12 y 13 Balance de Materia Con Reaccion Quimica Multietapas [PDF]

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BALANCE DE MATERIA CON REACCION QUIMICA EN SISTEMAS MULTIETAPAS 1. En la figura de mas abajo se ilustra un proceso simplificado para la producción de SO3 que se usará en la fabricación de ácido sulfurico. El azufre se quema con 100% de aire en exceso en el quemador, pero solo se logra una conversión del 90% del S a SO2 en la reacción S + O2 = SO2. En el convertidor, la conversión de SO 2 a SO3 tiene un grado de conversión del 95%. a. Calcule las lb de aire requeridas por cada 100 lb de azufre quemado, y b. las concentraciones de los componentes del gas de salida del quemador y c. del convertidor.

Moles S = 100lb/32 Moles S = 3.125 lbmol S + O2 = SO2 O2 teorico : 3.125 lbmol de O2 O2 alimentado: 2 x 3.125 = 6.5 lbmol 21% = 6.5 lbmol 79% = X X= 24.45 lbmol de N2 a. Las lb de aire moles de aire = 6.5 lbmol + 24.45 lbmol = 30.95 lbmol lb aire = 29 x 30.95 = 897.55 lb de aire b. Como solo reacciona el 90% del S, 0.9 x 3.125 lbmol, 2.81 lbmol de S reaccionan y 0.315 lbmol (que equivale al 10% de S alimentado) no reaccionan. Quemador S + O2 = SO2 2.81 2.81 2.81 A la salida del quemador hay: 2.81 lbmol de SO2………….. 9% 24.45 lbmol de N2 …………. 79% 3.69 lbmol de O2 ………….. 12%

c. Como solo va a reaccionar el 95% del SO 2, 0.95 x 2.81 lbmol = 2.67 lbmol y 0.14 lbmol de SO2 no reaccionan. SO2 + ½ O2 = SO3 2.67 1.335 2.67 A la salida del convertidor hay: 2.67 lbmol de SO3 …………. 9.02% 0.14 lbmol de SO2 …………. 0.47% 2.355 lbmol de O2 …………. 7.95% 24.45 lbmol de N2 …………. 82.56% 2. El silicio de grado metalúrgico se purifica a grado electrónico para su uso en la industria de los semiconductores haciendo una separacion química de sus impurezas. El Si metálico reacciona en diversos grados con cloruro de hidrógeno gaseoso a 300°C para formar diversos silanos policlorados. El triclorosilano es líquido a temperatura ambiente y se separa fácilmente por destilación fraccionada de los demás gases. Si 100 kg de silicio reaccionan como se muestra en la figura, ¿Cuánto triclorosilano se produce?

Moles de silicio = 100 / 28.09 = 3.56 kgmol Entrada

Salida

Si

NsiB 3.56 kgmol 3.56 kgmol

NH2SiCl2D + NSiCl4D + NHSiCl3E 0.2142D + 0.1429D + E 0.3571D + E

Cl2

0.5NHClA

NH2SiCl2D + 2NSiCl4D + 1.5NHSiCl3E 0.2142D + 2 x 0.1429D + 1.5 E 0.5D + 1.5E

H2

NH2SiCl2D + 0.5NHSiCl3E + NH2D

0.5N

0.2142D + 0.5 E + 0.6429D 0.8571D + 0.5E

A HCl

A = 10.30 kgmol D= 4.97 kgmol E= 1.78 kgmol

3. Un horno quema un gas combustible con la siguiente composición: 70% CH 4, 20% H2 y 10% C2H6 con aire en exceso. Una sonda de oxígeno colocada a la salida del horno indica 2% de oxígeno en los gases de escape. Estos gases se pasan después por un ducto largo hasta un intercambiador de calor. A la entrada del intercambiador el análisis de Orsat del gas da 6%. ¿La discrepancia se debe al hecho de que el primer análisis se calculó sobre una base húmeda y el segundo sobre base seca (no hay condensación de agua en el ducto) o a una fuga de aire en el ducto? Si es lo primero, indique el análisis de Orsat del gas que sale del horno. Si es lo segundo, calcule la cantidad de aire que se introduce en el ducto por cada 100 moles de gas combustible quemado.

C

H2

O2

Entrada

Salida

NCH4F + 2NC2H6F 70 moles + 2x10 moles 90 moles

NCO2P

2NCH4F + 3NC2H6F + NH2F 2x70 moles + 3x10 moles + 20 moles 190 moles

NH2OP

NO2A

NCO2P + 0.5NH2OP + NO2P 90 moles + 0.5x190 moles + NO2P 185 moles + NO2P

0.21A N2

NN2A 0.79A

90 moles

190 moles

NN2P

Al sustituir valores de aire en excel se llega a la conclusion de que la cantidad de aire que satisfaga las ecuaciones de arriba debe ser igual a 984 moles.

C

Entrada

Salida

NCH4F + 2NC2H6F

NCO2P =

70 moles + 2x10 moles = 90 moles H2

O2

90 moles

2NCH4F + 3NC2H6F + NH2F 2x70 moles + 3x10 moles + 20 moles = 190 moles

NH2OP =

NO2A =

NCO2P + 0.5NH2OP + NO2P = 90 moles + 0.5x190 moles + NO2P = 185 moles + NO2P

0.21x984 moles = 206.64 moles

190 moles

NO2P =21.64 moles N2

NN2A

NN2P

0.79A = 0.79 x 984 moles = 777.36 moles

NN2P = 777.36 moles

Haciendo el analisis de los gases de chimenea: CO2 = 90 moles ……… 8.3% H2O = 190 moles ……. 17.6% O2 = 21.64 moles ……. 2.1% N2 = 777.36 moles ……. 72% Total = 1079 moles Haciendo el analisis orsat: CO2 = 90 moles ……… 10.1% O2 = 21.64 moles ……. 2.4% N2 = 777.36 moles ……. 87.5% Total = 889 moles Como podemos ver la diferencia medida de 2% en un punto y 6% en otro no se debe al analisis orsat. Por lo que respondemos que se alimentan 984 moles de aire 4. El hidróxido de sodio por lo regular se produce a partir de la sal común por electrolisis. Los elementos esenciales del sistema se muestran en la figura. a) ¿Cuál es el porcentaje de conversion de sal en hidróxido de sodio?

b) ¿Cuánto cloro gaseoso se obtiene por cada libra de producto? c ) ¿Cuánta agua debe eliminarse en el evaporador por cada libra de producto?

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2 + H2 Base de calculo: 1 libra de producto NaOH = 1lb x 0.5 = 0.5 lb / 40 = 0.0125 lbmol NaCl = 1 lb x 0.07 = 0.07 lb / 58.45 = 0.0012 lbmol H2O = 1 lb x 0.43 = 0.43 lb / 18 = 0.024 lbmol Na

Entrada

Salida

NnaClF

NNaOHP + NNaClP 0.0125 lbmol + 0.0012 lbmol = 0.0137 lbmol

0.0137 lbmol = 0.80lb 0.80 lb representan el 30% p/p de la disolucion que entra, entonces las lb de agua son el 70% (1.87 lb = 0.1038 lbmol) O2

0.5NH2OF

0.5NNaOHP + 0.5NH2OW + 0.5NH2OP

0.5 x 0.1038 lbmol = 0.0519 lbmol

0.5x0.0125 lbmol + 0.5NH2OW + 0.05x0.024 lbmol = 0.01825lbmol + 0.5NH2OW

Na + ½ O2 + ½ H2 = NaOH NH2OW = 0.0673 lbmol H2

NH2OF

0.5NNaOHP + NH2OW+ NH2OP + NH2C

0.1038 lbmol

0.5x0.0125 lbmol + 0.0673 lbmol + 0.024lbmol +NH2C = NH2C = 0.00625 lbmol

Cl2

0.5NNaClF 0.5 x 0.0137 lbmol 0.00685 lbmol

0.5NNaClP + NCl2C 0.5x0.0012 lbmol + NCl2C 0.0006 lbmol + NCl2C NCl2C = 0.00625 lbmol

0.0137 lbmol * 58.45 = 0.801 lb de NaCl

0.801 lb = 30% X = 70% X = 1.869 lb de H2O / 18 = 0.1038 lbmol

a) ¿Cuál es el porcentaje de conversion de sal en hidróxido de sodio? %conversion = moles obtenidos del producto / moles estequiometricos del producto %conversion = 0.0125 lbmol / 0.0137 lbmol = 91.2%

b) ¿Cuánto cloro gaseoso se obtiene por cada libra de producto? 0.00625 lbmol

c ) ¿Cuánta agua debe eliminarse en el evaporador por cada libra de producto? 0.0673 lbmol

5. A un reactor se alimenta una mezcla equimolar de CO e H 2 con el fin de sintetizar CH3OH, conforme a la reacción: CO + 2H2 = CH3OH De acuerdo a las condiciones del proceso reacciona 65% del hidrógeno alimentado al reactor, desafortunadamente solo el 58% de esta cantidad, produce CH 3OH, mientras que el resto produce CH4 y H2O según la reacción: CO + 3H2 = CH4+H2O Determina los valores de las corrientes D, P y F D = 58.07 mol CH4 = 4.55 mol CO = 36.02 mol H2 = 17.5 mol

F = 100 mol CO = 50 mol H2 = 50 mol

P = 13.98 mol CH3OH = 9.43 mol H2O = 4.55 mol

BASE DE CALCULO: F = 100 moles (50 moles CO y 50 moles H2) H2: 0.65 x 50 moles = 32.5 moles que reaccionan = 17.5 moles que no reaccionan 0.58 x 32.5 moles = 18.85 moles de H2 para la reaccion 1 0.42 x 32.5 moles = 13.65 moles de H2 para la reaccion 2 CO + 2H2 = 9.43 18.85

CH3OH 9.43

CO + 3H2 = CH4 + H2O 4.55 13.65 4.55 4.55