S.E.P. S.E.S D.G.E.S.T.

INSTITUTO TECNOLOGICO DE AGUASCALIENTES

SUBDIRECCIÓN ACADEMICA

DEPTO. DE INGENIERIA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA

INGENIERÍA QUÍMICA

Balance de materia y energía

NOMBRE DE LA PROFESOR

I.Q. Medina Barrera Rubén

Unidad II“Balances de materia con reacción”

Tarea: problemas

NOMBRE DEL ALUMNO:

Andrade Roque Emmanuel Ulises

Entrega: Martes 17 de MAYO del 2011

%MCH4—80.0

N2—20.0

%MO2—21.0

N2—79.0

%MCO2—aH20—b O2—c N2—d

G

L

C

A

%MO2—6.0

N2—94.0

%MCO2—xH2O—y L—z

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2 O

80 208.87

160 48.8780 160

1.- Se quema cierto gas natural, cuyo análisis es 80% de CH4 y 20% de N2 y el CO2 se elimina por lavado de los productos resultantes para ser utilizado en la manufactura de hielo seco. El análisis de los gases de descarga del lavador es O2, 6% y N2, 94%.

Calcular:

(A) La relación del aire a gas.(B) El porcentaje del exceso de aire.

1⃗00%

C H 4+O2→CO2+H 2O

B. C. = 100moles de C

Sistema I

0) L*M.M+C*M.MC + A* M.MA =D* M.MD + P* M.MP

Reactivos

1) 80 - 80 = 02) 0.21A – 160 = 0.06D

Productos

3) 0 + 80= xP4) 0 + 160 = zP

HornoLavador

"α% Ex"

Inertes

5) 20 + 0.79A = 0.94 D

Adicionales

6) L= yP7) x + y + z = 18) α = .06 D9) 0.21 A = 160 + α

Sistema II

0΄) C* + A* = G*

Reactivo

10) 0.21A - 160 = cG

Productos

11) 0 + 80 = aG 12) 0 + 160 = bG

Inertes

13) 20 + 0.79 = dG

Adicional

14) a + b + c + d = 1

Solución:

3. xP = 80

4. zP = 160

7. *P 80 + 160 = 240 P= 240 + L

8. Sustituir α en ec. 9 y despejar A

A=0.06D+1600.21

=.2857D+761.9047

Sustituir A en ec. 5

20 + 0.79 (0.2857 D + 761.90) = 0.94 D

20 + .2257 D + 601.9047 = .94D D=621.9047.7143

=870.65 moles

Sustituir D en A=.2857 (870.65 )+761.9047=1010.64moles

8. α = 0.06 (870.65) α= 52.240

11. aG= 80

12. bG= 160

Sustituir A en ec. 10 0.21 (1010.64) – 160 =cG cG=52.2344

Sustituir A en ec. 13 20 + 0.79 (1010.64) = dG dG= 818.40

14. * G aG + bG + cG + dG = G G=1110.63 moles

10. c=52.23441110.63

=0.0470

11. a=80

1110.63=0.0720

12. b=160

1110.63=0.1440

13. d=818.401110.63

=0.7370

Comprobación

100 (.80*16 + .20* 28) + 1010.64 (0.21*32+.79*28) = 870.65 (32*.06+28*.94)+240 (44*.33+18*.66)

30986.85≈30923.156

100(.80*16+.20*28) +1010.64 (0.21*32+.79*28)=1110.63 (.0720*44+.144*18 + .0470*32+.7370*28)

30986.85≈30986.57

Respuestas

%MC2H6—X

CH4—Y

%MO2—50.0

N2—50.0

P

C

A

%MCO2—25.0 O2—60.0 N2—15.0

xA

7/2 xA Ex

2xA 3xA

yA

2yA Ex

yA 2yA

a) Relación aire gas=1010.64moles

100=10.1064

b) %ex. De aire ( 52.240160 )100=32.652.- Un combustible formado por etano (C2H6) y metano (CH4) en proporciones desconocidas, se quema en un horno utilizando aire enriquecido con oxígeno (50.0 moles por ciento de O2. El análisis Orsat es: CO2, 25%; N2, 60%; y O2, 15%. Determínese:

(a) La composición del combustible, esto es, el porcentaje molar de metano en la mezcla metano-etano.

(b) Las moles de aire enriquecido con oxígeno que se consumen por mol de combustible.

1⃗00%

C2H 6+O2→CO2+H 2O

CH 4+O2→CO2+H 2O

C2H6 + 7/2 O2 CO2 + 3H2O

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Horno

C2H6 1 xA−xA=0CH4 2 yA− yA=0

O2 3 0.5 B−72xA−2 yA=15

N2 4 0.5 B=60CO2 5 2 xA+ yA=25 6 x+ y=1

B= 600.5

B=120

0.5 (120 )−72xA−2 yA=15

yA=−45+ 7

2xA

−2yA=22.5−1.75 xAyA=22.5−1.75 (10 )

yA=5

y= 515

y=.33 2 xA−1.75 xA+22.5=25

xA=2.5.25

xA=10

x=1015

x=0.67xA+ yA=A A=10+5A=15

BA

=12015

BA

=8mol

Comprobación 15[0.67 (30)+0.33(16)]+120[0.5 (32)+0.5 (28)]=100[0.25(44)+0.6 (28)+0.15(32)]+40 (18)

3980.7=3980

H2O 7 3xA+2yA=W W=40

%PCH3OH—100

%PO2—100

P

C

A

%P H2CO—X—585.238 H2O—Y—357.142CH3OH—Z—33.416 O2—W— 100.25

CH3 OH + ½O2 H2 CO + H2 O

32 16 30 18

668.336

634.920 33.416

417.71

334.168

317.459 16.708

83.542

595.238 357.142

3.- Una planta industrial lleva a cabo la reacción entre el metanol y el oxígeno para formar formaldehido y agua, y produce cinco millones de kilogramos de formaldehido por año, operando 350 días al año, 24 horas al día. El oxígeno alimentado al reactor se halla en un 25% de exceso respecto de la cantidad requerida teóricamente para la reacción con la alimentación de metanol, y la conversión global de metanol es de 95%.

Calcular la alimentación requerida de oxigeno en Kg/h.

9⃗5%

C H 3OH+ O 2⏞25% Ex

→H 2CO+H 2O

|5000000 KgAño|| 1 Año350días||1día24hr|=595.238 Kghr

CH3OH)nec 595.23 kg[(64 kg)/(57 kg)]=668.32

Reactor

"25% Ex"

CH3OH)si 668.32(0.95)= 634.904

CH3OH)no 668.32(0.05) = 33.416

O2)nec 592.23kg[(32 kg)/(57 kg)]=334.16

O2)ex 334.16(0.25) = 83.54

O2)si 334.16(0.95) = 317.7

O2)nec 334.16(0.05) = 16.70

H2CO) 595.23

H2O) 357.13

Respuesta:

A = 417.71 Kg/hr

Comprobación

C+A=P

668.336+427.71=585.238+357.142+33.416+100.25

1086.046=1086.046

4.- El yodo puede obtenerse comercialmente a partir de algas marinas tratándolas con MnO2 y 20% de exceso de H2SO4 de acuerdo con la reacción

0

%CH4—a Cl2—b

%

CH2Cl2—100

%CH3Cl—eCH2Cl2—fHCl—gCH4—h

T

L

AF

D

%H2O—100

%HCl—mH2O—n

%CH3Cl —kCH2Cl2—l

%CH3Cl—100

AR

P

S

W

G

%HCl—iCH4—j

R %CH4—100

%CH4—cCl2—d

2NaI + MnO2 + H2SO4 Na2SO4 + MnSO4 +2H2O + I2

Todo el H2O, Na2SO4, MnSO4, y el I2, así como los materiales inertes, se recogen en el separador. Las algas contienen 5% de NaI, 30% de H2O y el resto puede considerarse materiales inertes. El producto contiene 54% de I2 y 46% de H2O. Suponiendo que la reacción se consuma en un 80%, calcúlese lo siguiente:

(a) Las libras de I2 producidas por tonelada de algas marinas.(b) La composición en porcentaje de los productos de desperdicio.(c) La composición en porcentaje del material recirculado.

Estequiometria:

Reactor

Lavador

Condensador

Torre de destilación

2NaI + MnO2 + 2 H2SO4 Na2SO4 + MnSO4 + 2H2O + I2

300 Kg 87 Kg 196 kg 142 kg 151 kg 36 kg 154 kg

NaI)TOT 0.05(1000+Jr) MnO2)TOT 0.05∝[ 87 kg300kg ]=0.0145∝ 1000+jR=α MnO2)si 0.0145(0.80)=0.0116α

NaI)si 0.05(0.80)=0.04α MnO2)no 0.0145(0.20)=0.0029α

NaI)no 0.05(0.20)=0.01α

H2SO4)nec 0.05∝[ 196kg300kg ]=0.0326∝H2SO4)ex 0.0326(0.20)=6.53x10-3α

H2SO4)TOT 0.0326∝+¿6.53x10-3α=0.0391α

H2SO4)SI 0.0326α(0.80)= 0.0260α

H2SO4)no 0.0326α(0.20)= 6.52x10-3α

Na2SO4) 0.04∝[ 142kg300kg ]=0.0189∝MnSO4) 0.04∝[ 151kg300kg ]=0.0201∝

H2O) 0.04∝[ 36kg300kg ]=4.8 x10−3∝

Sistema I

0) Af + Mf + Bf = P + D

H2SO4) Af- 0.0260α = 0

MnO2) Mf – 0.0116α= 0 Despejar α de NaI): α = 1250

NaI) 50 – 0.04α = 0 Sustituir α y obtener: Af = 32.5

H2O) 800 = 0.46P + XD Mf= 14.5

Iner) 150= wD P= 78.24

I2) 0.0338α= 0.54P D= 962.75

MnSO4) 0.0201α = yd

Na2SO4) 0.0189α = zD

9.- x+ y + z + w = 1

Comprobación: 1047= 1040.99

Sistema II

0) Af + Mf + Bf + R = T

H2SO4) 0.0391α- 0.0260α= fT Sustituir α y determinar:

MnO2) 0.0145α – 0.0116α = gT aT= 42.25 mT = 150

NaI) (50 + 0.05 jR) – 0.04α = 0.05 eT bT= 800 T= 1113.50

H2O) 800 + 0.80jR = bT + 0.80 eT cT= 25.125

Iner) 150 + 0.15 jR = 0.15 eT + mT dT= 23.625

I2) 0.0338α= aT eT= 250

MnSO4) 0.0201α = cT fT= 16.375

Na2SO4) 0.0189α = dT gT= 3.626

9.- a + b + c + d + e + f + g + m = 1

0.0391α= Af + hR

0.0145α= Mf + iR

50 + 0.05jR= 0.05α

Obtener:

hR= 16.375 R= 270

iR = 3.625

jR = 250

Comprobación:

0) Af + Mf + Bf + R = T

1317 = 1311

Respuestas:

a¿0.54 P=42.249kg [ 1 lb0.454kg ]=93.05 lb

Se producen 93.05 lb de I2 por cada tonelada de algas marinas.

b) x= 79.35% c) h= 6.06%

y= 2.6% i= 1.342%

z= 2.4% j= 92.59%

w= 15.58%

5.- El CH4 reacciona con Cl2 a fin de producir cloruro de metilo y acido clorhídrico.

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

Af Ar

T

L

D

P

G

S

W

R

CH4—a

Cl2 --b

CH3Cl—eCH2Cl2--fCl2 -- gCH4—h

CH4—100 H2O—100

H2O—100

Una vez formado el cloruro de metilo puede sufrir nuevas cloraciones y formar cloruro de metilo, cloroformo, y tetracloruro de carbono CCl4.

En un proceso de producción de metilo, se alimenta Cl2 y CH4 a un reactor en una relación molar de 1 a 5. El rendimiento del Cl2 es del 100% en un solo paso. La relación molar del CH3Cl a CH2Cl2 en el producto es de 4 a 1, produciendo cantidades despreciables de CHCl3 y CCl4. Los gases producidos se enfrían y condensando el CH3Cl y el CH2Cl2, los cuales luego se separan en una torre de destilación. El gas que abandona el condensador va a un lavador donde se adsorbe el HCl en aguas, la cual es alimentada en una relación molar de 3:1 de gas. El gas que abandona el lavador, que es CH4 puro se recircula al reactor.

Para una producción de 2000kg de CH3Cl/h. Calcular los gastos molares y composición de todas las líneas.

Reactor Condensador

Lavador

Torre de Destilado