OPU 2023-1 Guía 2 - Balance de Materia en Procesos Unitarios

FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL ASIGNATURA: OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS PERIODO ACADÉMICO: 2023-1

GUÍA 2 – BALANCE DE MATERIA EN PROCESOS UNITARIOS A. PROBLEMAS DE COMBUSTIÓN

2-1

El gas natural que se distribuye por tuberías para uso industrial y doméstico tiene una

composición1 promedio de 91,8% de metano (CH4) y el resto etano (C2H6). Este gas se quema completamente en un caldero con 10% de aire en exceso. El gas se encuentra a 16 °C, 1 atm, y el aire se encuentra a 25 °C, 1 atm y 60% de humedad relativa. Por cada m3 de gas alimentado al caldero se pide calcular: a) El volumen de aire utilizado, en m3 b) El análisis de los gases de combustión en base seca c) La humedad molar de los humos 2-2 El GLP (gas licuado de petróleo) se emplea mayormente como combustible vehicular y para cocinar (gas doméstico). Su composición es 60% en mol de propano (C3H8) y el resto butano (C4H10). Una bombona (balón) contiene típicamente 10 kg de GLP. Si este combustible se quema completamente con 5% de exceso de aire a 20 °C, 1 atm, 70% de humedad relativa, se pide: a) El volumen total de aire utilizado, en m3 b) El análisis de los gases de combustión en base seca y húmeda c) Un cuadro de balance de materia, en kg

2-3

Se suministra al horno de un proceso metalúrgico 1000 kg/h de carbón de coque, cuyo análisis

en masa es el siguiente: C 80,0% H 8,4% S 3,2 % Humedad 4,5% Inertes 3,9% Este carbón de coque se quema completamente con 25% de aire en exceso. El aire se encuentra a 20 °C, 1 atm y tiene una humedad de 0,02 mol de agua/mol de aire seco. Se pide: a) El flujo volumétrico de aire utilizado, en m3/h b) El análisis en base seca de los humos c) La concentración de SO2 en los humos, expresada en ppmv (partes por millón en volumen) y mg SO2/m3 de gas en condiciones normales2 1

El análisis de los combustibles gaseosos y gases de combustión se expresa en volumen o mol, y el análisis de los combustibles líquidos y sólidos, en masa. 2 Condiciones normales: 0 °C (273,15 K) y 1 atm (101,325 kPa).

1

2-4

El biodiésel es un combustible obtenido a partir de aceites vegetales y tiene la siguiente

composición promedio (% masa): C = 77,9%, H = 12,3% y O = 9,8%. Su densidad es 0,88 kg/L. Si 100 galones de este combustible se queman completamente con 4130 m3 de aire húmedo (20 °C, 1 atm, 70% HR), se pide: a) El porcentaje en exceso de aire utilizado b) La composición de los humos en base seca y húmeda c) Un cuadro de balance de materia, en kg 2-5 El combustible de automóviles actualmente usado en la región de Lima Metropolitana y el Callao es denominado gasohol, el cual es una mezcla de 92,2% de gasolina con 7,8 % de etanol (% en volumen). Considere que un vehículo tiene un consumo promedio de gasohol de 7,5 L/100 km, siendo la combustión del gasohol completa con 5 % de exceso de aire. El aire se encuentra a 25 °C y tiene 60 % de humedad relativa a una presión atmosférica de 99,8 kPa. Se pide: a) La relación en masa aire/gasohol b) La composición molar de los humos en base seca y base húmeda c) La masa de CO2 (kg) emitida por el vehículo, si recorre en promedio 20 000 km al año Composición de los combustibles puros:

Gasolina Etanol

2-6

Densidad, kg/L 0,72 0,79

Composición (% en masa) C H O 85,4 14,1 0,5 52,2 13,0 34,8

En una planta de aceitunas envasadas, las semillas que quedan como residuo del proceso son

usadas como combustible del caldero que genera vapor para su proceso de pasteurización. La composición en peso de dicho combustible en base seca es: C 52,3% H 7,5% O 37,1% N 2,5% Cenizas 0,6% Además, las semillas contienen 9,5% de humedad y se queman completamente con 20 % de aire en exceso. El aire utilizado se encuentra a 25 °C, 1 atm y tiene 60% de humedad relativa. Se pide: a) La relación aire/combustible en peso b) El análisis en base seca y la humedad molar de los humos c) La relación m3 de humos (medidos a C.N.) por kg de combustible quemado 2-7 Los motores de los denominados buques metaneros (figura P2-7) que transportan gas natural licuado (LNG, por sus siglas en inglés), utilizan como combustible petróleo pesado y el gas que se evapora de los tanques durante el transporte conocido como boil-off gas (BOG). El petróleo pesado tiene una siguiente composición de 82% C, 13% H, 4% O y 1% S (% en masa). El gas natural contiene 95% CH4 y 5% C2H6 en volumen. Considere que el motor consume 5 m3 de gas natural (medidos a 2

15,6 °C y 1 atm) por cada kg de petróleo alimentado. Además, el aire utilizado se encuentra a 20°C, 1 atm y tiene 2% en volumen de vapor de agua. Si la combustión es completa, con 25% de aire en exceso y el consumo de petróleo es de 400 kg/h, se pide calcular: a) El flujo de aire utilizado por el motor, en m3/h b) La composición de los humos en base seca c) Las emisiones de CO2 y SO2 en toneladas, que se generan por cada 24 horas de operación continua

Figura P2-7 2-8 El biogás es el gas obtenido de la descomposición anaeróbica de residuos de agricultura y de la cría de animales; este gas se usa como combustible para calefacción y generación de energía eléctrica. En una instalación agropecuaria se extraen del biodigestor 100 m3/min de biogás (medidos a condiciones normales de 0 °C y 1atm) y cuya composición en volumen es la siguiente: CH4 65 % CO2 24 % N2 5% H2 1% H2S 3% H2O 2% El gas sale del biodigestor a 35 °C y antes de la combustión es tratado para eliminar el 99% del H2S. Luego, el gas resultante se quema con 20% de exceso de aire (1 atm, 25 °C y 65% HR), siendo la combustión completa. Se pide: a) Un diagrama de bloques de todo el proceso b) La composición del gas (% mol) después del tratamiento con viruta de hierro c) El volumen de aire utilizado para la combustión, en m3/min d) El volumen de gases de combustión, a 350 °C y 770 mm Hg, en m3/min

2-9

La central térmica Drax, en Inglaterra (figura P2-9), con una capacidad de 4000 MW, es una de

las más grandes del mundo y fue inicialmente diseñada para emplear carbón como combustible. Actualmente, una parte de los calderos se ha convertido para utilizar biomasa proveniente de fuentes sostenibles. Se consume 6300 t/d de pellets de madera (residuos de la industria maderera prensados), 3

cuya composición en base seca es 48,1% C, 34,9% O, 8,4% H, 1,0% N, 0,1% S y 7,5% ceniza. Además, se sabe que los pellets tienen una humedad de 0,075 kg agua/kg de pellets secos. Para garantizar la combustión completa, se utiliza 40% de exceso de aire, el cual se suministra a 20 °C, 1013 mbar, y con 2% de humedad en volumen. Se pide: a) El flujo de aire utilizado, en m3/min b) La composición de los humos en base seca c) La humedad molar de los humos d) La concentración de SO2 en los humos, en mg SO2/m3 de humos en condiciones normales

Figura P2-9

2-10

Una central de energía térmica utiliza briquetas de combustible derivado de desechos (Refuse

Derived Fuel, o RDF, por sus siglas en inglés), cuya composición es la siguiente: Componente % en masa Carbono 39,5 Hidrógeno 5,3 Oxígeno 28,1 Azufre 0,2 Humedad 8,4 Cenizas (inertes) 18,5 La combustión se realiza con 75 % de aire atmosférico en exceso. Se sabe además que el aire atmosférico contiene 2 % en mol de humedad, y que la relación molar de CO2 a CO en los humos es de 10 a 1. Tomando como base 100 kg de RDF, se pide: a) El volumen de aire atmosférico y de humos, ambos medidos en m3 en condiciones normales b) La composición de los humos (% vol.) en base seca c) Un cuadro de balance de materia, en kg 2-11 El análisis elemental en base seca de un tipo de carbón es 84% C, 5% H, 3% O, 2% N, 1% S y 5% ceniza, se quema con 20% de exceso de aire, cuya humedad es 0,018 kg de agua/kg de aire seco. El carbón tiene una humedad de 6%, y se verifica que en los humos hay una proporción molar de CO2 a CO de 9 a 1. Si se queman 12 t/día de carbón, se pide determinar: a) El flujo de aire requerido, en kmol/h b) La composición volumétrica de los humos, en base seca c) La humedad molar de los humos d) La concentración de SO2 en los humos, en mg SO2/m3 de humos a CN. 4

2-12

Un vehículo de transporte público utiliza GNV como combustible, el cual está compuesto solo

por metano (CH4) y etano (C2H6). Este gas combustible se quema con exceso de aire húmedo (Hm = 0,0145 mol agua/mol aire seco). Se sabe además que los gases de combustión resultantes tienen la siguiente composición volumétrica en base seca: CO 0,80% CO2 8,95% O2 4,21% N2 86,04% Con estos datos se pide calcular: a) La composición volumétrica del GNV b) El % de aire en exceso utilizado c) La humedad molar de los humos, en moles de agua/mol de humos secos 2-13 Una caldera quema petróleo pesado de la siguiente composición: 84% C, 12% H, 2% N, 1,5% O, 0,5% S. La densidad del petróleo es 0,81 kg/L, y la combustión se realiza con 20% aire en exceso. Se sabe que el aire tiene 1,61% en volumen de H2O y que la relación CO2 a CO en los humos es de 10 a 1. Por cada galón de petróleo quemado se pide calcular: a) El volumen de aire utilizado, en m3 a condiciones normales b) El análisis de los humos en base seca, en % en mol c) El volumen de humos húmedos producidos, en m3, medidos a 770 mm Hg y 200 °C

2-14

Un combustible, compuesto por carbono, hidrógeno y oxígeno, se quema con aire seco en

exceso, produciéndose humos con una humedad molar de 0,1034. La composición volumétrica de los humos en base seca es la siguiente: 6,90% CO2, 3,45% CO, 8,61% O2, y 81,04% N2. Calcule: a) La composición en peso del combustible b) El porcentaje de aire en exceso utilizado 2-15 Se quema petróleo con aire seco a 40°C y 790 mm Hg. Se conoce que el petróleo contiene 75% de carbono, y el resto hidrógeno combustible y humedad. Los humos salen a 850°C y 750 mm Hg, y su análisis en base seca es 9% CO2, 2% CO; 3% O2 y 86% de N2. Se pide calcular: a) El porcentaje de aire en exceso utilizado b) La composición completa del petróleo (% en peso) c) El volumen de aire utilizado, en m3 por cada kg de petróleo quemado 2-16 Una central termoeléctrica consume 30 000 m³ diarios de gas natural (medidos a 15,6 °C y 1 atm) que contiene 96,91% de metano, 2,01% de etano y el resto propano. Se emplea 25 % en exceso de aire, que se encuentra a 20 °C y 101,325 kPa y tiene una humedad de 0,02 kg H2O / kg de aire seco. Los gases de combustión contienen CO2 y CO en proporción 15 a 1, además de N2, O2 y H2O.

5

Calcule: a) El flujo de aire húmedo utilizado, en kmol y en m3/h. b) El flujo de gas de combustión que sale por la chimenea, en kmol/h. c) El análisis en base seca del gas de combustión 2-17 Se suministran al horno de un proceso metalúrgico 1000 kg/h de carbón, cuyo análisis reporta lo siguiente (porcentajes en peso): C 77% H 12% N 2,8% S 1,6% Inertes 4,8% Humedad 1,8% Se sabe que en los humos la proporción molar de CO2 a CO es de 5 a 1. La combustión utiliza 25% de aire en exceso a 27°C, siendo la presión de vapor de agua en el aire de 2 kPa. La combustión se realiza a 1 atm de presión constante. En el horno quedan 122 kg/h de cenizas (componentes inertes y parte del carbono no quemado). Se pide: a) La proporción en peso aire/carbón utilizada por la combustión b) El análisis de los humos en base seca y el contenido de SO2 en los humos en mg de SO2/m3 de humos húmedos (medidos en condiciones normales) c) Las emisiones de SO2 en tonelada por año, si la planta opera 340 días al año

2-18

Un gas combustible que contiene solo CH4 y N2 se quema con aire para producir humos de la

siguiente composición en base seca: 8,7% CO2, 1,0% CO, 3,8% O2 y 86,5% N2, y humedad molar 0,25. Calcule: a) El porcentaje de exceso de aire b) La composición (% mol) del gas combustible c) Las emisiones de CO2, en kg / kg de gas combustible d) La humedad molar del aire alimentado 2-19 El análisis de un gas combustible indica que está compuesto por metano, etano y nitrógeno. Este gas se quema con aire a 25 °C, 1 atm y 65% de humedad relativa. Los gases de combustión una humedad molar de 0,174 y su composición molar en base seca es 5,56% CO2; 2,05% CO, 8,41% O2 y el resto N2. Se pide calcular: a) La humedad molar del aire alimentado b) La relación aire/combustible en masa c) La composición molar del gas combustible alimentado d) El porcentaje de aire en exceso

2-20

Los neumáticos usados se han venido usando de manera exitosa como combustible alternativo

en la producción de cemento y cal, generación de electricidad, calderos, industria pulpa y papel, así como en otros procesos industriales. El combustible derivado de neumáticos (TDF, por sus siglas en

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inglés) tiene aspecto de material picado o triturado, después de haberse retirado casi todos los alambres de acero. Su análisis porcentual3 es el siguiente: Carbono 83,87%

Hidrógeno 7,09%

Oxígeno 2,17%

Nitrógeno 0,24%

Azufre 1,23%

Ceniza 4,78%

Humedad 0,62%

Considere que se alimenta 5000 kg/día de este combustible a un horno industrial. El aire atmosférico, que se encuentra a 25 °C, 1 atm y con una humedad molar de 0,020 mol de agua/mol de aire seco, se alimenta con 25 % de exceso. El análisis en base seca de los humos reporta 12,956% CO2 y 0,763% CO. El residuo sólido de la combustión contiene 15% de carbono no quemado y el resto ceniza inerte. Se pide: a) El volumen de aire atmosférico alimentado, en m3/día b) El análisis completo de los humos en base seca c) El volumen de humos, medidos a 350 °C, 1 atm, en m3/día 2-21 Un horno industrial de panificación utiliza gas licuado de petróleo (GLP) como combustible, el cual consta de una mezcla de propano (C3H8) y butano (C4H10). Debido a carencia de mantenimiento del quemador del horno, la combustión es incompleta, siendo el análisis en base seca de los de gases de combustión el siguiente: 0,78% CO, 11,70% CO2, 2,45% O2, y el resto N2. El aire ingresa con una humedad de 0,02 mol de agua/mol aire seco. Se pide: a) La composición volumétrica del GLP b) El % de exceso de aire suministrado c) La humedad molar de los gases de combustión B. OTRAS REACCIONES QUÍMICAS

2-22

En un proceso industrial con reciclo y purga4, mostrado en la figura P2-22, se produce

metanol a partir de monóxido de carbono e hidrógeno, según la siguiente reacción: CO (g) + 2 H2 (g) → CH3OH (g)

R

D

Reciclo AF

AT

Alim. fresca

Alim. total

S E

Reacción

Efluente del reactor

Purga

Separación

P

Producto

Figura P2-22

3 4

Fuente: Air emissions from scrap tire combustion, EPA (1997) El diagrama de bloques de este problema es representativo para todos los procesos con reciclo y purga.

7

La alimentación fresca contiene 32% CO, 64% H2 y 4% N2. La corriente de reciclo está en proporción molar de 5 a 1 respecto a la alimentación fresca. La alimentación total al reactor contiene 13% N2. En el reactor hay una conversión baja, y el efluente gaseoso del reactor pasa a un condensador del cual salen dos corrientes: una de producto líquido que contiene todo el metanol producido en el reactor y otra corriente gaseosa que contiene CO, H2 y N2; esta última corriente gaseosa se divide en dos partes, una se retira como purga y la otra se recicla al punto de mezcla con la alimentación fresca. Para un flujo de alimentación fresca de 100 mol/s, se pide: a) La recirculación del proceso, en mol/s, y su composición molar b) La purga del proceso, en mol/s, y su composición molar c) El flujo de metanol producido, en mol/s d) El % de conversión en el reactor e) El rendimiento del proceso industrial f) Explique el objetivo de las corrientes de reciclo y purga

2-23

Se produce óxido de etileno por oxidación de etileno en un proceso con reciclo y purga, de

acuerdo con la siguiente reacción: 2 C2H4 (g) + O2 (g) → 2 C2H4O (g) Un flujo de alimentación fresca de 142 mol/s, que consiste en una mezcla estequiométrica de etileno y aire seco, se mezcla con la corriente de reciclo y se alimenta al reactor, donde la conversión es 50% en mol con respecto al etileno. La mezcla de gases que sale del reactor se alimenta a un absorbedor, donde un solvente no volátil separa el 100% del producto (óxido de etileno). Los gases residuales que salen del absorbedor en mol se dividen en dos corrientes: 1/5 se elimina como corriente de purga y 4/5 se recicla al reactor, mezclándose con la alimentación fresca. Se pide: a) La producción de óxido de etileno que sale del reactor, en mol/s b) El flujo, en mol/s, y la composición, en % mol, de los gases que salen del absorbedor c) El flujo, en mol/s, y la composición, en % mol, de los gases de purga d) El rendimiento del proceso industrial 2-24 El ciclohexano se obtiene por hidrogenación catalítica del benceno, según la reacción: C6H6 (g) + 3 H2 (g) → C6H12 (g) El proceso se realiza con reciclo y purga. La alimentación fresca (2000 mol/min) contiene 0,60% en mol de inertes y el resto es una mezcla de benceno e hidrógeno en proporción estequiométrica. La alimentación total al reactor contiene 1% en mol de inertes y la conversión en el reactor es 60%. Los efluentes del reactor ingresan a un separador donde se separa todo el ciclo hexano como producto puro. Las sustancias provenientes del separador que no reaccionaron se dividen en una fracción de purga y una corriente de recirculación que luego se mezcla con la alimentación fresca. Se pide: a) La corriente de purga, en mol/min y su composición molar b) La corriente se alimentación total, en mol /min y su composición molar completa c) La producción de ciclohexano en mol/min d) El rendimiento del proceso industrial

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2-25

Se produce óxido de etileno por oxidación de etileno en un proceso con reciclo y purga, de

acuerdo con la reacción: 2 C2H4 (g) + O2 (g) → 2 C2H4O (g) Un flujo de alimentación total de 500 mol/s, que contiene 14% de etileno, 7% de oxígeno y 79% de nitrógeno (% en mol) se alimenta al reactor, donde la conversión es del 45 % en mol con respecto al etileno. La mezcla de gases que sale del reactor se alimenta a un absorbedor, donde un solvente no volátil separa el 100 % del producto óxido de etileno. Los gases residuales que salen del absorbedor en mol se dividen en una corriente de purga y una corriente de recirculación; ésta última se mezcla con la corriente de alimentación fresca. Sabiendo que alimentación fresca contiene 55,63 % en mol de nitrógeno, siendo el resto una mezcla estequiométrica de etileno y oxígeno, se pide: a) La producción de óxido de etileno que sale del reactor, en mol/s b) El flujo, en mol/s, y la composición, en % mol, de la alimentación fresca c) La fracción en mol de la corriente de purga/corriente gaseosa que sale del absorbedor d) El rendimiento del proceso industrial 2-26 En un proceso industrial con recirculación y purga produce ácido acético por oxidación de acetaldehído, de acuerdo con la siguiente reacción: CH3CHO (g) + ½ O2 (g) → CH3COOH (l) La composición molar de la alimentación fresca es 64% CH3CHO, 32% O2 y 4% N2. Esta corriente se mezcla con una corriente de reciclo para producir la alimentación total al reactor, la cual contiene 10% N2. La conversión de la reacción es 80%. Los productos que salen del reactor ingresan a un separador de fases gas-líquido del cual salen dos corrientes: el producto líquido que contiene todo el ácido acético producido en el reactor y otra corriente gaseosa que contiene CH3CHO, O2 y N2; ésta última corriente gaseosa se divide en dos partes, una se retira del proceso como purga y la otra se recicla mezclándose con la corriente de alimentación fresca. Para un flujo de alimentación fresca de 500 kmol/h, se pide: a) Representar el proceso industrial en diagrama de bloques b) El flujo de purga del proceso, en kmol/h, y su composición molar c) El flujo de alimentación total al reactor, en kmol/h, y su composición molar d) El flujo de ácido acético producido, en kmol/h e) El rendimiento del proceso industrial

2-27

Se produce metanol haciendo reaccionar dióxido de carbono con hidrógeno, según la siguiente

ecuación: CO2 (g) + 3 H2 (g) → CH3OH (g) + H2O (g) Un flujo de alimentación fresca de 1000 mol/min con 0,40% de gases inertes, y el resto CO2 e H2 en proporciones estequiométricas, se mezcla con corriente de reciclo. La alimentación total al reactor contiene 2% de gases inertes, y la conversión en el reactor es 60%. El flujo de gases que sale del reactor ingresa a un condensador donde se separa como corriente líquida todo el metanol y el agua producida,

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pero no así los reactantes no convertidos y los gases inertes. Una fracción de los gases provenientes del condensador se purga, y el resto se recicla al punto de mezcla. Se pide: a) La producción de metanol puro, en mol/min b) La corriente de purga, en mol/min, y su composición molar c) La corriente de alimentación total, en mol/min, y su composición molar completa d) El rendimiento del proceso industrial 2-28 El amoniaco se produce en un proceso con recirculación y purga. La corriente de alimentación fresca contiene 0,80% gases inertes (principalmente argón y metano), además de nitrógeno e hidrógeno, que se encuentran en proporción estequiométrica. La alimentación fresca se mezcla con la corriente de reciclo e ingresa al reactor de síntesis donde ocurre la siguiente reacción: N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g) La conversión molar en el reactor es usualmente muy baja, en este caso 25%, lo que hace necesario un gran flujo de reciclo. En el condensador, donde se separa todo el amoníaco producido, de los gases residuales, el 99,5% se recicla y el resto se purga. Para una alimentación fresca de 500 kmol/min, se pide: a) Un diagrama de bloques del proceso industrial b) El flujo de amoniaco producido (kmol/min) c) El flujo (kmol/min) y composición (% mol) de la corriente de purga d) El % en mol de inertes a la entrada del reactor e) El rendimiento del proceso industrial 2-29 En un proceso industrial de producción de amoniaco con recirculación y purga, la conversión de la reacción es de 25% con respecto al reactivo limitante. La alimentación total al reactor (alimentación fresca + reciclo) contiene 20% N2, 75% H2 y 5% de inertes. La corriente que sale del reactor ingresa a un condensador donde todo el amoníaco se condensa; el resto de los gases sin condensar se divide en una corriente de reciclo y otra de purga. Considere que la corriente de alimentación fresca contiene 0,50 % en mol de inertes. Se pide calcular: a) La composición molar de la corriente de purga b) La relación molar corriente de recirculación /alimentación fresca c) La composición molar de la alimentación fresca d) ¿Sería necesaria la corriente de purga, si no hubiese inertes?

2-30

Una corriente fresca de 100 kmol/min que contiene en 50% CO y 50% H2 se alimenta a un

reactor de síntesis donde se produce metanol según la reacción de síntesis: CO (g) + 2 H2 (g) → CH3OH (g) La corriente fresca se mezcla con corriente de recirculación antes de ingresar al reactor. La conversión en el reactor es de 50% respecto al reactivo limitante. El metanol producido en el reactor se separa

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totalmente por condensación y la corriente resultante se divide en dos partes iguales: una se recircula al reactor y la otra se purga del sistema. Se pide: a) Un diagrama de bloques del proceso b) El flujo de metanol producido, en kmol/min c) El flujo y composición de la corriente de recirculación d) El % de rendimiento del proceso con reciclo y purga e) Estimar el flujo de metanol por tanteos, empezando con 100 kmol/min de alimentación al reactor y luego añadiendo gradualmente la corriente de recirculación hasta alcanzar el estado estable. 2-31 Se produce ciclohexano por la reacción del benceno con hidrógeno según la reacción: C6H6 (g) + 3 H2 (g) → C6H12 (g) La corriente de alimentación fresca de 100 kmol/h y está compuesta por 1,1% de gases inertes, benceno e hidrógeno, donde el hidrógeno está con 20% de exceso respecto a la cantidad estequiométrica. La corriente de alimentación fresca se mezcla con la corriente de recirculación y se alimenta al reactor, donde la conversión es de 20% respecto al reactivo limitante. La corriente que sale del reactor ingresa a un separador, donde se recupera todo el ciclohexano a razón de 20,43 kmol/h. La corriente residual se divide en una corriente de recirculación y otra de purga. Se pide: a) Identificar el reactivo limitante. Justifique su respuesta b) ¿Por qué es necesaria la corriente de purga? c) La composición de la corriente de purga, % en mol d) La fracción de la corriente residual que se recircula e) La relación entre la corriente de recirculación y la alimentación fresca 2-32 En un proceso industrial con recirculación y purga se produce metanol (CH3OH), según la siguiente reacción en fase gaseosa: CO (g) + 2 H2 (g) → CH3OH (g) La alimentación fresca contiene una mezcla no estequiométrica de monóxido de carbono e hidrógeno y 1,79 % en mol de un gas inerte. La alimentación total al reactor contiene 4,8% en mol del gas inerte, CO y H2, donde el CO se encuentra con 20% de exceso. En el reactor, la conversión del reactivo limitante es 35%. Los gases que salen del reactor ingresan a un condensador del cual se separa todo el metanol. Para evitar acumulación de inertes, una fracción de los gases residuales del condensador se purga y el resto se recicla, mezclándose con la alimentación fresca. Para una alimentación total al reactor de 100 kmol/min, se pide: a) El flujo de metanol (CH3OH) producido, en kmol/min b) El flujo de alimentación fresca, en kmol/min y su composición (% en mol) c) El flujo de purga, en kmol/min y su composición (% en mol) d) La fracción de gases que sale del condensador que se recicla e) Cantidad de alimentación fresca (kmol/h) requerida para obtener 140 kmol/min de CH3OH 11

2-33 En el diagrama adjunto se muestra un proceso industrial para obtener 100 kmol/min de una mezcla de gases compuesta por 70% N2 y 30% H2, que será utilizada para un proceso de tratamiento térmico de metales. El proceso industrial utiliza una alimentación fresca amoniaco puro (F1) que se mezcla con una corriente de reciclo de amoniaco puro (F8). La alimentación total (F2) ingresa a un reactor de pirólisis donde el amoniaco se descompone de acuerdo con la reacción: 2 NH3 (g) → N2 (g) + 3 H2 (g) El grado de conversión de esta reacción es de 80%. El amoniaco no descompuesto se separa totalmente de la corriente de productos por absorción con un solvente no volátil. Luego, la solución rica en amoniaco (F5) ingresa a un regenerador (desorbedor) para recuperar todo el amoniaco disuelto, el que se recicla. Así mismo, todo el solvente (F9) se recircula al absorbedor. La corriente gaseosa que sale del absorbedor (F4), que solo contiene N2 y H2, se mezcla con una corriente de N2 puro (F6) para lograr la composición deseada de 70% N2 y 30% H2 en la corriente F7. Se pide: a) El flujo F1 de NH3 puro fresco alimentado, kmol/min b) El flujo F6 de N2 puro alimentado, kmol/min c) La composición del flujo F3 que sale del reactor, % mol F6 N2 puro F1 NH3 puro

F2

Reacción de pirólisis

F3 Gases

F7 Producto F4 Gases Absorción F5

F8

F9

Reciclo solvente no volátil

Desorción

Reciclo NH3 puro

Figura P2-33

2-34

En un reactor catalítico se oxida dióxido de azufre con 40% de aire seco en exceso, de

acuerdo con la siguiente reacción: 2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g) El grado de conversión del SO2 es de 60%, y del proceso se obtienen 360 kg/min de SO3. Se pide: a) El flujo de SO2 alimentado, en kmol/min b) El flujo de aire seco alimentado, en kmol/min c) La composición molar y el flujo de gases que salen del reactor, en kmol/min 2-35 En el diagrama adjunto se muestra la producción industrial de benceno por hidrogenación del tolueno, de acuerdo con la siguiente reacción: 12

C7H8 (g) + H2 (g) → C6H6 (g) + CH4 (g) Se agrega hidrógeno puro al flujo de gas reciclado para que el gas que ingresa al mezclador tenga una composición molar de 50% H2 y 50% CH4. El líquido reciclado es 100% tolueno, que se mezcla con la alimentación fresca de 100% tolueno y se vaporiza. La alimentación total al reactor contiene H2, CH4 y C7H8, siendo la razón molar entre el H2 y el C7H8 de 4 a 1. La conversión molar del tolueno en la reacción química es de 80%. Para una alimentación fresca 7360 kg/h de tolueno puro, se pide: a) Identificar el reactivo limitante b) El flujo de 100% benceno líquido que se produce, en kg/h c) El flujo de gas purgado, en kmol/h, y su composición molar d) El flujo de H2 puro que se agrega al gas reciclado, en kmol/h H2 100%

Alim. fresca C7H8 100%

Reciclo gas H2 CH4

H2 CH4 Evaporación

Alim. total

Reacción

H2 CH4

Purga H2 CH4

Separación

Líquido C6H6 100%

Reciclo líquido C7H8 100%

Figura P2-35 2-36 En el diagrama de bloques adjunto, se muestra un proceso donde se reduce el óxido férrico con hidrógeno gaseoso para producir hierro metálico, de acuerdo con la siguiente reacción: Fe2O3 (s) + 3 H2 (g) → 2 Fe (s) + 3 H2O (g) La alimentación fresca (F8) contiene 99 % de H2 en mol y 1 % de CO2 como impureza. La unidad de separación del agua retira todo el vapor de agua que sale del reactor como agua líquida (corriente F4). La corriente gaseosa (F5) que sale de la unidad de separación contiene H2 y CO2; esta corriente se fracciona en una corriente de purga (F6) y una corriente de recirculación (F7). La alimentación total al reactor (F9) contiene 97,5 % de H2 en mol y 2,5 % de CO2 como impureza. Además, la relación molar entre la alimentación total al reactor y la alimentación fresca (F9/F8) es de 4 a 1. Para una alimentación de 1000 kg/h de Fe2O3 (F1), se pide: a) La corriente de hierro metálico puro (F2) que se produce, en kg/h b) La corriente de purga (F6), en kmol/h, y su composición molar c) La corriente de alimentación fresca (F8), en kmol/h

13

F3 F1 Fe2O3 Reacción

F4 Agua pura

Separación

F2

F5

Fe puro F7

F9

F6 Purga F8 Alim. fresca

Figura P2-36 2-37 En el reactor mostrado en el diagrama de bloques adjunto se llevan a cabo al mismo tiempo las siguientes reacciones: C2H5OH (g) → CH3CHO (g) + H2 (g) 2 C2H5OH (g) → CH3COOC2H5 (g) + 2 H2 (g) Considere que el 85 % en mol de la corriente F2 de etanol puro que ingresa al reactor reacciona de acuerdo con las reacciones dadas. Para un flujo de 1000 mol/min de producto (F4), se pide: a) El flujo de etanol fresco (F1), en mol/min b) El flujo de gas hidrógeno puro (F6), en mol /min c) El flujo de recirculación de etanol puro (F5), en mol /min d) La composición molar de la corriente que sale del reactor (F3) F6

H2 puro F1

Alim. fresca C2H5OH puro

F2

F3

Reacción

Separación

F4 Producto

F5 Reciclo C2H5OH puro

Figura P2-37 2-38 El proceso Shell es un método alternativo para la producción de etanol a partir de hidrocarburos. En el diagrama mostrado en la figura P2-38, el etanol se produce por hidratación del etileno (C2H4) de acuerdo con la siguiente reacción de síntesis: C2H4 (g) + H2O (g) → C2H5OH (g) La alimentación fresca compuesta de 90,6% en mol de etileno y el resto de los gases inertes, se mezcla con vapor de agua y una corriente de reciclo. En la alimentación total al reactor, la relación molar de 14

vapor de agua a etileno es de 13 a 20, y la relación molar de gases inertes a etileno es de 3 a 17. En las condiciones de operación del reactor, la conversión de etileno es muy baja (tan solo 5%). La corriente gaseosa que sale del reactor es alimentada a una columna de separación donde todo el etanol y el agua quedan en los fondos como producto. La corriente de gases residuales (etileno y gases inertes) se divide en una corriente de reciclo y una corriente de purga. Para la alimentación fresca de 100 kmol/min, se pide: a) La composición (% mol) de la corriente que entra y sale del reactor (B y AT) b) La relación molar de reciclo a alimentación fresca (R/AF) c) La corriente de purga (D), en kmol/min y su composición molar d) La corriente de vapor de agua de reposición (V), en kmol/min R

D

Reciclo AF

AT

Alim. fresca

Alim. total

S B

Reacción

Purga

Separación

V Vapor de agua

P

Producto

Figura P2-38 2-39 El siguiente diagrama de bloques cuantitativo muestra el proceso de obtención de una mezcla estequiométrica de gases H2 y N2 para la obtención de amoníaco. Las reacciones químicas que se producen en cada reactor son las siguientes:

(1) (2) (3)

Reacción CH4 (g) + H2O (g) → CO (g) + 3 H2 (g) CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2 (g) CO (g) + H2O (g) → CO2 (g) + H2 (g)

Se pide: a) La fracción molar de metano que reacciona en el primer reactor b) La composición molar de la mezcla de gases a la salida del segundo reactor c) La composición molar de la mezcla de gases a la salida del tercer reactor Gases F7 CO2 279 mol H2O 168 mol

F1 CH4 25 °C 279 mol

Reacción 1

F2

H2O 450 °C 558 mol

F3 Gases 850 °C

Reacción 2

F4

F5 Gases 1000 °C

Aire seco 25 °C O2 84 mol N2 316 mol

Figura P2-39

15

Reacción 3

F6 Gases 240 °C

Separación Gases F8 H2 948 mol N2 316 mol

2-40

En el diagrama adjunto se muestra una unidad de craqueo catalítico de etano para producir

hidrógeno y etileno de acuerdo con la siguiente reacción: C2H6(g) → C2H4 (g) + H2 (g) La unidad procesa diariamente una alimentación fresca de 1260 toneladas de etano. Además, se debe alcanzar una conversión de 35% en el reactor y el proceso debe diseñarse con una relación de reciclo de etano (R/AF) adecuada para que el 95% en mol de la alimentación fresca se transforme en productos. Considere adicionalmente que en el separador se retira todo el hidrógeno producido en el reactor y, en la columna de destilación se recupera todo el etileno producido. Con esta información, se pide: a) La producción de hidrógeno y etileno en la unidad, en toneladas/día b) La alimentación total de etano al reactor, en toneladas/día c) La composición molar de las corrientes B y C d) La relación de reciclo (R/AF) P1 H2 AF

AT

Alim. fresca

Alim. total

Evaporación

B

Separación

P2 C

C2H4

Destilación C

R Reciclo C2H6

D Purga C2H6

Figura P2-40

C. PREGUNTAS DE TEORÍA 2-41 Con relación al proceso de combustión se pide completar lo que corresponda: a) El oxígeno _________________ es la mínima cantidad de oxígeno que se debe suministrar para la combustión completa del combustible. b) En una combustión incompleta el oxígeno en los humos es _________________ que el oxígeno en exceso. 2-42 Complete el cuadro de balance para la siguiente reacción, considerando una conversión molar de 40%: CO (g) + 2 H2 (g) → CH3OH (g)

Entrada Generación Salida Salida

CO (mol) 20

H2 (mol) 30

16

CH3OH (mol)

2-43 Con relación al proceso de combustión, complete los espacios en blanco: a) Se denomina humos se refiere a los gases de combustión que contienen ________________, además de gases como CO, CO2, O2, N2, H2O, etc. b) En la combustión de un combustible gaseoso que no contiene N2 se puede afirmar que el N2 del aire es __________________.

2-44 Escriba las reacciones básicas de combustión para un combustible sólido que se quema con exceso de aire, considerando que el combustible contiene carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 2-45 El fuel oil o combustóleo es un combustible pesado que se utiliza en hornos, calderas y en centrales termoeléctricas. Está compuesto por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. a) Identifique el (los) componente(s) que se oxidan:____________________________________ b) Identifique el (los) componente(s) inertes: _________________________________________ 2-46 Complete los espacios según corresponda para una reacción de combustión: a) La combustión incompleta consume ___________ oxígeno que la combustión completa b) La presencia de oxígeno en los humos se debe a _____________ c) Indique las posibles fuentes de vapor de agua en los humos ___________________________ 2-47 Indique el objetivo de los equipos o corrientes en un proceso con reciclo y purga: a) Alimentación fresca ___________________________________________________________ b) Reciclo _____________________________________________________________________ c) Separador __________________________________________________________________ d) Purga ______________________________________________________________________ 2-48 Explique los siguientes términos relacionados al balance de materia con reacción química: a) Conversión __________________________________________________________________ b) Reactivo limitante ____________________________________________________________ c) Rendimiento ________________________________________________________________ d) Selectividad _________________________________________________________________ 2-49 Explique a qué se refieren los siguientes tipos de reacciones químicas: a) Síntesis _____________________________________________________________________ b) Pirólisis _____________________________________________________________________ c) Hidrólisis ___________________________________________________________________ 17

2-50 Explique en qué casos se cumple la ecuación Entradas = Salidas cuando hay reacción química: ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________

Los profesores del curso

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