INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALIINGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II El antimonio se obtiene calentando estibnita pulverizada con Fe de desperdicios y extrayendo el antimonio fundido del fondo del reactor. SbS3 + 3Fe 2Sb + 3FeS Se calienta 0.600kg de estibnita con 0.250kg de Fe para producir 0.200kg de antimonio metálico. Calcular: a) Reactivo limitante. b) % de reactivo en exceso. c) % de conversión. d) % de selectividad e) Rendimiento. 35 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 1 Cuando un mol de N2 y 3 mol de H2 se calientan a 400ºC y se llevan a 10 atm. de presión, se produce la reacción: N2 + 3H2 2NH3 Cuando se ha alcanzado el equilibrio, se encuentra que se han formado 0.148 gmol de NH3. a) ¿Cuántos gmol de nitrógeno se consumen? b) ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio? c) ¿Cuál es el porcentaje de concentración? 36 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 2 Para preparar los fertilizantes de superfosfato se trata la roca fosfórica con ácido sulfúrico, con objeto de hacer más solubles los fosfatos. 2Ca5F(PO4)3 + 7H2SO4 + 3H2O 3CaH4(PO4)2H2O + 7CaSO4 + 2HF a) ¿Que cantidad de H2SO4 se requerirá para reaccionar con 100 toneladas diarias de roca? b) ¿Que cantidad de HF se producirá? c) ¿Cuál deberá ser la concentración de H2SO4? 1.- H2SO4 + H2O 2.- Roca Fosfórica 3.- HF 4.- Residuo Sólido 37 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 3 En la producción de carbonato de sodio por el proceso Le Blanc se llevan a cabo las siguientes reacciones químicas: NaCl + H2SO4 NaHSO4 + NaCl Na2SO4 + 2C Na2S + CaCO3 NaHSO4 + HCl Na2SO4 + HCl Na 2S + 2CO2 Na2CO3 + CaS Sí se quisiera obtener 10 toneladas diarias de carbonato de sodio, ¿Cuanto de cada materia prima se necesitará? Suponga un conversión del 100% para las reacciones ¿Cuántos subproductos saldrían? 38 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 4 Para obtener HF, comercialmente se hace reaccionar la flourita(1000kg)con ácido sulfúrico en un reactor enchaquetado y se calientan a 200º C y P=1atm (la reacción es endotérmica). De ese reactor salen una mezcla de gases, que son: HF, H2Sfe, H2SO4, H2O y CO2. Por la base del reactor se obtiene CaSO4. Las reacciones que se efectúan son: CaF2 + H2SO4 2HF + CaSO4 6HF + SiO2 H2SiF6 +2H2O CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 +H2O Sí se requiere obtener 1Ton/h de HF y sí se sabe que el rendimiento de la 1ª reacción es del 90%, ¿Qué cantidad de flourita (CaF 2 al 93%, CaCo4 al 4%) y de H2SO4 (96%) se deberá añadir al reactor? ¿Que cantidad de productos se obtienen?. 39 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 5 En un quemador se introduce butano con un 25% más del aire requerido. Si se queman 85m3 medidos a 20º C y 760mm de Hg. ¿Qué cantidad de aire se requerirá a las mismas condiciones? ¿Cuál será la composición de los gases salientes? ¿Que volumen ocupara los gases salientes si están a T=800 º C y P=1 atm? 2C4H10 + 13O2 8CO2 + 10H2O 40 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 6 A un convertidor de amoniaco se le alimenta una mezcla estequiométrica de nitrógeno y de H (1a 3). En el convertidor, 10% de los reactivos se convierten en amoniaco. El amoniaco formado se quita en el condensador. El gas no reaccionante se recicla al convertidor. Para eliminar la acumulación ilimitada de inertes (argón) se coloca una purga en la corriente de reciclo. Calcule la fracción de gas reciclado que debe purgarse sí el argón entrante al proceso debe ser de 0.5%. El argón entrante al proceso viene con el N 2 que se obtuvo del aire. Composición del aire: O2 =20.99%, N2=78.03, Ar=0.95% molar. N2 + 3H2 2NH3 41 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 7 En un reactor continuo de deshidrogenación a flujo permanente, se llevan a cabo las siguientes reacciones: C2H6 C2H4 + H2 C2H6 + H2 2CH4 El flujo molar de alimentación es de 100 kgmol y la corriente de productos sale del reactor a un flujo de 140 kgmol/h. La composición de los gases en % en mol es: ALIMENTACION PRODUCTOS C2H6 85 C2H6 30.6 INERTES 15 C2H4 28.6 H2 26.8 CH4 3.6 INERTES 10.7 a) ¿Cuál es la conversión del etano? b) ¿Cuál es el rendimiento del etileno basado en la alimentación de etano? c) ¿Cuál es la selectividad del etileno relativa al metano? 42 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 8 La reacción entre el vapor de agua y el hierro nos da: 3Fe(s) + 4H2O(g) Fe3O4 (s) + 4H2 T=900ºC P=1 atm; Kp=1.53. Sí un gramo mol de Fe se trata con 4gmol de H2O, ¿Cual será la conversión en el equilibrio @ 900ºC? 43 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 9 Calcule la composición en el equilibrio cuando 5 moles de vapor de agua reaccionan con 1 mol de metano a T=600 0C y P=1atm. Las reacciones que se llevan a cabo son: CH4 + H2O CO + 3H2 K1=0.574 CO + H2O CO2 + H2 K2=2.21 44 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 10 (Altos Hornos) Un mineral que contiene la siguiente composición: Fe2O3 =70%, SiO2 =15%, MnO=2%, Al2O3=13%, se funde en un alto horno para dar un metal con el siguiente análisis: Fe=93.8%, Mn=0.7%, C=3.7%,Si=1.8% Para obtener una tonelada de ese metal se emplearon 600kg de coque de 80% de Carbono y 20% de SiO2. El análisis volumétrico de los gases da 26% de CO, 13% de CO2 y el 61% de N2. En la escoria no queda nada de Hierro y contiene 30% de CaO (todo el Al2O3, el MnO sin reaccionar, SiO2 sin reaccionar). Determinar la cantidad de mineral y de caliza (carbonato de Calcio puro que se utiliza como fúndente), así como el volumen de gases inyectados y expulsados por tonelada de lingote de hierro. 1.) Fe2O3 → 2Fe +O2 4.) Al2O3 → Al2O3 2.) SiO2 + C → Si+CO2 5.) CaCO3 → CaO + CO2 3.) MnO + C → Mn + 6.) C + O2 → CO2 CO2 7.) C + O2 → CO 45 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 11 La oxidación del metanol se lleva a cabo a 500ºC sobre un catalizador. CH3OH + 1/2O2 CH2=O + H2O La alimentación al reactor consiste en aire y metanol a razón de 2 moles 02 por mol de metanol. La conversión por paso es 20% y los gases residuales que no reaccionen se mandan a un condensador, en donde se separa el metanol, el cual sé recircula. Se alimenta gas continuamente para que se mantenga la relación de 2:1. a) ¿Cuál será la composición de la alimentación para dar una conversión total del 100%? b) Calcule los moles de CH3OH recirculados por mol de metanol alimentado para dar una conversión del 100%. 46 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 12 Un mineral de pirita contiene 90% de FeS2 w/w y 10% de inertes w/w. Este material se calcina con 25% de aire en exceso, de acuerdo con la reacción: 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 +8SO2 La mezcla sólida sale del calcinador con 13% de inertes en peso y el resto de FeS 2 y FeO3. Calcule: a) El peso de sólidos que salen del calcinador. b) El % de conversión basados en FeS 2. c) El análisis de Osart de los gases producidos. NOTA: El análisis de los gases de combustión que incluye todos los gases, excepto el vapor de agua, recibe el nombre de análisis de Osart, o análisis Base Seca. 47 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 13 El análisis de ciertos gases de salida de un quemador de piritas, en el que se quemó FeS2 con O2, da: 57% SO2 28.5% O2 14.5% SO3 Se cree que las reacciones se llevaran a cabo: 4FeS2 + 15O2 2Fe2O3 + 8SO3 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 Para cada kgmol de gas saliente, a) ¿Cuanto oxígeno se uso? b) ¿Cuál es el exceso de O2 usado? c) ¿Cuantos moles de FeS2 se quemaron? 48 Maestra: Q. Lydia Toscano P.. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI INGENIERÍA QUÍMICA BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA UNIDAD II PROBLEMA 15 El H2S que acompaña a ciertos gases naturales se separa absorviéndolos en etanol amina. El H2S procedente del absorvedor se lleva a un horno. En donde un tercio del H2S se oxida a SO2; este ultimo reacciona entonces catalíticamente con el H2S remanente para dar Azufre. En una cierta planta los gases entrantes al horno dan el siguiente análisis: H2S=53.92% VOLUMEN CO2=34.75% " CH4= 2.74% " H2O= 8.59% " La adición de aire se controla para que se lleve a cabo la combustión completa de hidrocarburos y la oxidación del H2S a azufre. Las reacciones que se llevan a cabo son: H2S + 3/2 O2 SO2 + H2O 2H2S + SO2 3S + 2H2O La reacción se lleva a cabo con un rendimiento del 91.7%. Si se quiere obtener 100 ton/día de S, a) ¿Que cantidad de m3 de gases y aire se necesitan a 50 ºC y 5 lb/in2 man? b) ¿Cuál será la composición de los gases salientes? 49 Maestra: Q. Lydia Toscano P..