor Condensador NH3 N2 , H2 , I 3 49. 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 N 2. El flujo de producto que sale del condensador contiene solo 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. 50. 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 CO 2 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. CO2 5% CO2 7% Calcita CO2 8.65% CO2 1 O2 O2 5 O2 O2 Aire N2 N2 N2 7 9 N2 2 Horno A Horno B 3 4 Carbón 6 SiO2 8 CO2 CaO O2 N2 Reacción en el horno A: C + O2 CO2 (I) Reacción en el horno B: CaCO3 CO2 + CaO (II) 51. En un convertidor se obtiene amoniaco por síntesis directa, operando en las siguientes condiciones: A la entrada del convertidor se tiene una mezcla de H 2 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 convertidor se obtiene una conversión del 10% por paso. El amoniaco formado se separa del sistema y se purgan parte de los gases sin convertir antes de recircularlos al convertidor. 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. 7 2 5 1 4 6 Convertior separador 3 Reacción en el convertidor: N2 + H2 NH3 77 52. El formaldehído se forma a partir de la oxidación parcial de metanol: CH3OH + O2 CH2O + H2O La mezcla gaseosa alimentada al reactor contiene 8% mol de metanol y 10% mol de O 2 (corriente 4). El metanol se convierte completamente a formaldehído en el reactor. Calcular las lbmol/min de las corrientes 1, 2, 3, 4 y 5 necesarias para producir 3 000 lb/min de solución de formaldehído al 37% peso. Aire 6 Gas recirculado 8 N2 O2 2 7 5 T 8% metanol o H 2O 1 10% O2 Convertior 6 C-II r metanol 3 r e 3 000 lb/h de sol’n 9 formaldehído al 37% masa 78