EIQ_242_2013_2_Balance_de_Masa_2_

8/14/2019 EIQ_242_2013_2_Balance_de_Masa_2_

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ementos de F ementos de F sico Qusico Qu micamica 19/019/08

ofesor: Luis Vega Alarc ofesor: Luis Vega Alarc nn

111

Elementos de Fsico Qumica

EIQ 242Profesor: Luis Vega Alarcn2semestre 2013

Balance de MasaUnidad 2

2

Principio de Conservacin de laMasa

La masa no se crea ni sedestruye solo se transforma

Este principio es aplicable a cualquier material, para la masatotal del sistema o para cualquier especie atmica o molecularinvolucrada con ste. Aplicable a una nica unidad de proceso,varias unidades, o a una planta o complejo industrial.


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3

En el curso este principio loaplicaremos algunas unidades de

proceso ampliamente utilizadas enla industria qumica

Columnas de Destilacin

Evaporadores

Cristalizadores

Reactores

Calderas

Otras unidades

4

Columnas de Destilacin


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5

Condensador

Rehervidor

Alimentacin

Destilado

Fondo

Acumuladorde Reflujo

6


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9

Un evaporador de mltiples efectos consiste en una serie deevaporadores conectados entre si (llamados efectos) a travs delos cuales pasa una solucin tornndose ms concentrada encada unidad.

10

CristalizadoresLa operacin de cristalizacin es aquella por media de la cual sesepara un componente de una solucin liquida transfirindolo ala fase slida en forma de cristales que precipitan.


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11

ReactoresUn reactor qumico es una unidad procesadora diseada paraque en su interior se lleve a cabo una o varias reaccionesqumicas. Dicha unidad procesadora cuenta con lneas deentrada y salida para sustancias qumicas.

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13

Los reactores de estanque ( autoclaves ) son los reactores quems prevalecen, pues se adaptan bien a la operacin discon-tinua o continua y a velocidades de produccin pequeas omedias, dentro de un amplio intervalo de presiones ytemperaturas.

14

Existen muchos tipos de reactores qumicos, y cada unoresponde a las necesidades de una situacin en particular, entrelos tipos ms importantes, ms conocidos, y mayormenteutilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:

Reactor discontinuo o batch . Es aquel en donde no entra nisale material durante la reaccin, sino mas bien, al inicio delproceso se introducen los materiales, se lleva a las condicionesde presin y temperatura requeridas, y se deja reaccionar porun tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de

la reaccin y los reactantes no convertidos.Reactor continuo . Mientras tiene lugar la reaccin qumica alinterior del reactor, ste se alimenta constantemente de materialreactante, y tambin se retira ininterrumpidamente los productosde la reaccin.


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15

Tanque con agitacin continua . Este reactor consiste en untanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante ydesde el cual sale continuamente el material que ha reaccio-

nado. La agitacin del contenido es esencial para producir unamezcla uniforme de los reactivos.

16

Reactor tubular . En general es un reactor de operacincontinua, con movimiento constante de uno o todos losreactivos en una direccin espacial seleccionada, y en el cualno se hace ningn intento por inducir al mezclado. Tienenforma de tubos, los reactivos entran por un extremo y salen porel otro.

Reactor de lecho fluidizado . Se utiliza para reacciones dondeintervengan un slido y un fluido (generalmente un gas). Enestos reactores la corriente de gas se hace pasar a travs delas partculas slidas, a una velocidad suficiente parasuspenderlas.


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17

Reactores de lecho fijo . Los reactores de lecho fijo consistenen uno o ms tubos empacados con partculas catalticas. Laspartculas catalticas pueden variar de tamao y forma. El lechoest constituido por un conjunto de capas o mallas de estematerial.

Fermentadores . Este tipo de reactores utilizan hongos, loscuales forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en unasopa espesa que contiene crecimientos filamentosos. Unejemplo se encuentra en la fabricacin de antibiticos como lapenicilina

18

Caldera Calderas


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19

20


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21

22

Estas unidades y otras podemos generalizarlas:

Unidadde

Proceso

N corrientesde entrada

M corrientesde entrada

En trminos general, los trminos involucrados en la ecuacinde balance de masa de un proceso qumico son:

)()()()()( nAcumulaciConsumoSalidasGeneracinEntradas =+


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23

Si el proceso opera en forma estacionaria (o permanente), nohay acumulacin de materia dentro del sistema.

)()()()( ConsumoSalidasGeneracinEntradas +=+

Los trminos de generacin y consumo son nulos si la cantidadsometida a balance es la masa total o si no es un reactivo oproducto de reaccin, o si no hay reaccin qumica dentro delsistema:

)()( SalidasEntradas =

24

SistemaAbierto

N corrientesde entrada

M corrientesde entrada

Los balances de masas, de losproceso qumicos que cla-sifican como sistemas abier-tos, indican lo que sucede en

un instante dado y cada uno desus trminos es un termino develocidad, por ejemplo:

sSOgr 2

SistemaCerrado

Los balances de masa parasistema cerrados describen loqu ocurre entre dos instan-tes. Sus trminos son canti-

dades de sustancia y poseelas unidades correspondien-tes, por ejemplo:

[ ]2SOgr


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25

Procedimiento sugerido para B.M.

Se sugiere el siguiente procedimiento para los clculos de

balance de masa, una vez conocida la descripcin del proceso,el valor de varias variables de proceso, y la lista de cantidadesa determinar (incgnitas):

Representar en un diagrama esquemtico el proceso, lasvariables conocidas y las incgnitas.

1)

Elegir como base de clculo una cantidad o flujo de una delas corrientes de proceso.

2)

Convertir volmenes o flujos volumtricos conocidos a

cantidades msicas o molares.

3)

26

Formular las ecuaciones de balance masa.4)El nmero mximo de ecuaciones linealmente indepen-dientes que pueden formularse para un sistema sin reaccinqumica equivale al nmero de especies qumicaspresentes.

Resolver el sistema de ecuaciones formulado.

Traducir a ecuaciones toda otra informacin relacionada alproceso que sirva para resolver el problema.

5)

6)

Para que el sistema de ecuaciones formulado tenga unasolucin nica se deben tener un nmero de ecuacionesindependientes igual al nmero de incgnitas. Si hay masincgnitas que ecuaciones el sistema se encuentrasubderteminado o subespecificado, si por el contrario hay masecuaciones que incgnitas el sistema esta sobre-determinado.


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27

Ejemplo 1. Se alimenta a una columna de destilacin 1000mol/min de una mezcla con una composicin 50% molar debenceno y el resto de tolueno, para obtener una corriente de

destilado con un 98% molar de benceno, y una corriente defondo con un 10% molar de benceno. Calcular el flujo molar dela corriente de destilado.

1000 mol/min

50% Benceno50% Tolueno

D98% Benceno

F

10% Benceno

1) Representar un diagrama del proceso.

28

B.M. Total: FD1000 +=B.M. Benceno: F10.0D98.0500 +=

B.C.: 1000 mol/min de la corriente de alimentacin.

Resolucin del sistema de ecuaciones:

=minmol

55.454D

2) Elegir la base de clculos.

3) No es necesario realizar transformaciones de unidades yaque todos los datos son expresados en trminos de moles.

4) Formular balance de masas.

5)

1000 mol/min

50% Benceno50% Tolueno

D98% Benceno

F

10% Benceno


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29

Cuando se est analizando una parte del proceso integrado por

mltiples unidades , los balances se deben formular primerosobre aquellos sistemas que tengan el menor nmero devariables desconocidas (incgnitas).

Reactor Separador

Sistemas mltiples unidades

30

Ejemplo 2. Un evaporador de triple efecto se emplea paraproducir agua potable a partir de agua de mar, la cual contiene4.0% en peso de sal (la sal puede considerarse como formadaexclusivamente por NaCl en este problema). Cuarenta mil libraspor hora de agua de mar se alimenta al 1 er efecto delevaporador. A continuacin se incluye un diagrama simplificadodel proceso.

1er

EFECTO2do

EFECTO3er

EFECTO

H2O(v) H 2O(v) H 2O(v)

40000 lb/hr

4% pesode NaCl

2% molarde NaCl

Vapor Vapor Vapor


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31

La composicin de la solucin que abandona el 3 er efecto semide con un medidor de conductividad elctrica, calibrado a finde proveer una lectura de la fraccin molar de NaCl de lasolucin. Se obtiene una lectura de 0.02. Se elimina porebullicin aproximadamente la misma cantidad de agua encada uno de los efectos. Calcular las lb m /hr de eliminacin porebullicin en cada efecto y el porcentaje en peso de NaCl en lasolucin que abandona el segundo efecto.

1 er

EFECTO2do

EFECTO3er

EFECTO

H 2O(v) H 2O(v) H 2O(v)

40000 lb/hr

4% pesode NaCl

2% molarde NaCl

Vapor Vapor Vapor

32

1er

EFECTO2do

EFECTO3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% pesode NaCl

2% molarde NaCl

S3S2

1) Representar un diagrama esquemtico del proceso.

B.C.: 40000 lb m /hr de salmuera en la alimentacin.2) Elegir la base de clculos.

Convertir la composicin molar en composicin en peso.

Tomando como base para esta conversin 100 lb-mol desalmuera a la salida del tercer efecto.Compuesto n [lb-mol] P.M m [lb] % masico

NaCl 2 58,45 116,90 0,0621H2O 98 18,02 1765,96 0,9379

1882,86

3)


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33

1er

EFECTO2do

EFECTO3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% pesode NaCl

2% molarde NaCl

S3S2

Considerando como sistema el evaporador completo:

3SM340000 :Total.M.B V +=

3S(0.0621)00)(0.04)(400 :NaCl.M.B =

Resolviendo obtenemos:

==hr lb

Myhr lb

S mvm 4745257653

4) Plantear y resolver balances de masas.

34

Considerado como sistema al 3 er efecto.

1er

EFECTO2do

EFECTO3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% pesode NaCl

6.21% pesode NaCl

S3S2

3.. SMS :TotalMB V2 +=

=+=hrlb

S m2 30510257654745


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37

Purgas.

Purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumulacinde sustancias inertes o indeseables que de otra manera seacumularan en el flujo de reciclaje.

ReactorCondensador

Purga

38

Tanto los puntos de mezcla como lospuntos de separacin cumplen el

principio de conservacin de la masa.

ReactorCondensador

Purga


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39

Escalamiento

Para un proceso balanceado los flujos msicos (pero no lasfracciones msicas) de todas las corrientes puedenmultiplicarse por un factor comn y el proceso permanecerbalanceado.

40

Balance de Masa con ReaccinQumica

La aparicin de una reaccin qumica enun proceso impone restricciones

adicionales entregadas por la ecuacinestequiomtrica de la reaccin

)Consumo()Salida()Generacin()Entrada( +=+


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41

La estequiometra es la teora de las proporciones en las quese combinan entre s las especies qumicas.

La ecuacin estequiomtrica de una reaccin qumica es unaafirmacin acerca de la cantidad relativa de molculas o molesde reactivos y productos que participan en la reaccin.

322 SO2 OSO2 +Los coeficientes estequiomtricos son los nmeros quepreceden a las formulas de las especies participantes en lareaccin.

Una ecuacin estequiomtrica debe estar balanceada para servlida; es decir, el nmero de tomos de cada especie atmica

debe ser el mismo a ambos lados de la ecuacin, ya que lostomos no se crean ni se destruyen durante la reaccinqumica.

42

Proporciones estequiomtricas . Corresponde a la situacinen que la relacin de los moles de los reactivos presentes esequivalente a la relacin estequiomtrica obtenida a partir de laecuacin balanceada de la reaccin. Si los reactivos sealimentan a un reactor en proporcin estequiomtrica y lareaccin se completa, todos los reactivos se consumen.Reactivo limitante . Se define al reactivo que est presente enuna proporcin menor que la estequiomtrica respecto de losotros reactivos. Significa que al correr completamente lareaccin este reactivo ser el que primero desaparezca.Reactivo en exceso . Son todos los restantes reactivos.

( )100

nn-n

reactivo)undeexcesoen(%est

est=

nest : lo define el reactivo limitante.


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43

La fraccin de conversin de un reactivo (f) se define como:

limitantereactivodelsalimentadomoleslimitantereactivodelconsumidosmoles

f =

La fraccin sin reaccionar del reactivo esta dado por (1 - f).

Las reacciones qumicas no se llevan a cabo en formainstantnea, es ms, muchas de ellas son muy lentas. Por estarazn en muchos casos, no resulta practico disear un reactorpara una conversin completa del reactivo limitante.

Conversin

44

Ejemplo 3. En una planta industrial se lleva a cabo la reaccinentre el metanol y el oxgeno para formar formaldehdo y agua,producindose cinco millones de kilogramos de formaldehdo porao, operando 350 das al ao, 24 horas al da. El oxigenoalimentado al reactor se halla en un 25% de exceso respecto dela cantidad requerida tericamente para la reaccin con laalimentacin de metanol, y la conversin de metanol es de 95%.Calcular la alimentacin de oxigeno requerida en kg/h.

Metanol

25% exceso

ReactorO2

5 106

kg/aode formaldehdo

OH2OCH2 OOHCH2 2223 ++


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45

25% exceso

O2

CH3OH

Reactor

5 106 kg/aode CH2O

Calculo de los kg-mol/hr de formaldehdo n 3.

n2

n1n3

[ ][ ]

[ ][ ]

=

=hr

molkg82.19

molkgkg

03.30

hr24da1

da350ao1

aokg

105n

6

3

B.C: 5 10 6 [kg/ao] de CH 2O.

46

25% exceso

O2CH3OH

Reactor

19.82 kg-mol/hr CH2O

n2

n1n3

Calculo del CH 3OH alimentado.

[ ][ ]

=

=

hrOHCH de molkg82.19

OCH de molkg2OHCH de molkg 2

hrOCH de molkg

82.19n

3

2

32)Est(OHCH3

=

=hr

OHCH de molkg86.20

95.0hr

OHCH de molkg82.19

n 33

1



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47

Calculo del O 2 alimentado al reactor.

[ ][ ]

=

=

hrO de molkg

13.04

OHCHde molkg2O de molkg1

hrOHCH de molkg

)86.20)(25.1(n

2

3

232

=

=

hrkg

28.417molkg

kg32

hrO de molkg

13.04m 22

Luego, el flujo msico del O 2 en la alimentacin es:


48

Reactor

Recirculacin con losreactivos no consumidos

Unidad de

Separacin

Entrada de reactivoal proceso

ProductoAlimentacinFresca

Una configuracin comnmente utilizada para recuperar losreactivos no consumidos es colocar a la salida del reactor unaunidad de separacin.

Conversin global y por paso


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49

Conversin Global

=

proceso alreactivodeEntrada

proceso delreactivodeSalida

proceso alreactivodeEntrada

global

Conversin

Reactor


Unidad deSeparacin



50

=

reactor alreactivodeEntradareactor

delreactivodeSalida

reactor alreactivodeEntrada

pasoporConversin

Reactor


Unidad deSeparacin



Conversin por paso


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51

Reacciones Mltiples

En la mayora de los procesos qumicos, se mezclan los

reactivos con el objeto de obtener el producto deseado en unanica reaccin; sin embargo, los reactivos suelen combinarseen ms de una forma, y el producto una vez formado puede asu vez reaccionar para formar algo menos deseable. Estasreacciones laterales tienen como resultado una prdidaeconmica, ya que se obtiene menos producto deseado parauna cantidad dada de materias primas.

4636242

4262

24262

CHHC HCHC2CH HHC

HHC HC

+++

+

52

Los trminos rendimiento y selectividad se emplean paradescribir el grado en que predomina una reaccin deseadasobre las reacciones laterales que compiten con ella.

( )indeseado productode formado Moles

deseado producto de formado MolesadSelectivid

limitantereactivodelconsumidoMolesdeseadoproductodeformadoMoles

reactivo

deconsumoelenbasado oRendimient

limitantereactivodelalimentadoMolesdeseadoproductodeformadoMoles

nalimentacilaen basado oRendimient

=

=

=


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53

Como los tomos no pueden crearse ni destruirse en unareaccin qumica, los balances sobre especies atmicas puedenformularse simplemente como:

)Salida()Entrada( =

Los balances sobre especies atmicas son recomendablescuando ocurren varias reacciones en forma simultnea.

Balance atmico

54

Ejemplo 4. Se produce xido de etileno mediante la oxidacincataltica de etileno:

OHC OHC 42221

42 +

Una reaccin competitiva indeseable es la combustin deletileno:

OH22CO O3HC 22242 ++

La alimentacin al reactor (no la alimentacin fresca al proceso)contiene 75% molar de C 2H4 y el resto de O 2. La conversinfraccionaria de etileno en el reactor es 20%, y el rendimientodel oxido de etileno, en base al etileno consumido, es de 80%.Se emplea una unidad de separacin para separar losproductos: se recirculan el C 2H4 y el O 2 nuevamente al reactor;el C 2H4O se vende como producto, mientras que el CO 2 y elH2O se descartan.


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55

Reactor

S e p a r a

d o r

C 2H4O2

C 2H4O2

75% C 2H425% O 2

CO2

H2O

1500 kg/hrC 2H4O

Calcular el flujo molar de O 2 y C 2H4 en la alimentacin frescanecesarios para producir 1500 kg/hr de C 2H4O. Tambin,calcular la conversin global y el rendimiento global basado en

la alimentacin de etileno.

Dato: El peso molecular del oxido de etileno es 44.05.

56

Reactor

S e p a r a

d o r

C 2H4O2

C 2H4O2

75% C 2H425% O 2

CO 2H2O

1500 kg/hrC 2H4O?

OHC OHC 42221

42 +

OH22CO O3HC 22242 ++

La conversin

Las reacciones

20% de conversin del etileno

Sustancias no reactivas


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57

B.C.: 1500 kg/hr de C 2H4O producido.

=

=hr

molkg05.34

molkgkg

05.44

hr

kg1500

n6

Reactor

S e p a r a

d o r

n2 C 2H4n1 O2

n5 C2H4n4 O2

75% C 2H425% O 2

n7 CO 2n8 H2O

C 2H4On4 O2n5 C 2H4n6 C 2H4O

n7 CO 2n8 H2O

n31500 kg/hr

OHC OHC 42221

42 +

OH22CO O3HC 22242 ++

58

Considerando al reactor como sistema:

B.A.C: (1) 753 n)2)(05.34()2(n)2(n)75.0( ++=

B.A.H: (2) )2(n)4)(05.34()4(n)4(n)75.0( 853 ++=

B.A.O: (3) 8743 n)2(n05.34)2(n)2(n)25.0( +++=

Reactor

S e p a r a

d o r

n2 C 2H4n1 O2

n5 C 2H4n4 O2

75% C 2H425% O 2

n7 CO 2n8 H2O

34,05C 2H4O

n4 O2n5 C 2H4n6 C 2H4O

n7 CO 2n8 H2O

n3


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59

Reactor

S e p a r a

d o r

n2 C 2H4n1 O2

n5 C 2H4n4 O2

75% C 2H425% O 2

n7 CO 2n8 H2O

34,05


n7 CO 2n8 H2O

n3

La fraccin de conversin del 20%

353

53

42

42

n6.0n n75.0

nn75.02.0

)HCdealimentadomoles(

)HCdeconsumidosmoles(onversincdeFraccin

=

=

=

(4)

60

El rendimiento del etileno en base al etileno consumido es del

80%.

5353

42

42

n8.00.6n34.05 nn75.0

05.348.0

)HC de consumidos moles(O)HC de formados (moles

ientodimnRe

=

=

=

(5)

Reactor

S e p a r a

d o r

n2 C 2H4n1 O2

n5 C 2H4n4 O2

75% C 2H425% O 2

n7 CO 2n8 H2O

34,05C 2H4O

n4 O2n5 C 2H4n6 C 2H4O

n7 CO 2n8 H2O

n3


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61

Resolviendo el sistema de 5 ecuaciones obtenemos:

[ ]

[ ][ ]molkg25.170n

molkg37.28n

molkg75.283n

5

4

3

=

=

=

[ ][ ]molkg03.17n

molkg03.17n

8

7

=

=

62

Considerando el punto de mezcla como sistema:

B.M. al O 2: ==+

hr molkg

57.42n )75.283)(25.0(37.28n 11

B.M. al C 2H4 :

==+hr

molkg56.42n)75.283)(75.0(25.170n 22

Reactor

S e p a r a

d o

n2 C 2H4n1 O2

n5 C 2H4n4 O2

75% C 2H425% O 2

n7 CO 2n8 H2O


n7 CO 2n8 H2O

n3 34.05


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63

%100100n

0nGlobal

Conversin

100

procesoalalimentadoreactivosdeMoles

procesodelsalenquereactivodeMoles

-procesoalalimentado

reactivosdeMoles

Global Conversin

2

2 =

=

=

%8010056.4205.34

Global ientodimnRe

100HCdesalimentadoMoles

deseadoproductodelformadosMoles

Global

ientodimnRe

42

==

=

Luego, en la alimentacin fresca se tienen 42.57 kg-mol/hr deO2 y 42.56 kg-mol/hr de C 2H4.

La conversin y rendimiento global son:

64

La reaccin de combustin debe ser una de las msimportantes en la industria de procesos relacionados con lastransformaciones de la materia. Su importancia radica en lagran cantidad de calor que libera, calor que se empleageneralmente para producir vapor, el cual posteriormente seocupa para satisfacer requerimientos especficos de la plantaindustrial.

Reaccin de Combustin


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65

La combustin es la reaccin qumica de un combustible conoxigeno.

O2

Combustible

Cmara de Combustin

(Reaccin Qumica)

Gases deChimenea

Calor

66

Los combustibles comnmente empleados ( ya sean slidos,lquidos o gaseosos) estn conformados principalmente porcarbono, hidrgeno, azufre y materiales no combustibles.

Combustible

Carbn

Madera

Gasolina

Kerosn

Gas Natural

Gas Lcuado

Slido

Lquido

Gas

AlgunosCombustibles


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67

El aire es la fuente de oxgeno en la mayora de las reacciones

de combustin. La composicin molar del aire es:Compuesto % molar

N2 78,03

O2 20,99Ar 0,94CO 2 0,03

H2, He, Ne,Kr, Xe 0,01

Para efecto de clculo resulta aceptable simplificar la

composicin a 79% molar de N 2 y 21% de O 2, con un pesomolecular de 29.

Oxigeno

68

El producto gaseoso que abandona la cmara de combustin seconoce como humos, gases de combustin o gases dechimenea. La composicin de estos gases se expresa sobre lassiguientes bases:

Composicin en base hmeda . Corresponde a lafraccin molar de los componentes de un gasconsiderando al agua (vapor) contenida en el gas.

Composicin en base seca . Corresponde a lafraccin molar de los componentes de un gas sinconsiderar el agua.

Gases de Chimenea


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69

En la reaccin de combustin (reaccin qumica) loselementos constituyentes del combustible reaccionan paraformar:

C

H

S

CO2

SO2

H2O

N NOx

COy/o

A temperaturas> 1800 C

Reaccin Qumicas

70

Si la reaccin de combustin evoluciona formando solamenteCO 2 se denomina combustin completa . Ejemplo: Combustincompleta del propano.

OH4CO3 O5HC 22283 ++

OH4CO3 OHC 2227

83 ++

Si la reaccin de combustin evoluciona formando CO sedenomina combustin parcial o combustin incompleta .Ejemplo: Combustin parcial del propano


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73

Aire en exceso . Es la cantidad en que el aire alimentado alreactor excede al aire terico

100

teorico OdeMoles

teorico OdeMoles

alimentado OdeMoles

excesoenO

dePorcentaje

2

22

2

=

74

Ejemplo 6. Se quema hexano con exceso de aire. Un anlisisdel gas producto da la siguiente composicin molar en baseseca:

Calcular el exceso porcentual de aire alimentado al reactor y laconversin fraccionaria del hexano.

Compuesto N2 CO2 O2 C6H14% molar 83 9.1 7.6 0.3

C6H14

Aire enexceso

GasProducto

83% N 29.1% CO 27.6% O 20.3% C 6H14

H2O


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75

B.C.: 100 moles base seca de gas producto.

C6H14

GasProducto

83 mol N 2 9.1 CO 2 7.6 O 2 0.3 C 6H14

n1

n2 O2

[ ]mol06.22n 83n2179

22 ==B.M. N 2 :

[ ]mol817.1n)6)(3.0()1)(1.9(n6

1

1

=

+=B.A. C :

83.0817.1

3.0817.1HCde

iafraccionar Conversin

146

=

=

Luego:

76

[ ] [ ][ ]

[ ]mol26.17HCmol1Omol5.9

HCmol1.817teoricoO146

21462 ==

Con los 1.817 [mol] de hexano obtenidos calculamos el oxigenoterico:

%81.27100

26.17

17.26-22.06 airedeexcesoen% ==

OH7CO6 O2

19HC 222146 ++


39/57



77

Problemas Resueltos

78

Problema N1 . A una columna de separacin instantnea sealimentan 1000 [lt/min] de una mezcla lquida de benceno y n-hexano con una concentracin del 60% en peso de benceno.Por el fondo de la columna salen 400 [lt/min] de una mezclalquida con una concentracin del 80% molar de benceno.Determine el flujo molar y composicin en % molar de lacorriente de tope.

C o

l u m n a

d e

S e p a r a c

i n

I n s

t a n

t a n e a

Alimentacin

Tope

Fondo

1000 [lt/min]60% pesoBenceno

400 [lt/min]80% molarBenceno

T [mol/min] ?% molar ?


40/57



79

De la tabla de propiedades fsicas: PM Densidad[gr/cm 3]

Benceno 78,11 0,879

n-hexano 86,17 0,659

659.040.0

879.060.0

1

M+= 775.0 M =

==minkg

775lt

kg775.0

minlt

1000nAlimentaci

MasicoFlujo

==minkg

465minkg

775)6.0(nAlimentaci

enBenceno

== minkg310

minkg775)4.0(

nAlimentacien Hexanon

80

n [mol] PM m [gr] % pesoBenceno 80 78,11 6248,8 78,38n-hexano 20 86,17 1723,4 21,62

7972,2

Conversin de % molar a % peso corriente de fondo:

659.02162.0

879.07838.0

1

M+= 8198.0 M =

==minkg

93.327lt

kg8198.0

minlt

400Fondo

MasicoFlujo

==minkg03.257

minkg93.327)7838.0(

FondoenBenceno

==

minkg90.70

minkg93.327)2162.0(

nAlimentacien Hexanon


41/57



81

==minkg

07.447minkg

)93.327775(Tope

MasicoFlujo

==minkg97.207minkg)03.257465(Tope

enBenceno

==

minkg

1.239minkg

)9.70310(Tope

enHexanon

kg PM kg-mol % molarBenceno 207,97 78,11 2,66253 48,97n-hexano 239,10 86,17 2,77475 51,03

5,43727

=minmol

27.5437Tope

Molar Flujo

Luego:

82

Problema N2 . Fluye agua lquida y aire a un humidificador, enel cual el agua se evapora por completo. El aire entrantecontiene 1% molar de H 2O(v), 20.8% de O 2 y el resto de N 2. Elaire humidificado contiene 10% molar de H 2O. Calcular el flujovolumtrico (pie 3 /min) de lquido requerido para humidificar 200(lb-mol/min) de aire entrante.

Humidificador

200(lb-mol/min) de aire1% molar de H2O(v)

H2O(l)

n1n3

Aire hmedo10% molar de H2O(v)

B.C.: 200(lb-mol/min) de aire entrante.

312

31

n)10.0(n)(0.01)(200 :OH.M.Bnn200 :totalB.M.

=+

=+

3

2

1


42/57


43/57



85

100 + n1Gas natural

B.C. 100 moles de aire.

Mezclador

Aire8% molar CH4

91.4 % molar CH48.6 % molar C2H6

n1

( )[ ]mol59.9n

n10008.0n914.0

1

11

=

+=

B.M. al CH 4;

Luego:

0959.0100

59.9airedeMolesnaturalgasdeMoles

==

86

Problema N4 . Considerando el siguiente proceso compuestopor dos columnas de destilacin, para tratar una mezcla de trescomponentes, donde se conoce la composicin (porcentaje enpeso) de todas las corrientes de entrada y salida, como muestrala figura.

61.9% A5.0% B

33.1% C

15.2% A80.8% B

4.0% C

0.5% A5.5% B

94.0% C

20% A30% B50% C F

100 lb

P1 P2

W

Columna1

Columna2

Para 100 lb de alimentacin determine las cantidades de lascorrientes de salida (P 1, P 2 y W), y las cantidades de A, B y Crecuperada en cada una de estas corrientes.


44/57



87

B.C. 100 lb de alimentacin.

B.M. Total (1) WPP100 21 ++=

B.M. al componente A (2) W005.0P152.0P619.020 21 ++=

B.M. al componente B (3) W055.0P808.0P050.030 21 ++=

Resolviendo el sistema obtenemos:

[ ] [ ] [ ]lb43.4 W ylb7.32P ,lb9.23P 21 ===

Considerando como sistema todo el proceso

Con estos resultados y la composicin de las corrientesobtenemos la cantidad de cada compuesto en cada una de lascorrientes.

88

Corriente P 1 P 2 W [lb] 23.9 32.7 43.4

Compuesto % [lb] % [lb] % [lb]A 61.9 14.8 15.2 5.0 0.5 0.2B 5.0 1.2 80.8 26.4 5.5 2.4C 33.1 7.9 4.0 1.3 94.0 40.8

61.9% A5.0% B

33.1% C

15.2% A80.8% B

4.0% C

0.5% A5.5% B

94.0% C

20% A30% B50% C F

100 lb

P1 P2

W

Columna1

Columna2


45/57



89

Problema N5 . Se alimenta a una columna de absorcin unamezcla gaseosa que contiene 15% molar de CS 2, 17.8% molarde O 2 y 67.2% molar de N 2. La mayor parte del CS 2 se absorbe

en el benceno lquido alimentado por la parte superior de lacolumna. Parte del benceno que entra como lquido se evaporay abandona la columna como vapor por la parte superior deesta. Si el gas que abandona la columna contiene 2% molar deCS 2 y 2% molar de benceno. Cul es la fraccin recuperadade CS 2?

90

Bencenolquido

n1 2% CS 22% Benceno

96% N 2 y O 2

100 moles

15,0% CS 217,8% O 267,2% N 2

n3

n2

Benceno lquidoCS 2

B.C.: 100 moles de gas de alimentacin.

B.M.: Gases no absorbido

2n0.96(100))672.0178.0( =+

[ ]mol54.88n 2 =

88.0)15.0)(100(

)02.0)(54.88()15.0)(100(nRecuperaci

deFraccin=

=


46/57



91

Problema N6 . En el proceso Deacon para la produccin decloro, el HCl y O 2 reaccionan para formar Cl 2 y H2O. Se alimentasuficiente aire al reactor como para proveer un 40% de excesode oxigeno, y la conversin del HCl es de 70%. Calcular:a) La composicin molar de la corriente producto.b) La composicin molar de Cl 2 en el gas que permanecera sitoda el agua del gas producto se condensara.

HCl

Aire40% exceso

OHClOHCl 222 ++

Reactor

a) B.C. 100 moles de HCL en la alimentacin.

92

Aire

HCl

40% exceso

100 mol

n1 (O2) OHClOHCl2 22221 ++

n6 (H2O)

n2 (HCl)n3 (O2)n4 (N2)n5 (Cl2)

Reactor

Calculo de los moles estequiomtricos de O 2.

[ ] [ ][ ]

[ ]22est Odemol25HCLdemol2Odemol5.0

HCLdemol100n ==

Calculo de los moles de O 2 en la alimentacin. Como el aire sealimenta en un 40% en exceso.

[ ] [ ]21 Odemol35mol)25)(4.1(n ==

Calculo de los moles de N 2. Como el N 2 es inerte los molesalimentados y de salida son iguales.

[ ] [ ][ ]

[ ]22

224 Ndemol7.131Odemol21

Ndemol79Odemol35n ==


47/57



93

[ ] [ ]HCldemol30HCldemol)100)(7.01(n 2 ==

Como la conversin del HCl es 70%:

[ ] [ ][ ]

[ ]

[ ] [ ][ ]

[ ]OHdemol35HCldemol2

OHdemol1HCldemol)100)(70.0(n

Cldemol35HCldemol2Cldemol1

HCldemol)100)(70.0(n

22

6

22

5

==

==

Aire

HCl

40% exceso

100 mol

n1 (O2) OHClOHCl2 22221 ++

n6 (H2O)

n2 (HCl)n3 (O2)n

4(N

2)

n5 (Cl2)

Reactor

94

Para calcular los moles de O 2 en la corriente productodesarrollamos un balance molecular al O 2.

[[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]][[[[ ]]]]mol5.17n

HCldemol2Odemol5.0HCLdemol)100)(70.0(n0Odemol35

3

232

====

++++====++++

Aire

HCl

40% exceso

100 mol

n1 (O2) OHClOHCl2 22221 ++

n6 (H2O)

n2 (HCl)n3 (O2)n4 (N2)n5 (Cl2)

Reactor

)Consumo()Salida()Generacin()Entrada( ++++====++++


48/57



95

Compuesto moles Frac. MolarHCl 30,0 0,12

O2 17,5 0,07N2 131,7 0,53

Cl2 35,0 0,14

H2O 35,0 0,14249,2 1,00

La composicin molar de la corriente producto.

b)

[ ] [ ]

[ ][ ] 163.0secabaseentotalesmoles2.214

Cldemol35productocorrientelaen

CldemolarFraccin

mol2.214mol)352.249(productocorrientelaen

secabaseentotalesMoles

22 ==

==

96

Problema N7 . Se produce metanol haciendo reaccionarmonxido de carbono con hidrgeno. Una porcin del metanolque abandona el reactor se condensa, recirculndose al reactorel CO y H 2 sin consumir as como el CH 3OH sin condensar. Lacorriente de salida del reactor fluye con un flujo de 300 mol/min,y contiene 10% en peso de H 2, 62.0% en peso de CO y 28% enpeso de CH 3OH. La fraccin de metanol en la corriente derecirculacin es de 0.006. Calcular los flujos molares de CO yH2 en la alimentacin fresca, y la velocidad de produccin de

metanol.


49/57



97

Reactor Condensador

Alimenta-cin

Fresca

COH2

Recirculacin

Producto

CH3OH (liq)

COH2

CH3OH

300 mol/min62% peso CO10% H 228% CH 3OH

xMetanol = 0,006

Tomando como base, para la conversin de % en peso a % enmoles, 100 gramos a la salida del reactor:

Compuesto [gr] PM [mol] % molarH2 10 2,016 4,960 0,616

CO 62 28,01 2,213 0,275CH3OH 28 32,04 0,874 0,109

8,048 1,000

98

B.C.: 300 mol/min que salen del reactor.

Reactor Condensador

AlimentacinFresca

n1 COn2 H2

n4 Recirculacin

Producto

n3 CH 3OH

COH2

CH3OH

300 mol/min0,275 molar CO0,616 H 20,109 CH 3OH

xMetanol = 0,006

Tomando como sistema el condensador:

B.M. al CO y H 2:

=

=+

minmol

91.268n

n994.0)616.0)(300()275.0)(300(

4

4


50/57



99

B.M. al CH 3OH:

=

+=

minmol

09.31n

n)91.268)(006.0()109.0)(300(

3

3

Reactor Condensador

AlimentacinFresca

n1 COn2 H2

n4 Recirculacin

Producton3 CH 3OH

COH2

CH3OH


xMetanol = 0,006

Luego la velocidad de produccin de Metanol es de 31.09mol/min.

100

Balances sobre el sistema total:

B.A. al C: ==minmol

09.31n )1(n)1(n 131

Reactor Condensador

AlimentacinFresca

n1 COn2 H2

n4 Recirculacin

Producto

n3=31,09CH 3OH (liq)

COH2

CH 3OH


xMetanol = 0,006

B.A. al H: ===minmol

18.62)2)(09.31(n )4(n)2(n 232

Luego, la alimentacin fresca esta compuesta de 31.09[mol/min] de CO y 62.18[mol/min] de H 2.


51/57



101

Problema N8 . Se alimenta un flujo de 12 [lt/hr] de metanol(CH 3OH) lquido a una cmara de combustin, donde se quemacon aire en exceso. Se analiza el producto gaseoso,determinndose los siguientes porcentajes molares en baseseca:

2.40CO7.10CO 2

0.90CH3OH% molar Compuesto

Calcular la conversin fraccionaria del metanol.

Calcular el flujo de agua, en [mol/hr], en el productogaseoso.

a)

b)

102

Cmara deCombustin

12 [lt/hr] CH3OH

n0 de O2

n1 moles de gas seco/hr 0.009: CH3OH 0.071: CO2 0.024: CO x: N20896 x: O2n2 moles de H2O/hr

B.C. 12 [lt/hr] de CH 3OH en la alimentacin:

Desde la tabla de propiedades fsicas para el Metanol:

04.32PM y792.0 lativaRe ========

========hrkg

504.9lt

kg0.1792.0

hrlt

12m


52/57



103

====

====

======== hrmol

297hrmolkg

297.0

molkgkg

04.32

ltkg

504.9

PMm

n

El flujo molar de Metanol que ingresa a la cmara:

a)B. A. al C:

====

++++++++====

hrmol

77.2855n

)024.0071.0009.0(n297

1

1

[[[[ ]]]][[[[ ]]]]metanoldesalimentadoMoles

metanoldereaccionanqueMolesmetanolde

Conversin====

104

b)

B. A. al H:

====

++++====

hrmol

60.542n

n2)4(009.077.2855)4(297

2

2

El flujo molar de agua que sale en el producto gaseoso es:

hrmol

60.542

(((( ))))913.0

29777.2855009.0297

metanoldeConversin

====

====

La conversin fraccionaria del Metanol es:


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105

Problemas Resueltos en Clases

106

Problema N1. Un proceso de evaporacin-cristalizacin seemplea a fin de obtener sulfato de potasio slido a partir de unasolucin acuosa de esta sal. La alimentacin fresca al procesocontiene 18.6% en peso de K 2SO 4. La torta hmeda del filtroconsiste de cristales slidos de K 2SO 4 y una solucin de K 2SO 4al 40% en peso, segn una relacin de (10 lb m de cristales) por(1 lb m de solucin). El filtrado, tambin una solu-cin al 40% enpeso se recircula para que se una a la alimentacin fresca. Seevapora un 42.66% del agua que entra al evaporador.

Cristalizador

Evaporador

18.6% K 2SO 481.4% H 2O

TortaHumeda

Filtro

H2O

Solucin 40% K 2SO 4


54/57



107

Calcular la mxima cantidad de K 2SO 4 slido producido, lacantidad de alimentacin fresca que se debe suministrarpara lograr esta produccin y la relacin (lb m de recircula-cin/lb m de alimentacin fresca).

Si el evaporador posee una capacidad mxima de 100 lb m deagua evaporada por minuto:

Calcular la composicin y el flujo de alimentacin de lacorriente que entra al cristalizador si el proceso se escala aun 75% de su capacidad mxima.

a)

b)

108

Problema N2. Se convierte benceno (C 6H6) a ciclo-hexano(C6H12) por adicin directa de H 2. La planta produce 100 [lb-mol/hr] de ciclohexano. Noventa y nueve por ciento del bencenoalimentado al proceso reacciona para producir ciclohexano. Lacomposicin de la corriente de entrada al reactor es de 80%molar de H 2 y 20% de C 6H6, y la corriente producto contiene 3%molar de H 2.

CondensadorReactor

H2 FrescoH2 Recirculado

C 6H6Fresco

20% C 6H680% H 2

Producto con3% de H 2

Calcular: a) La composicin de la corriente producto.b) Los flujos de alimentacin fresca de C 6H6 y de H 2.c) El flujo de la recirculacin.

126266 3 HCHHC +


55/57



109

Problema N3. Se quema una mezcla de 70% molar de butanoy 30% molar de hidrgeno, con un 25% de exceso de aire. Seobtienen conversiones de 80% para el butano y 99% para el

hidrgeno; del butano que reacciona, 90% forma CO 2 y 10%forma CO. Calcular la fraccin molar del agua en el productogaseoso.

70% mol C 4H1030% mol H 2

25% aireen exceso

Gases deChimenea

110

Problema N4. Se queman 1000 mol/min de una mezclacombustible, compuesta de 50% en peso de etano (C 2H6) y50% en peso de propano (C 3H8), con 28571.43 mol/min de aire.La conversin molar del etano es del 100% y la conversinmolar del propano es del 80%. Un anlisis de los gases decombustin entrega que estos contienen 1.6424% molar de COen base hmeda. Determine:

La composicin molar de los gases de combustin en basehmeda.

a)

El porcentaje de exceso del oxigeno alimentado.b)

Horno

50% peso C 2H650% peso C 3H8

1000 mol/min

28571,43 mol/minAire

1,6424 % molar CO


56/57



111

Problema N5. Se queman con aire una mezcla combustibleconstituida por metano (CH 4) y alcohol metlico (CH 3OH),generndose 2000 [mol/min] de gases de chimenea con la

siguiente composicin en base hmeda:

3.172.326.630.31% molarO2COCO 2CH3OHCompuestos

Si la conversin molar del CH 3OH es del 89.93% y la conver-sin molar del CH 4 es completa (100%), determine:

El porcentaje en peso de la mezcla combustible.

El porcentaje de exceso de oxigeno alimentado.

a)

b)

112

Problema N6. La alimentacin fresca a un proceso deproduccin de amoniaco, casi invariablemente contiene unapequea fraccin de material no reactivo, tal como argn ometano. Estos inertes no condensan, y por lo tanto se recirculan

junto con el nitrgeno e hidrgeno no consumidos. Por lo tanto,los materiales entran al proceso pero no lo abandonan ni seconsumen; si nada se hiciera al respecto, se producira unaacumulacin de inertes en el sistema, que finalmente obligara ainterrumpir el proceso. Para evitar que esto suceda, se separa

una corriente de purga de la lnea de recirculacin. El diagramade flujo queda entonces (El smbolo I se utilizara para sealar atodos los inertes):


57/57


113

Condensador

R

eactor

Purga

NH3

H2

N2I

H2N2I

Se conocen los siguientes datos del proceso:

1. Composicin molar de la alimentacin fresca: 24.75% deN2; 74.25% de H 2; 1.00% de inertes.

2. Conversin por paso de N 2 25%.3. Porcentaje de inertes en la corriente de recirculacin:

12.5% molar.

Calcular la conversin global de N 2, la relacin (moles de gas depurga/moles de alimentacin fresca) y la relacin (moles

Condensador

Reactor

Purga

NH3

H2N2I

H2N2I

24,75%74,25%

1,00%

12,5%

H2N2I12,5%

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