S.E.P. S.E.S D.G.E.S.T.
INSTITUTO TECNOLOGICO DE AGUASCALIENTES
SUBDIRECCIÓN ACADEMICA
DEPTO. DE INGENIERIA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA
INGENIERÍA QUÍMICA
Balance de materia y energía
NOMBRE DE LA PROFESOR
I.Q. Medina Barrera Rubén
Unidad II“Balances de materia con reacción”
Tarea: problemas
NOMBRE DEL ALUMNO:
Andrade Roque Emmanuel Ulises
Entrega: Martes 17 de MAYO del 2011
%MCH4—80.0
N2—20.0
%MO2—21.0
N2—79.0
%MCO2—aH20—b O2—c N2—d
G
L
C
A
%MO2—6.0
N2—94.0
%MCO2—xH2O—y L—z
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2 O
80 208.87
160 48.8780 160
1.- Se quema cierto gas natural, cuyo análisis es 80% de CH4 y 20% de N2 y el CO2 se elimina por lavado de los productos resultantes para ser utilizado en la manufactura de hielo seco. El análisis de los gases de descarga del lavador es O2, 6% y N2, 94%.
Calcular:
(A) La relación del aire a gas.(B) El porcentaje del exceso de aire.
1⃗00%
C H 4+O2→CO2+H 2O
B. C. = 100moles de C
Sistema I
0) L*M.M+C*M.MC + A* M.MA =D* M.MD + P* M.MP
Reactivos
1) 80 - 80 = 02) 0.21A – 160 = 0.06D
Productos
3) 0 + 80= xP4) 0 + 160 = zP
HornoLavador
"α% Ex"
Inertes
5) 20 + 0.79A = 0.94 D
Adicionales
6) L= yP7) x + y + z = 18) α = .06 D9) 0.21 A = 160 + α
Sistema II
0΄) C* + A* = G*
Reactivo
10) 0.21A - 160 = cG
Productos
11) 0 + 80 = aG 12) 0 + 160 = bG
Inertes
13) 20 + 0.79 = dG
Adicional
14) a + b + c + d = 1
Solución:
3. xP = 80
4. zP = 160
7. *P 80 + 160 = 240 P= 240 + L
8. Sustituir α en ec. 9 y despejar A
A=0.06D+1600.21
=.2857D+761.9047
Sustituir A en ec. 5
20 + 0.79 (0.2857 D + 761.90) = 0.94 D
20 + .2257 D + 601.9047 = .94D D=621.9047.7143
=870.65 moles
Sustituir D en A=.2857 (870.65 )+761.9047=1010.64moles
8. α = 0.06 (870.65) α= 52.240
11. aG= 80
12. bG= 160
Sustituir A en ec. 10 0.21 (1010.64) – 160 =cG cG=52.2344
Sustituir A en ec. 13 20 + 0.79 (1010.64) = dG dG= 818.40
14. * G aG + bG + cG + dG = G G=1110.63 moles
10. c=52.23441110.63
=0.0470
11. a=80
1110.63=0.0720
12. b=160
1110.63=0.1440
13. d=818.401110.63
=0.7370
Comprobación
100 (.80*16 + .20* 28) + 1010.64 (0.21*32+.79*28) = 870.65 (32*.06+28*.94)+240 (44*.33+18*.66)
30986.85≈30923.156
100(.80*16+.20*28) +1010.64 (0.21*32+.79*28)=1110.63 (.0720*44+.144*18 + .0470*32+.7370*28)
30986.85≈30986.57
Respuestas
%MC2H6—X
CH4—Y
%MO2—50.0
N2—50.0
P
C
A
%MCO2—25.0 O2—60.0 N2—15.0
xA
7/2 xA Ex
2xA 3xA
yA
2yA Ex
yA 2yA
a) Relación aire gas=1010.64moles
100=10.1064
b) %ex. De aire ( 52.240160 )100=32.652.- Un combustible formado por etano (C2H6) y metano (CH4) en proporciones desconocidas, se quema en un horno utilizando aire enriquecido con oxígeno (50.0 moles por ciento de O2. El análisis Orsat es: CO2, 25%; N2, 60%; y O2, 15%. Determínese:
(a) La composición del combustible, esto es, el porcentaje molar de metano en la mezcla metano-etano.
(b) Las moles de aire enriquecido con oxígeno que se consumen por mol de combustible.
1⃗00%
C2H 6+O2→CO2+H 2O
CH 4+O2→CO2+H 2O
C2H6 + 7/2 O2 CO2 + 3H2O
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Horno
C2H6 1 xA−xA=0CH4 2 yA− yA=0
O2 3 0.5 B−72xA−2 yA=15
N2 4 0.5 B=60CO2 5 2 xA+ yA=25 6 x+ y=1
B= 600.5
B=120
0.5 (120 )−72xA−2 yA=15
yA=−45+ 7
2xA
−2yA=22.5−1.75 xAyA=22.5−1.75 (10 )
yA=5
y= 515
y=.33 2 xA−1.75 xA+22.5=25
xA=2.5.25
xA=10
x=1015
x=0.67xA+ yA=A A=10+5A=15
BA
=12015
BA
=8mol
Comprobación 15[0.67 (30)+0.33(16)]+120[0.5 (32)+0.5 (28)]=100[0.25(44)+0.6 (28)+0.15(32)]+40 (18)
3980.7=3980
H2O 7 3xA+2yA=W W=40
%PCH3OH—100
%PO2—100
P
C
A
%P H2CO—X—585.238 H2O—Y—357.142CH3OH—Z—33.416 O2—W— 100.25
CH3 OH + ½O2 H2 CO + H2 O
32 16 30 18
668.336
634.920 33.416
417.71
334.168
317.459 16.708
83.542
595.238 357.142
3.- Una planta industrial lleva a cabo la reacción entre el metanol y el oxígeno para formar formaldehido y agua, y produce cinco millones de kilogramos de formaldehido por año, operando 350 días al año, 24 horas al día. El oxígeno alimentado al reactor se halla en un 25% de exceso respecto de la cantidad requerida teóricamente para la reacción con la alimentación de metanol, y la conversión global de metanol es de 95%.
Calcular la alimentación requerida de oxigeno en Kg/h.
9⃗5%
C H 3OH+ O 2⏞25% Ex
→H 2CO+H 2O
|5000000 KgAño|| 1 Año350días||1día24hr|=595.238 Kghr
CH3OH)nec 595.23 kg[(64 kg)/(57 kg)]=668.32
Reactor
"25% Ex"
CH3OH)si 668.32(0.95)= 634.904
CH3OH)no 668.32(0.05) = 33.416
O2)nec 592.23kg[(32 kg)/(57 kg)]=334.16
O2)ex 334.16(0.25) = 83.54
O2)si 334.16(0.95) = 317.7
O2)nec 334.16(0.05) = 16.70
H2CO) 595.23
H2O) 357.13
Respuesta:
A = 417.71 Kg/hr
Comprobación
C+A=P
668.336+427.71=585.238+357.142+33.416+100.25
1086.046=1086.046
4.- El yodo puede obtenerse comercialmente a partir de algas marinas tratándolas con MnO2 y 20% de exceso de H2SO4 de acuerdo con la reacción
0
%CH4—a Cl2—b
%
CH2Cl2—100
%CH3Cl—eCH2Cl2—fHCl—gCH4—h
T
L
AF
D
%H2O—100
%HCl—mH2O—n
%CH3Cl —kCH2Cl2—l
%CH3Cl—100
AR
P
S
W
G
%HCl—iCH4—j
R %CH4—100
%CH4—cCl2—d
2NaI + MnO2 + H2SO4 Na2SO4 + MnSO4 +2H2O + I2
Todo el H2O, Na2SO4, MnSO4, y el I2, así como los materiales inertes, se recogen en el separador. Las algas contienen 5% de NaI, 30% de H2O y el resto puede considerarse materiales inertes. El producto contiene 54% de I2 y 46% de H2O. Suponiendo que la reacción se consuma en un 80%, calcúlese lo siguiente:
(a) Las libras de I2 producidas por tonelada de algas marinas.(b) La composición en porcentaje de los productos de desperdicio.(c) La composición en porcentaje del material recirculado.
Estequiometria:
Reactor
Lavador
Condensador
Torre de destilación
2NaI + MnO2 + 2 H2SO4 Na2SO4 + MnSO4 + 2H2O + I2
300 Kg 87 Kg 196 kg 142 kg 151 kg 36 kg 154 kg
NaI)TOT 0.05(1000+Jr) MnO2)TOT 0.05∝[ 87 kg300kg ]=0.0145∝ 1000+jR=α MnO2)si 0.0145(0.80)=0.0116α
NaI)si 0.05(0.80)=0.04α MnO2)no 0.0145(0.20)=0.0029α
NaI)no 0.05(0.20)=0.01α
H2SO4)nec 0.05∝[ 196kg300kg ]=0.0326∝H2SO4)ex 0.0326(0.20)=6.53x10-3α
H2SO4)TOT 0.0326∝+¿6.53x10-3α=0.0391α
H2SO4)SI 0.0326α(0.80)= 0.0260α
H2SO4)no 0.0326α(0.20)= 6.52x10-3α
Na2SO4) 0.04∝[ 142kg300kg ]=0.0189∝MnSO4) 0.04∝[ 151kg300kg ]=0.0201∝
H2O) 0.04∝[ 36kg300kg ]=4.8 x10−3∝
Sistema I
0) Af + Mf + Bf = P + D
H2SO4) Af- 0.0260α = 0
MnO2) Mf – 0.0116α= 0 Despejar α de NaI): α = 1250
NaI) 50 – 0.04α = 0 Sustituir α y obtener: Af = 32.5
H2O) 800 = 0.46P + XD Mf= 14.5
Iner) 150= wD P= 78.24
I2) 0.0338α= 0.54P D= 962.75
MnSO4) 0.0201α = yd
Na2SO4) 0.0189α = zD
9.- x+ y + z + w = 1
Comprobación: 1047= 1040.99
Sistema II
0) Af + Mf + Bf + R = T
H2SO4) 0.0391α- 0.0260α= fT Sustituir α y determinar:
MnO2) 0.0145α – 0.0116α = gT aT= 42.25 mT = 150
NaI) (50 + 0.05 jR) – 0.04α = 0.05 eT bT= 800 T= 1113.50
H2O) 800 + 0.80jR = bT + 0.80 eT cT= 25.125
Iner) 150 + 0.15 jR = 0.15 eT + mT dT= 23.625
I2) 0.0338α= aT eT= 250
MnSO4) 0.0201α = cT fT= 16.375
Na2SO4) 0.0189α = dT gT= 3.626
9.- a + b + c + d + e + f + g + m = 1
0.0391α= Af + hR
0.0145α= Mf + iR
50 + 0.05jR= 0.05α
Obtener:
hR= 16.375 R= 270
iR = 3.625
jR = 250
Comprobación:
0) Af + Mf + Bf + R = T
1317 = 1311
Respuestas:
a¿0.54 P=42.249kg [ 1 lb0.454kg ]=93.05 lb
Se producen 93.05 lb de I2 por cada tonelada de algas marinas.
b) x= 79.35% c) h= 6.06%
y= 2.6% i= 1.342%
z= 2.4% j= 92.59%
w= 15.58%
5.- El CH4 reacciona con Cl2 a fin de producir cloruro de metilo y acido clorhídrico.
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
Af Ar
T
L
D
P
G
S
W
R
CH4—a
Cl2 --b
CH3Cl—eCH2Cl2--fCl2 -- gCH4—h
CH4—100 H2O—100
H2O—100
Una vez formado el cloruro de metilo puede sufrir nuevas cloraciones y formar cloruro de metilo, cloroformo, y tetracloruro de carbono CCl4.
En un proceso de producción de metilo, se alimenta Cl2 y CH4 a un reactor en una relación molar de 1 a 5. El rendimiento del Cl2 es del 100% en un solo paso. La relación molar del CH3Cl a CH2Cl2 en el producto es de 4 a 1, produciendo cantidades despreciables de CHCl3 y CCl4. Los gases producidos se enfrían y condensando el CH3Cl y el CH2Cl2, los cuales luego se separan en una torre de destilación. El gas que abandona el condensador va a un lavador donde se adsorbe el HCl en aguas, la cual es alimentada en una relación molar de 3:1 de gas. El gas que abandona el lavador, que es CH4 puro se recircula al reactor.
Para una producción de 2000kg de CH3Cl/h. Calcular los gastos molares y composición de todas las líneas.
Reactor Condensador
Lavador
Torre de Destilado