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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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En el curso este principio loaplicaremos algunas unidades de
proceso ampliamente utilizadas enla industria qumica
Columnas de Destilacin
Evaporadores
Cristalizadores
Reactores
Calderas
Otras unidades
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Columnas de Destilacin
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Condensador
Rehervidor
Alimentacin
Destilado
Fondo
Acumuladorde Reflujo
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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.
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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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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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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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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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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
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Caldera Calderas
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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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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 =
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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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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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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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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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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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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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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
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Tanto los puntos de mezcla como lospuntos de separacin cumplen el
principio de conservacin de la masa.
ReactorCondensador
Purga
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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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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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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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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
OH2OCH2 OOHCH2 2223 ++
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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:
OH2OCH2 OOHCH2 2223 ++
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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Conversin Global
=
proceso alreactivodeEntrada
proceso delreactivodeSalida
proceso alreactivodeEntrada
global
Conversin
Reactor
Recirculacin con losreactivos no consumidos
Unidad deSeparacin
Entrada de reactivoal proceso
ProductoAlimentacinFresca
50
=
reactor alreactivodeEntradareactor
delreactivodeSalida
reactor alreactivodeEntrada
pasoporConversin
Reactor
Recirculacin con losreactivos no consumidos
Unidad deSeparacin
Entrada de reactivoal proceso
ProductoAlimentacinFresca
Conversin por paso
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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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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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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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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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ofesor: Luis Vega Alarc ofesor: Luis Vega Alarc nn
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
C 2H4On4 O2n5 C 2H4n6 C 2H4O
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
C 2H4On4 O2n5 C 2H4n6 C 2H4O
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 ++
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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 ?
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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
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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
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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.
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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
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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=
=
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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 ==
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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( ++++====++++
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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.
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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
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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
300 mol/min0,275 molar CO0,616 H 20,109 CH 3OH
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
300 mol/min0,275 molar CO0,616 H 20,109 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.
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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
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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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Problemas Resueltos en Clases
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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
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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 +
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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
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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):
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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%