7ª Prueba de Introducción a la Ingeniería Química25 de Junio 2014.

1.- Para obtener yoduro de metilo se hace reaccionar ácido yodhídrico (HI) con exceso de metanol (CH3OH).

HI + CH3OH CH3I + H2O

Los productos del reactor salen por dos corrientes: La corriente F2 constituye el producto y tiene una composición en peso de 61,7% de CH3I y el resto metanol que no reaccionó. La F3 que contiene un 64% de HI, en peso y el resto agua.

Para una producción de 1500 lb/h de la corriente de producto F2. a).- Calcular el grado de conversión. b).- Calcular el % de exceso de metanol. c).- Calcular la composición en peso de la corriente de alimentación F1

Pesos moleculares: HI 127,9; CH3OH 32; CH3I 141,9; H2O 18.

LA RESOLUCIÓN DEBE HACERSE SOLAMENTE EN UNIDADES DEL SISTEMA INGLÉS.

..................................................................................................................................

2.- Un proceso para producir formaldehído tiene el siguiente diagrama de flujo:

En el reactor tiene lugar la siguiente reacción:

CH3OH + ½ O2 → HCHO + H2O

Esta reacción tiene un 60% de conversión y el oxígeno es alimentado en un 60% de exceso sobre el teórico necesario respecto del metanol, ambos mediante la corriente F1 a 150ºC y 2 atm absoluta. Del reactor sale la corriente gaseosa F2 a 300 ºC y 2,5 atm absoluta, que pasa al proceso de separación, de donde todo el O2 , algo de vapor de agua y de metanol salen como la corriente gaseosa F3 que se retira y que tiene una composición molar de: O2 89,4%; H2O 8,0% y CH3OH 2,6%. Del proceso separador sale además la corriente F5 formada formaldehído (HCHO) en estado líquido y razón de 54 kg/h y una corriente F4 que se rechaza y que contiene agua y metanol. Preguntas:

a).-. Flujo volumétrico de la corriente F1 alimentada al reactorb).- Flujo volumétrico de gas que sale del reactor, corriente F2 c).- Composición en peso de la corriente F4 que se rechaza en el separador .

ReactorProcesoseparador

F1

F2

F5

F4

F3

ReactorCH3I CH3OH

F3

F2

F1

HIH2O

HICH3OH

F2

F3

RESOLUCIÓN

1.- BC 1 hora.

El dato es una de las corrientes producto del reactor F2

1500 lb contienen: 935,5 lb de CH3I 574,5 lb de CH3OH

Ahora se calculan las moles de estos compuestos, ya que el yoduro de metilo es todo el que se produjo por la reacción.

PM CH3I = 127,9; PM CH3OH = 32.

Moles en la corriente F2 De CH3I 6,52 lb-mol y de CH3OH 17,95 lb-mol. Ahora se puede poner estos datos en la tabla de balance de la reacción

Especie entra reacciona Se produce saleHICH3OH 17,95CH3I 6,52H2O

Se sabe que el agua es producida en la reacción, por lo tanto si se produjeron 6,52 lb-mol de CH3I también se produjeron 6,52 de agua que sale por F3 donde constituye el 36% de la corriente en peso.

Se puede seguir llenando la tabla.

Especie entra reacciona Se produce saleHICH3OH 17,95CH3I 6,52 6,52H2O 6,52 6,52

Sabiendo lo que se produjo se sabe lo que reaccionó.

Especie entra reacciona Se produce saleHI 6,52CH3OH 6,52 17,95CH3I 6,52 6,52H2O 6,52 6,52

Con esta tabla ya se sabe lo que entra de CH3OH 17,95 +6,52 = 24,47 lb-mol

Calculando la masa de agua: 6,52 · 18 = 117,36 lb que son el 36% de F3 Luego 0,36· F3 = 117,36 De donde F3 = 326 lb, de las cuales 117,36 son de agua y 208,64 son de HI.

PM HI = 127,9 luego 208,64 lb son 1,63 lb. Moles que entraron de HI = 1,63 + 6,52 = 8,15

Especie entra reacciona Se produce saleHI 8,15 6,52 1,63CH3OH 24,47 6,52 17,95CH3I 6,52 6,52H2O 6,52 6,52

a).- Recordar la definición de grado de conversión: % del limitante que reacciona.

b).- El exceso de metanol es: 24,47 - 8,15 = 16,32 lb-mol

Estequiométrico 8,15.

c).- Composición en masa corriente de entrada: HI 8,15 · 127,9 = 1036 lb CH3OH 24,4 ·32 = 783 lb Masa total 1819 lb

Composición: de HI

Resto 43% deCH3OH

2.- El formaldehído es producido en la reacción y sale todo por F5.En Base de Cálculo de 1 hora y calculando el PM del HCHO = 30 el formaldehído que, en moles es 54/30 = 1,8 Kgmol, el agua también se forma en la reacción por lo que se formaron también 1,8 Kgmol, con lo cual se sabe las moles que reaccionaron de los reactantes y se puede comenzar a hacer la tabla de balance en el reactor

Especies entra reacciona Se produce Sale reactorCH3OHO2

HCHO 1,8 1,8H2O 1,8 1,8 Quiere decir que reaccionó 1,8 de CH3OH y la mitad de O2 o sea 0,9

Especies entra reacciona Se produce Sale reactorCH3OH 1,8O2 0,9HCHO 1,8 1,8H2O 1,8 1,8

Como la reacción tiene 60% de conversión y el limitante lo sabemos que es el CH3OH

Quiere decir que 1,8 Kgmol son el 60% de las alimentadas. Que son Kg mol

A su vez el O2 estequiométrico para que reaccione esta cantidad sería 1,5 Kgmol, pero se alimenta en un 60% de exceso, es decir se alimenta 1,5 · 1,6 = 2,4 Kgmol.

Especies entra reacciona Se produce Sale reactorCH3OH 3 1,8O2 2,4 0,9HCHO 1,8 1,8H2O 1,8 1,8

Falta calcular cuanto sale del reactor de los dos reactantes que es la diferencia entre lo alimentado y lo que reaccionó

Especies entra reacciona Se produce Sale reactorCH3OH 3 1,8 1,2O2 2,4 0,9 1,5HCHO 1,8 1,8H2O 1,8 1,8

a).- Como se alimentaron en total 5,4 moles el flujo volumétrico de F1 se calcula por ley de los gases.

b) Las moles que salen del reactor totales son 6,3 Kgmol

También por ley de gases el flujo volumétrico es:

c).- La corriente F3 es la única que contiene el oxígeno que sale del reactor, que sabemos es 1,5 Kgmol y se sabe que constituye el 89,4% molar de la corriente. Por lo tanto 0,89 F3 = 1,5

De estas moles son de agua el 8% es decir 0,08·1,68 = 0,134 Kg mol de agua y el CH3OH que sale por esta corriente es el resto o bien aplicamos el % 1,68 · 0,026 =0,044 Kgmol.El resto de agua y de metanol salió por salió por F4 = 1,8 -0,134 = 1,667 Kgmol y 1,2 – 0,044 = 1,156 Kgmol respectivamente.

Para calcular la composición en peso tenemos que PM agua = 18 y del metanol es 32

Masa de H2O = 1,667 · 18 = 30 KgMasa metano = 1,156 · 32 = 37 KgTotal 67 Kg/h Composición:

Agua 44,8% en pesoMetanol 55,2% “