Cap 9 Problemas Sistemas Reaccionantes - Sol [PDF]

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BALANCE DE MATERIA CON REACCIÓN QUÍMICA Composición del Aire: 21% O2 79% N2 Tipos de reacciones de combustión Reacción completa: CxHy +O2  CO2+H2O Reacción incompleta: CxHy+O2  CO+H2O

Combustible CXHY Aire %Exceso

Gases de combustión CO2 CO O2 N2 H2O SOx NOx

1. En la mayoría de los cálculos de ingeniería se supone que el aire está constituido por 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. Calcule el peso molecular promedio. 2. Una cierta cantidad de CO se oxida con O2 para formar CO2. a) ¿Cuántos kilogramos de CO2 se obtendrán con 56 Kg de CO? M(CO)=12+16=28 kg/kmol M(CO2)=12+16*2=44 kg/kmol CO 56 Kg 28

+

1/2 O2 CO2 X 1*44

X=56*44/28=88 Kg CO2

3. En un motor entra do decano (C12H26) que se quema con aire para dar unos gases de combustión de análisis molar en base seca del 12,1 % de CO2, 3,4 % de CO, 0,5 % de O2, 1,5 % de H2 y 82,5 % de N2. Determine la relación aire-combustible en base molar.

Gases de combustión: base seca CO2 12.1% CO 3.4% O2 0.5% H2 1.5% N2 82.5% H2O ¿?

C12H26

Aire: 21% O2 79%N2

Base de calculo: 100 moles de gases de combustión en base seca XC12H26

+0.21AO2 +0.79AN2  12.1CO2 + 3.4CO +0.5O2 + 1.5H2 + 82.5N2 +wH2O

C: 12X=12.1+3.4 X=1.2917 H: 26X=3+2w26*1.9217=3+2w  w=15.2917 O: 0.21A*2=12.1*2+3.4+1+w0.21*A*2=28.6+wA=104.504 Relación aire/combustible=104.504/1.2917=80.904/1 4. Calcular la relación molar aire/combustible teórica para la combustión de metano (CH4) dando los siguientes productos de combustión: (a) CO2 y H2O; (b) CO y H2O; (c) CO y H2. Metano GAS DE COMBUSTIÓN AIRE: 21% O2 79% N2

a) CH4

+

1000 mol

2O2



2000 mol

Oxigeno: 21% = 2000 mol

1CO2 1000mol

+ 2 H2O 2000 mol

100 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒

Aire: 100% = 2000 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 ∗ (

21 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

) = 9523.81 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑖𝑟𝑒

Relación aire/combustible= 9523.81mol / 1000 mol= 9.52 mol aire/ 1 mol CH4 b) 1CH4

3

+

O2

2



1CO

+ 2 H2O

1000mol 1500 mol 1000mol 2000 mol Oxigeno: 21% = 1500 mol Aire: 100% = 7142.86 mol Relación aire/combustible= 7142.86 mol / 1000 mol= 7.14

c) 1CH4

1

+

1000mol

2

O2

500 mol



1CO 1000mol

+

2H2

2000 mol

Oxigeno: 21% = 500 mol Aire: 100% = 2380.95mol Relación aire/combustible= 2380.95mol / 1000 mol= 2.38 5. Los gases de una caldera que quema fuel, presentan la siguiente composición sobre base seca: CO2=12,2 %; CO=1,2 %; O2=3,1 %; N2=83,5 %. Suponiendo que el combustible no contiene más que C y H, Calcular: (a) La composición centesimal del combustible. (b) Los moles de aire empleados por kg de combustible. (c) El porcentaje de exceso de aire empleado.

FUEL C:X H:Y

𝐴𝐼𝑅𝐸 21% 𝑂2 79% 𝑁2

Gas de combustión 12.2 % 𝐶𝑂2 1.2 % 𝐶𝑂 3.1 % 𝑂2 83.5 % 𝑁2

Base de cálculo: 100 moles de gas de combustión [𝑋𝐶 + 𝑌𝐻] + 𝐴[0.21 𝑂2 + 0.79 𝑁2 ] → 12.2 𝐶𝑂2 + 1.2 𝐶𝑂 + 3.1 𝑂2 + 8.35 𝑁2 + 𝑍 𝐻2 𝑂 

𝑋 = 13.4 𝑚𝑜𝑙

0.79 × 𝐴 = 2 × 83.5 

𝐴 = 211 𝑚𝑜𝑙

𝑋 = 12.2 + 1.2 Balance “N”:

Balance “O”: 0.21 × 211 = 2 × 12.2 + 1.2 + 2 × 3.1 + 𝑍  Balance “H”: 𝑌 = 2 × 12.5  𝑍 = 25 𝑚𝑜𝑙 a)

𝑍 = 12.5 𝑚𝑜𝑙

13.4 ×12

% 𝐶 = (13.4×12+25×1) = 86.5 % 25 ×1

% 𝐻 = (13.4×12+25×1) = 13.5 % b) [13.4𝐶 + 25𝐻] + 211[0.21 𝑂2 + 0.79 𝑁2 ] → 12.2𝐶𝑂2 + 1.2𝐶𝑂 + 3.1𝑂2 + 8.35𝑁2 + 12.5𝐻2 𝑂 25 𝑚𝑜𝑙 𝐻  211 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 1000 𝑔 ×0.135 1𝑔/𝑚𝑜𝑙



𝑋

𝑋 = 1139.4 𝑚𝑜𝑙 c) Balance teórico: [13.4𝐶 + 25𝐻] + 𝐴[0.21 𝑂2 + 0.79 𝑁2 ] → 𝑎𝐶𝑂2 + 𝑏𝐻2 𝑂 + 𝑐𝑁2 Balance “H”: 25 = 2 × 𝑏



𝑏 = 12.5 𝑚𝑜𝑙

Balance “C”: 13.5 = 𝑎 Balance “H”: 0.21 × 𝐴 = 2 × 13.4 + 12.5 

A= 187.14 𝑚𝑜𝑙

Exceso de Aire: 𝑌=

211 − 187.14 × 100% = 12.7 % 187.14

6. Gas natural de composición 93% CH4; 4% C2H6; 3% C3H8; se quema en un horno con 40% de exceso de aire. Determinar la composición de los gases de combustión.

Base de cálculo(BC): 100 moles de combustible CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O 93 mol 186 mol 93 mol 186 mol C2H6+ 4 mol

3.5O2  14 mol

C3H8+ 3 mol

5O2  15 mol

CO2 + 8 mol

3H2O 12 mol

3CO2 + 9 mol

4H2O 12 mol

O2, requerido=186+14+15=215 mol O2,ingresa=215*1.4=301 mol N2, ingresa=301 mol O2*0.79 mol N2/0.21 mol O2=1132.3 mol CO2,producido=93+8+9=110 mol H2 O,producido=186+12+12=210 mol 110 ) ∗ 100 = 7.15% 1538.3 86 %𝑂2 = ( ) ∗ 100 = 5.59% 1538.3 1132.3 %𝑁2 = ( ) ∗ 100 = 73.61% 1538.3 210 %𝐻2 𝑂 = ( ) ∗ 100 = 13.65% 1538.3 %𝐶𝑂2 = (

7. Un combustible que contiene 10% de metano, 90% de etano se quema con 35% de exceso de aire, determine la composición de los gases de escape.

Base de cálculo(BC): 100 moles de combustible CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O 10 mol 20 mol 10 mol 20 mol C2H6+ 3.5O2  CO2 + 3H2O 90 mol 315 mol 180 mol 270 mol O2, requerido=20+315=335 mol O2,ingresa=335*1.35=452.25 mol N2, ingresa=452.25 mol O2*0.79 mol N2/0.21 mol O2=1701.32 mol CO2,producido=10+180=190 mol H2 O,producido=20+270=290 mol 190 ) ∗ 100 = 8.27% 2298.57 117.25 %O2 = ( ) ∗ 100 = 5.10% 2298.57 1701.32 %N2 = ( ) ∗ 100 = 74.01% 2298.57 290 %H2 O = ( ) ∗ 100 = 12.61% 2298.57 %CO2 = (

8. Se quema 1 kilo de carbón (98% C, 2% Inertes) con 20% de exceso de aire, determine la composición de los gases de combustión.

C: 980 gr*(1 mol/12 gr)=81.667 mol C 81.667 mol

+

O2  81.667 mol

C O2 81.667 mol

O2, requerido= 81.667 mol O2,ingresa= 81.667*1.2=98.0004 mol N2, ingresa=98.0004 mol O2 *0.79 mol N2 /0.21 mol O2 =368.668 mol CO2,producido=81.667 mol 81.667 %𝐶𝑂2 = ( ) ∗ 100 = 18.28% 446.6684 16.334 %𝑂2 = ( ) ∗ 100 = 3.656% 446.6684 368.668 %𝑁2 = ( ) ∗ 100 = 82.537% 446.6684 9. Se quema 10 Kg/h de metano con 30% de exceso de aire, determine la composición de los gases de combustión.

C: 10 Kg/h*(1 Kmol/12 Kg)= 0.8333 Kmol Base de cálculo(BC): 100 moles de combustible CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O 0.8333 1.6667 0.8333 1.6667 O2, requerido= 1.6667 Kmol O2,ingresa= 1.6667 *1.4=2.33333 mol N2, ingresa=2.33333 mol O2*0.79 mol N2/0.21 mol O2=8.77778 mol CO2,producido=0.8333 mol

H2 O,producido=1.6667 mol 1.6667 %𝐶𝑂2 = ( ) ∗ 100 = 13.043% 12.77781 0.66663 %𝑂2 = ( ) ∗ 100 = 5.217% 12.77781 8.77778 %𝑁2 = ( ) ∗ 100 = 68.695% 12.77781 1.6667 %𝐻2 𝑂 = ( ) ∗ 100 = 13.043% 12.77781 10. Un gas combustible formado por metano X mol de CH4 y Y mol de etano C2H6 se quema completamente con aire, el cual se suministra en exceso. El análisis Orsat del gas de chimenea se muestra en el siguiente cuadro (%mol).

CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O C2H6 + 3,5 O2  2 CO2 + 3 H2O Tomando 100 moles de gas de combustión producido como base de cálculo a) b)

Calcule el %mol en exceso de aire. Calcule la composición molar del gas combustible (%mol). Tomando 100 moles de gas de combustión producido como base de cálculo.

N2 sale en gas de combustión= 85.64 mol

O2,ingresa= 85.64 𝑚𝑜𝑙 𝑁2 ∗

0.21 𝑚𝑜𝑙 𝑂2

(0.79 𝑚𝑜𝑙 𝑁2)=22.765 mol O

2

Oxígeno en exceso que ingresa=3.59 mol (Lo que sale en el gas de combustión es el exceso). O2, requerido= 22.765-3.59=19.175 mol 3.59 %𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑂2 = ∗ 100 = 18.722% 19.175 CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O X mol 2X mol X mol 2X mol C2H6+ 3.5O2  CO2 + 3H2O Y mol 3.5Y mol 2Y mol 3Y mol X+2Y=10.57 2X+3.5Y=19.175 X=2.71 Y=3.93

11. Un combustible contiene 35% de CH4, 25% de C2H6 y 40% H2. Si se queman 1000 kmol/h de este combustible en un horno industrial. a) Determine el flujo molar de aire teórico requerido para quemar dicho combustible (no se produce CO). b) Determine la composición molar de los gases de combustión, si suponemos que el combustible se quema estequiométricamente. c) Determine el flujo másico de los gases de combustión en Kg/seg. Combustible= CH4 C2H6

H2

1000 Kmol/h 35% 350 Kmol/h 25% 250 Kmol/h

40%

400 Kmol/h

Horno

Aire 21% O2 79% N2

1 CH4 + 350

1 O2 350

→

1 CO2 350

+

Gases de combustión CO2 H2O

2 H20 700

C2H6 +

3.5 O2

250 1 H2 400

→

875 +

Aire= N2=

+

3 H20

500

0.5 O2 200

Mol O2=

2 CO2

→

750

1 H20 400

1425 Kmol/h 6785.7 Kmol/h 5360.7 Kmol/h

Masa Gases de molar, combustión Kmol/h % Kg/Kmol Kg/h CO2 850 31% 44 37400 H2O 1850 69% 18 33300 Moles Flujo totales= 2700 másico 70700 Kg/h

12. Determine la composición de los gases de escape, si en un horno de gas se quema 1 kmol/h de C3H8 con 20% de exceso de aire. Combustible= C3H8

1 Kmol/h Gases de combustión

Horno

CO2 H2O O2 N2

Aire O2 21% N2 79% 20% Exceso C3H8

+ 1

5 O2 5

→

3 CO2 3

O2 5 Kmol/h Oxígeno teórico o requerido O2,real= 6 Kmol/h N2,real= 22.571 Kmol/h N2, ingresa N2, ingresa=N2, sale Gases de combustión CO2 3 Kmol/h H2O 4 Kmol/h O2 1 Kmol/h O2, ingresa-O2, teórico

+

4 H2O 4

N2 22.571 Kmol/h N2, sale Total= 30.571 Kmol/h Gases de combustión CO2 9.81% H2O 13.08% O2 3.27% N2 73.83% 100.0% 13. Un fuelóleo de calefacción tiene de composición aproximada en peso 85,7 % carbono, 13,4 % hidrógeno, 0,9 % azufre. Determinar la relación estequiométrica aire / combustible (en peso: kg de aire por kg de combustible), y la composición molar sobre base exenta de agua (base seca) de los gases de salida, si el fuel se quema con un 20 % de exceso de aire.

CONVERSIÓN DE kg a Kmol

85.7%𝐶 = 85.7𝑘𝑔 = 7.14𝐾𝑚𝑜𝑙 13.4%𝐻 = 13.4𝑘𝑔 = 13.4𝐾𝑚𝑜𝑙 0.9%𝑆 = 0.9𝑘𝑔 = 0.028𝐾𝑚𝑜𝑙 FUELOLEO Base Cálculo: 100 kg

𝐴𝐼𝑅𝐸 20% 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 21% 𝑂2 79% 𝑁2

Balanceamos estequiométricamente: 1𝐶 + 7.14 2𝐻2

+

6.7

1𝑆 0.028

1𝑂2 → 1𝐶𝑂2 7.14 7.14 1𝑂2 → 3.35

+

1𝐻2 𝑂 3.35

1𝑂2 → 1𝑆𝑂2 0.028

0.028

Hallamos el oxígeno que necesitamos para hacer reaccionar el combustible, sumando los Kmol necesarios en cada reacción: 𝑂2 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 7.14 + 3.35 + 0.028 = 10.52 𝐾𝑚𝑜𝑙 Pero como nuestra reacción tiene aire en exceso de 20%, tenemos que: 𝑂2 𝑅𝑒𝑎𝑙 = 10.52(1.20) = 12.62 𝐾𝑚𝑜𝑙 Para hallar nuestro oxígeno que sale, se obtiene de la diferencia del oxígeno teórico (ingresa) con el oxígeno requerido: 𝑂2 = 12.62 − 10.52 = 2.10 𝐾𝑚𝑜𝑙 Así mismo para calcular el nitrógeno que ingresa en el aire a la reacción, tenemos que: 𝑁2 =

0.79 × 12.62 = 47.48 𝐾𝑚𝑜𝑙 0.21

𝐻2 𝑂 = 6.7 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 = 7.14 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2 = 0.028 𝐾𝑚𝑜𝑙 Sumamos los totales para hallar la composición total de moles en los gases combustibles, pero como nos indica en BASE SECA, no tomamos en cuenta el total de agua en la suma. 𝐶𝑂2 = 7.14 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2 = 0.028 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑂2 = 2.10 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑁2 = 47.48 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 𝑮𝒂𝒔. 𝑪𝒐𝒎𝒃. = 𝟓𝟔. 𝟕𝟓 𝑲𝒎𝒐𝒍 Ahora hallamos la composición de cada uno de los gases combustibles: 𝟕. 𝟏𝟒 𝑪𝑶𝟐 = × 𝟏𝟎𝟎 = 𝟏𝟐. 𝟓𝟖% 𝟓𝟔. 𝟕𝟓 𝑺𝑶𝟐 =

𝟎. 𝟎𝟐𝟖 × 𝟏𝟎𝟎 = 𝟎. 𝟎𝟒𝟗% 𝟓𝟔. 𝟕𝟓

𝑶𝟐 =

𝟐. 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎𝟎 = 𝟑. 𝟕𝟎% 𝟓𝟔. 𝟕𝟓

𝑵𝟐 =

𝟒𝟕. 𝟒𝟖 × 𝟏𝟎𝟎 = 𝟖𝟑. 𝟔𝟕% 𝟓𝟔. 𝟕𝟓

14. La composición de propano industrial es: 1% de CH4, 75% de C3H8, 22% de C4H10, 2% de CO2.Si se quema completamente con un exceso del 25% de aire (15% N2, 85% O2), calcular: a) Cantidad de aire utilizada b) Composición de los gases de combustión en base húmeda y base seca. c) La composición de los gases de salida d) Base de Cálculo: 100 mol de propano industrial 1% 75% 22% 2%

% 𝐶𝑂2 % 𝐻2 𝑂 % 𝑂2 % 𝑁2

𝐶𝐻4 𝐶3 𝐻8 𝐶4 𝐻10 𝐶𝑂2 Aire 25% exceso 𝑂2 85% 𝑁2 15%

𝐶𝐻4 1mol 𝐶3 𝐻8 75mol

+

+

+

𝐶4 𝐻10 22mol 𝐶𝑂2 2mol

2𝑂2 2

+

5𝑂2 75x5=375 13 2

𝑂2



𝐶𝑂2 1



3𝐶𝑂2 75x3=225



22x6.5=143 𝑂2  2

4𝐶𝑂2 22x4=88 2𝐶𝑂2 2x2=4

Ingresos: 𝑂2 ; teórico: 2 + 375 + 143 + 2 = 522 mol 𝑂2 ; real: 522 mol x (1+ 0.25) = 652.5 mol 0.15 𝑚𝑜𝑙 𝑁2

𝑁2 ; real: 652.5 mol x 0.85 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 = 115.15 mol𝑁2 Aire ingresa = 652.5 + 115.15 = 740.65 SALIDA: 𝐶𝑂2 = 1 + 225 + 88 + 4 = 318 mol 𝐻2 𝑂 = 2 + 300 + 110 = 412 mol

+

2 𝐻2 𝑂 2

+

4 𝐻2 𝑂 75x4=300 +

5𝐻2 𝑂 22x5=110

𝑂2 = 𝑂2 ingresa - 𝑂2 𝑟𝑥𝑚 = 652.5 – 522 = 130.5 mol 𝑁2 = 115.15 mol 𝑔𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

% 𝐶𝑂2 = % 𝐻2 𝑂 = % 𝑂2 = % 𝑁2 =

= 318+ 412 + 130.5 + 115.15 = 975.65

318 975.65 412 975.65 130.5 975.65 115.15 975.65

x 100 = 32.6 % x 100 = 42.2% x 100 = 13.4 %

x 100 = 11.8 %

15. Se quema 100 kilos de carbono que contiene 98% de carbono y 2% de inertes (%masa/masa) con 10% de aire en exceso, determine la composición de los gases de combustión en porcentaje molar Gas de combustión CO2 O2 N2

Carbono 98% C (m/m) 2% inertes (m/m)

Aire 10% exceso

B.C= 100 Kg Carbón C: 98 kg*1Kmol/12 Kg=8.1667 Kmol C + O2  CO2 8.1667 8.1667 8.1667 O2, teórico=8.1667 Kmol O2, real=8.1667*(1+0.1)= 8.9833 Kmol N2, real=8.9833 Kmol*0.79/0.21=33.7944 Kmol N2 Gases de combustión CO2=8.1667 Kmol O2=8.9833-8.1667=0.8166 Kmol (Oxigeno que sale del horno, no reacciona) N2=33.7944 Kmol %CO2=19.091 %O2=1.9089 %N2=79.00

16. El gas que alimenta un quemador contiene metano, CH4 y propano C3H8. Esta mezcla se quema completamente con aire, el cual se suministra en exceso. El análisis del gas de salida es el siguiente: CO2 10,57%; O2 3,79%; N2 85,64%. a. Escriba las ecuaciones de combustión completa de los gases que alimentan el quemador b. Determine la composición molar del gas combustible. Considere la siguiente información

n2 Aire

n1=100 mol Metano

n3

Propano

CO2: 10,57% N2:

85,64%

O 2:

3,79%

Agua n4=269,4mol

1 CH4 1 X 1 C3H8 100-X

+ +

1 O2 2 X 5 O2 5*(100-X)

CO2: H2O:

→

1 CO2

+

2 H2O 2 X + 4 H2O 4*(100-X)

X →

3 CO2 3*(100-X)

0.1057n3=X+3*(100-X) 2*X+4*(100-X)=269.4 X= 65.3

O2, teórico=

2*X+5*(100 - X) = 304.1

CO2= 0.1057n3=X+3*(100-X) n3= 1603 O2, entra=O2, teórico+O2, sale O2, sale= 0.0379*n3 O2, sale= 60.7

=

169

=

304

O2, entra= 365 N2, entra= 1372 Combustible: CH4= 65.3 C3H8= 34.7

mol 65.3% mol 35%

17. La reacción del propileno con amoníaco produce acrilonitrilo: C3H6+NH3+1.5O2C3H3N+3H2O

La alimentación contiene 10% de propileno, 12% de amoníaco y 78% de aire. Se logra una fracción de conversión de 30% de reactivo limitante(propileno). Tomando 100 moles de alimentación como base de cálculo Determine la cantidad molar de todos los constituyentes gaseosos producidos con una conversión de 30% del propileno.

C3H6=10% NH3=12% AIRE=8%

GAS DE COMBUSTIÓN C3H6 NH3 O2

N2 C3H3N

C3H6 + NH3 +1.5O2  C3H3N Inicio: 100*0.1=10 12 8*0.21=1.68 Rxn: -10*0.3=3 -3 -1.5 3 7 9 0.18 3 Aire: 8 mol O2=1.68 mol ; N2=0.79*8=6.32

+ 3H2O 3 3

A la salida: gases de combustión: C3H6 : 7 7/28.5*100=24.6% NH3 : 99/28.5*100=31.58% O2 : 0.180.18/28.5*100=0.63% C3H3N : 33/28.5*100=10.53% H2O: 33/28.5*100=10.53% N2 : 6.326.32/28.5*100=22.18% ∑ni=7+9+0.18+3+3+6.32=28.5 mol 18. A la cámara de combustión de una caldera se alimenta una mezcla gaseosa formada por propano y oxígeno, con un 80% del primero, que se quema con un 200% de exceso de aire. Sabiendo que un 80% del propano se transforma en CO2, un 10% en CO y el resto permanece sin quemarse, se desea calcular la composición del gas de combustión.

C3H8+ 5O2 80 80*5=400

3CO2+4H2O

C3H8+3.5O2CO+4H2O O2, TEORICO=400 Kmol O2, TEORICO=400-20=380 Kmol O2, INGRESA= 380*(1+2)=1140 Kmol N2,INGRESA=1140*79/21=4289 Kmol O2,reacciona= Reacción 1: 80*5*0.8=320 Kmol Reacción 2: 80*3.5*0.1=28 Kmol O2,sale=1140+20-(320+28)=812 Kmol H2Osale=80*4*0.8+80*0.1*4=288 Kmol C3H8,sale=80*0.1=8 Kmol N2,sale=4289 Kmol CO2,sale=80*038*3=192 Kmol COsale=80*0.1*3=21 Kmol Gas Componente Combustible Aire combustión % C3H8 80 8 0.14% O2 20 1140 812 14.47% N2 4289 4289 76.41% CO2 192 3.42% CO 24 0.43% H2O 288 5.13% 100 5613 100.00%

19. La fluorita, CaF2, es una fuente flúor que se requiere para la obtención de ácido fluorhídrico (HF) siguiente la siguiente reacción con H2SO4: CaF2+ H2SO4  2 HF + CaSO4 Un método de obtención de HF es tratando mineral de fluorita de 80%de CaF2 tratando con ácido sulfúrico con un 30 % en exceso, en moles, respecto al teórico requerido. La mayor parte del fluorhídrico abandona las cámaras de reacción como gas, quedando un residuo sólido que contiene el 10% de todo el HF. Si las cámaras de reacción reciben 100kg de mineral de fluorita al 80% cada hora. Considerando que los porcentajes son en masa analice lo siguiente:  Determine el número de moles de reactantes y producto en la reacción.  Determine la cantidad en mol/h de H2SO4 que se requiere para la reacción de la fluorita.  Determinar la cantidad de HF en mol/h producida. Masas molares: CaF2(68g/mol) H2SO4 (98g/mol) CaF2 + 100*0.8=80Kg/h 80/68=1.1765 Kmol/h

H2SO4 

2 HF

1.1765 Kmol/h

+

CaSO4

2*1.1765 Kmol=2.3530 Kmol/h

1.1765 Kmol/h

H2SO4,ingresa=1.1765 Kmol*1.3=1.5294 Kmol/h H2SO4,Sale= 0.35295 Kmol/h Ingresa, Kg/h CaF2 H2SO4

Ingresa, Kmol/h 80

Reaccionan, Salen, Kmol/h Kmol/h

En torta de residuo Gas

1.176470588

1.17647059

0

1.529411765

1.17647059 0.35294118 0.35294118

HF

2.35294118 2.35294118 0.23529412 2.11764706

CaSO4

1.17647059 1.17647059 1.17647059

20. Una pirita de hierro tiene la siguiente composición en masa: Fe 40%; S 43.6%; 16.4% material inerte. Esta Pirita se quema con un 100% de exceso de aire sobre la cantidad requerida para quemar todo el hierro a Fe2O3 y todo el azufre a SO2. Supóngase que no se forma de SO3 en el horno. Los gases formados pasan al convertidor, donde se oxida el 95% de SO2 a SO3. Determine la composición de los gases que entraron y que abandonaron el convertidor.

Base de cálculo: 100 g de Pirita En (1): Fe= 40g*(1 mol)/(56g)=0.7143 mol S=43.6g*(1 mol)/(32g)=1.3625 mol Horno: O2,rx1=1.3625 mol S=1.3625 mol O2 O2,rx2=0.7143 *(3 mol)/(4 mol)=1.3625 mol O2 O2,requerido=1.8982 mol O2 O2,ingresa=1.8982*(1+1)=3.796 mol N2,ingresa=3.796 mol *79/21=14.281 mol Fe2O3=0.7143 mol Fe*(2 mol Fe2O3)/(4 mol Fe)=0.3571 mol Salida del horno SO2=1.3625 mol (Salida del horno) O2, sale=3.796-1.8982=1.8982 mol Convertidor SO2,rxn3=1.3625*0.95=1.2943 mol O2,rxn3=1.2943*1/2=0.647 mol

SO3,rxn3=1.2943 mol (salida) SO2,sale=1.3625-1.2943=0.068 mol O2,sale =1.8982-0.647=1.251 mol N2,sale=14.2818 mol %SO3=7.661% %SO2=0.463% %O2 =7.406% %N2 =84.531% 21. Se alimenta 10m3/h de HCl gaseosos a 200°C y 1 atm a un horno de oxidación donde se hacen reaccionar con aire con un 20% de exceso del requerido por la reacción: 2HCl

+1/2O2



Cl2 +H2O

Si la reacción es completa y los productos abandonan al horno a 300°C y 1 atm. Determinar el caudal volumétrico y la composición de los gases producto.

2HCl 257.8249

+

𝑃∗𝑉 =𝑛∗𝑅∗𝑇 1 ∗ 10 ∗ 1000 𝑚𝑜𝑙 𝑛(𝐻𝐶𝑙) = = 257.8249 0.082 ∗ 473 ℎ 1/2O2  Cl2 + 257.8249/4=64.4562 128.9125

O2,entra= 64.4562*(1+0.2)=77.3475 mol/h N2,entra=77.3475*79/21=290.9740 mol/h O2,Sale=77.3475-64.4562= 12.8913 mol/h N2,Sale=290.9740 mol/h Cl2,Sale=128.9125 mol/h H2O Sale=128.9125 mol/h nT=12.8913+290.9740+128.9125+128.9125=561.6903 mol/h 561.6903 ∗ 0.082 ∗ 573 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 26391.58 1 ℎ O2,Sale=12.8913/561.6903*100=2.295% N2,Sale=290.9740/561.6903*100=51.803% Cl2,Sale=128.9125/561.6903*100=22.951% H2O Sale=128.9125/561.6903*100=22.951% 𝑉=

H2O 128.9125

Problemas propuestos: 1. A un cristalizador se alimentan 6.000 kg/h de una disolución acuosa con un 50% en peso de sal, obteniéndose una salmuera con un 18% de sal y un sólido cristalino con un 6% de humedad. Calcular los caudales másicos de los efluentes obtenidos. 2. Un gas procedente de una planta de tostación de piritas, cuya composición en volumen es: 8% SO2, 15% O2, 76% N2 y 1% H2O, se lava con agua en una columna de absorción. El gas abandona la columna a 298 K, saturado de agua y con un contenido en SO2 del 0,48%. Sabiendo que el gas de tostación se alimenta a 353 K y presión atmosférica y que el agua efluente contiene un 2,5% en peso de SO2, calcular: a) La composición del gas de tostación efluente en base seca y en base húmeda. b) El volumen de gas efluente por cada m3 de gas tratado. c) La cantidad de agua necesaria para tratar 1 m3 de gas de tostación. 3. Una corriente de aire húmedo, con 0,06 kg de agua/kg aire seco, se seca en una torre de relleno poniéndolo en contacto con una disolución de ácido sulfúrico del 72%. Este ácido se prepara recirculando parte del ácido sulfúrico que sale de la columna (concentración del 67%) y mezclándolo con ácido sulfúrico del 98%. Si la columna está diseñada para tratar 440 m3/h de aire húmedo medidos a presión atmosférica y 360 K con un rendimiento del 91%, calcular los caudales másicos de todas las corrientes implicadas.