ejercicios resueltos para ing. QuimicaDescripción completa
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PROBLEMAS 1. La reducción de mineral Hematita con coque en un alto horno para la producciónde arrabloconstituye la primera etapa de la producción de acero, la reacción es:
Fe2O3 s C s FeS CO g
H r 313, 8
BTU lb mol
Aun cuando muchas otras reacciones entre los reactivos y productos en el mineral producen otros procesos, estimar las necesidades de calor para el alto horno por tonelada de hierro producido, considerando los datos que siguen: a) Se alimenta cantidades estequiométricosde mineral y de carbono a 77ºF, la reacción es completa y el hierro emerge como líquido a 2800 ºF y el monóxido de carbono sale a 570 ºF b) La capacidad calorífica del hierro en el rango de interés puede tomarse como : BTU Cp Fe 5 90 1 50 10 3 T lb mol º F El hierro funde a 2700 ºF y tiene un calor de fusión de 6496
BTU lb mol
La capacidad calorífica del hierro fundido es:
Cp Fe fundido 8 15
BTU lb mol º F
SOLUCIÓN:
ˆ HTotal H reacción H productos Hreac tan tes Tomamos como base 1 tonelada de Fe Haciendo un balance en la reacción
Fe2O3s 3Cs 2FeS 3CO g Para un cambio finito de estado T1 a T2 , el cambio H del COes : T2
HCO Cp T1
CO
dt
La capacidad calorífica del CO en el intervalo de temperatura de 77º F a 570 ºF es:
CpCO 6 865 0 8024 10 3 T 0 7367 10 7 T 2
HCO
570º F
77 º F
BTU lb mol º F
3 6 865 0 8024 103 T 0 7367 107 T 2 dT
0 8024 103 0 7367 10 7 HCO 3 6 865 570 77 570 2 77 2 570 3 77 3 2 3 H CO 10523 638
BTU lb mol
La capacidad calorífica del Fe en el intervalo de temperatura de 77º F a 2700 ºF es: T2
H Fe Cp T1
Fe
dT H f nCp fundido T
Cp Fe 5 90 1 50 10 3 T
HFe
2700º F
77 º F
H Fe
BTU lb mol º F
2 5 90 1 50 103 T dT 2 6496 2 8 15 2800 2700
1 50 103 2 5 90 2700 77 2700 2 77 2 2 6496 2 8 15 2800 2700 2
H Fe 56499 506
BTU lb mol
Donde H reac tan tes 0 por que ingresan a 77ºF ó 25ºC Remplazando en la ecuación
ˆ HTotal H reacción H productos Hreac tan tes
HTotal 313 8 10523 638 56499 506 0 HTotal 67336 944
BTU lb mol Fe2O3
Si 1 l b-mol de Fe2O3 produce 2 lb-mol de Fe:
HTotal 67336 944
1 lb mol Fe2O3 1 lb mol Fe 2205 lb BTU lb mol Fe2O3 2 lb mol Fe 55 84 lb Fe 1 Ton
HTotal 1 329494 10 6
BTU Ton Fe
2. La mayor parte del Cloro que se produce en moles se obtiene a través de la electrolisis de la salmuera.
1 NaCl aq H 2O l H 2 2
g
1 Cl2 2
g NaOH aq
Se desea determinar: a) Los calores normales de formación del NaCl y del NaOH acuoso y luego el calor normal de reacción de electrolisis de la salmuera, como dato se tiene que el calor normal de solución del NaCl
H NaCl 4 87
kJ mol
b) Calcular la energía en KW. h requerida para producir 1000 kg NaCl. SOLUCIÓN a) Los calores normales (25ºC) de formación son : kJ NaCl aq : 411 00 mol
NaOH aq : 426 726 H 2O l : 285 84
kJ mol
kJ mol
H2
g
: 0 000
kJ mol
Cl2
g
: 0 000
kJ mol
ˆ HTotal H reacción H productos Hreac tan tes kJ ˆ HTotal H 411 00 285 84 reacción 0 00 0 00 426 726 productos mol kJ kJ HTotal 4 87 0 00 0 00 426 726 productos 411 00 285 84 mol mol kJ HTotal 274 984 mol NaCl
kJ mol kJ reac tan tes mol
reac tan tes
b) la energía en KW. h requerida para producir 1000 kg NaCl es:
1 kmol 1000 mol NaCl 1000 J kJ 274 984 58 45 kg NaCl mol NaCl 1 k mol 1 kJ 1 BTU 1Wh 1K W h 1055 04 J 3 413 BTU 1000 W h
1000 kg NaCl
Respuesta : La energía en KW. h requerida es 1306 5249 KW h
3. El formaldehido puede producirse mediante la reacción entre el metanol y oxigeno:
2 CH 3OH l O2 g 2 HCHO g 2 H 2O l
: H r 326 2
kJ mol
El calor de combustión del hidrogeno es:
1 H 2 g O2 2
g
: H r 285 8
H 2O l
kJ mol
Utilizar estos calores de reacción y la ley de Hess para determinar el calor normal de la descomposición directa de metanol para formar formaldehido:
CH3OHl HCHO g H2 g SOLUCIÓN Dividiendo entre 2 la primera ecuación:
2 CH OH O 2 HCHO 2 H O /2 3
l
2 g
2
g
1 CH 3OH l O2 g HCHO g H 2O l 2
l
: H r 163 1
kJ mol
(1)
Invirtiendo la segunda ecuación:
1 H 2O l H 2 g O2 2
g
: Hr 285 8
kJ mol
(2)
Sumando: (1) y (2)
CH 3OH l
H 2O l
1 O 2 2 g
HCHO g
H2 g
HCHO g
CH 3OH l
H 2O l 1 O 2 2
g
H 2 g
kJ mol kJ 285 8 mol kJ 122 7 mol
163 1
El calor normal de la descomposición directa de metanol para formar formaldehido:
H descomposición 122 7
kJ mol
4. La descomposicióntérmica del dimetil éter es:
CH3 2 O g CH4 g H2 g CO g Se lleva a cabo en un reactor isotérmico de 2 litros a 600 ºC, la presión en el reactor es de 310 mmHg. Luego de 2 horas la presión es de 930 mmHg. Calcular el calor intercambiado entre el reactor y sus alrededores durante el periodo del proceso. SOLUCIÓN Asumimos como un gas ideal, en condiciones normales:
2 litros
273 15 K 310 mmHg 1 mol 0 011393 mol CH3 2 O 600 273 15 K 760 mmHg 22 4 litros
En la reacción x esla fracciónquese descompone CH3 2 O donde x 1
0 011393 1 x mol CH 3 2 O 0 011393 x molCH 4 600 º C 930 mmHg 0 011393 x mol H 2 0 011393 x molCO
0 011393 mol
CH 3 2 O
600º C 310 mmHg
En el periodo de 2 horas los moles totales en el reactor es = 0 011393 1 x 3x =
Total moles 0 011393 1 2x moles Usando la ecuación general para gases ideales
Pf V P0V x
n f RT n0 RT
nf n0
Pf P0
0 011393 1 2 x 930 0 011393 310
1 930 1 2 310
x 1 serealizouna conversionde CH3 2 O al 100% Encontrando los calores de reacción en condiciones normales de los productos y los reactantes:
H ºf
CH3 2 O
H1 H ºf
= -180,16 kJ/mol T2
CH3 2 O
Cp dT T1
H 1 H ºf H1 H ºf
CH 3 2 O
600 273 15
25 273 15
26 86 0 1659 T 4 179 10 5 T 2 dT
0 1659 4 179 105 2 2 26 86 873 15 298 15 873 15 298 15 873 153 298 153 CH3 2 O 2 3
H 1 180 16
CH 3 2 O
kJ J kJ 62407 367 mol mol 1000 J
: H 1 117 753
kJ mol
De la tabla B-2 del libro de Felder
H2 H ºf H2 H ºf CH4
600 ºC
25 ºC
H 2 H ºf
CH 4
T2
CH4
Cp dT T1
34 31 103 5 469 105 T 0 3661 108 T 2 11 00 1012 T 3 dT
5 469 105 0 3661 108 11 00 10 12 34 31 103 600 25 6002 252 600 3 253 600 4 254 2 3 4
kJ kJ 29 463 mol mol kJ H 2 45 387 mol
H 2 74 85 CH 4 :
De la tabla B.8 del libro Principios Elementales de los Procesos Químicos de Felder, obtenemos los datos para el H 2 a 600°C:
H2 :
H3
H2
16 81
kJ mol
Para el CO el calor de reacción está dadaen la Tabla B.1 y el calor a 600 en la tabla B.8
H 4 H ºf CO :
CO
HCO 600 110 52 17 57
H 4 92 95
kJ mol
kJ mol
Luego: el calor dereacciónestádado por la siguiente ecuación:
H nHproductos nHreac tan tes H 0 011393 45 387 0 011393 16 81 0 011393 92 95 0 011393 117 753
H 1, 3845 1, 3416
H 0,0429 kJ
Asumiendo que es para un reactor de volumen variable, calculamos el cambio fraccional CH 4 , donde VCH 4 es el valor estequiometria o volumen en la reacción.
CH
n CH 4
salidad
4
nCH4
VCH4
entrada
1 0 011393 0 1
CH 0 011393 mol 4
El calor de reacción o entalpia específicaen función a la conversión de CH4 es:
ˆ H (600º C ) H CH4 r Hˆ r Hˆ r
H
CH
4
0, 0429 kJ 0 011393 mol
Hˆ r 3 7655
kJ mol
La entalpia específica se puede definir:
Hˆ Uˆ PV Despejando
Uˆ Hˆ PV Dónde: PV asumimos para gases ideales Una propiedad que se presenta en la ecuación de balance de energía para sistemas abiertos, que se define como:
Hˆ Uˆ PVˆ Donde P es la presión total y Uˆ y Vˆ son la energía interna y el volumen especifico.
Uˆ Hˆ RT Vproductos gaseosos Vractivos gaseosos
1 kJ kJ J Uˆ 3 7655 8, 314 600 273,15 K 1 1 1 1 mol mol 1000 J
kJ Uˆ 18,284 mol Entonces la transferencia de calor en elreactor es:
Q Uˆ r 600 C kJ Q 0 011393 mol 18,284 mol Q 0.2083KJ / mol
5. Se ha producido hidrogeno comercial entre: CO(g) H 2 O CO2(g) H 2( g )
Se diseña una planta que utiliza este proceso a fin de producir 100kg de hidrogeno de día. El vapor y el CO entran al reactor a 150 °C y los productos de energía a 500°C. Se alimenta un 50 % de vapor El reactor está rodeado por una chaqueta llena de agua, la cual se alimenta a 15°C y 1 atm. Calcular el flujo requerido para el agua de enfriamiento si el aumento de temperatura del agua debe mantenerse por debajo de 10°C. SOLUCION
CO(g) H 2 O CO2(g) H 2( g )
H f H f
CO2 ( g )
H f
CO ( g )
H f
41.15 H 2 O(v)
KJ mol
3 3 Base: 2.5m ( STP) produce gas/h 1000 mol/22.4 m ( STP) 111.6mol / h
.
Balance C en el reactor: n1 (0.40)(111.6 mol / h) 44.64 mol CO/h .
Balance H en el reactor: 2n2 111.6 (2)(0.40) (2)(0.20) mol/ h 66.96mol H 2 O(v)/h
mol CO 1 mol H 2 O x 44.64 mol H 2 O h 1 mol CO (66.96 44.64)mol / h % del exceso de vapor: x100% 50% 44.64 mol/h Vapor requerido teóricamente: 44.64
.
Balance de CO2 en el condensador: n3 (0.40)(111.6 mol / h) 44.64 mol CO 2 /h .
Balance de H2 en el condensador: n4 (0.40)(111.6m ol/ h) 44.64mol H 2 /h Saturación del gas de salida del condensador: .
y H 2O
.
. p (15 C) n5 (mol H 2 O / h) 12.788 mmHg n5 1.53 mol H 2 O(v) / h . p 760 mmHg (44.64 44.64 n5 )(mol / h) * w
Balance de H2O en el condensador
.
(111.6)(0.20) mol H 2 O / h 1.53 n6 .
n6 20.8 mol H 2 O / h condensado =0.374 kg/h Bance de energía en el condensador: Referencia:H2(g), CO2(g) a 25°C, H2O como se observa en la tabla:
Entalpia del CO2 y H2 de la tabla de Felder:
CO 2 ( g ,500C ) : H1 H CO2 (500C ) 21.34 KJ / mol H 2 ( g ,500C ) : H 2 H H 2 (500C ) 13.83KJ / mol H 2 O(v,500) : H 3 3488
KJ kg
18Kg x 3 62.86 KJ / mol 10 mol
CO 2 ( g ,15C ) : H 4 H CO2 (15C ) 0.552 KJ / mol H 2 ( g ,15C ) : H 5 H H 2 (15C ) 0.432 KJ / mol 18Kg x 3 45.52kJ / mol 10 mol kJ 18Kg H 2 O(l,15C ) : H 7 62.9 x 3 1.13kJ / mol kg 10 mol H 2 O(v,15C ) : H 6 2529
kJ kg
Calor transferido del condensador: .
.
.
.
Q H ni H i ni H i (49.22 2971.8) out
in
kJ 1h 1kW x x 0.812kW h 3600s 1kJ / s
Balance de energía en el reactor: Referencia: H2(g), C(s), O2(g) a 25°C
110.52kJ / mol H O(v,150) : H H H (150C ) 237.56kJ / mol H O(v,500C ) : H H H (500C ) 224.82 kJ/ mol.
CO( g , 25C ) : H1 H f
CO
2
f
2
H 2O
H 2O ( v )
2
f
3
H 2O
H 2O ( v )
H 2 (g,500C ) : H 4 H H 2O (500C ) 13.83kJ / mol
CO 2 ( g ,500C ) : H 5 H f
H CO2 (500C ) 372.16kJ / mol CO2
Calor transferido en el reactor. .
.
Q H ni H i ni H i out
in
21013.83 (20839.96) kJ x h
1h 1kW x 0.0483kW . 3600s 1kJ / s
El Precalentamiento CO más calor transferido del reactor (posiblemente generar vapor adicional para la planta) de refrigeración CO 2 costo de menor enfriamiento en el condensador.
6. Se oxida amoniaco para formar NO en una primera etapa de la manufactura del ácido nítrico, se producen 2 reacciones principales:
4 NH 3 5O2 4 NO 6 H 2O 3 2 NH 3 O2 N 2 3H 2O 2 El siguiente es el diagrama de flujo del reactor:
SOLUCIÓN:
4 NH 3 5O2 4 NO 6 H 2O 3 2 NH 3 O2 N 2 3H 2O 2 Referencia: N 2 ( g ), H 2 ( g ), O2 (g) , a 25 °C
Hˆ i Hˆ 0fi
T
C
pi
dT
25
NH 3( g ,25C ) : Hˆ 1 (Hˆ f ) NH3 46.19 KJ / mol Aire( g ,150) Hˆ 2 3.67 kJ / mol 700 NO( g , 700C ) Hˆ 3 90.37 CpdT =111.97kJ/mol 25
H 2 O( g , 700C ) Hˆ 4 216.91kJ / mol N ( g , 700C ) Hˆ 20.59kJ / mol 2
5
O2 ( g , 700C ) Hˆ 6 21.86kJ / mol
Calor transferido desde el reactor .
.
Q H ni H i ni H i 4890kJ / min x (1min/ 60 s ) 81.5kW out
in
Si las especies moleculares fueron elegidas como referencia para los cálculos de entalpía, la extensión de cada reacción tendría que ser calculada. Para determinar H . El valor de Q permanecería sin cambios.
7. Se oxida NO en un reactor adiabático continuo 2 NO(g) O2 ( g ) 2 NO 2 ( g ) Se alimenta NO y O en proporciones estequiométricas a 700°C . Calcular la temperatura de salida que habría de lograrse si la reacción se realizaría hasta completarse .
Solución
Temperatura de referencia 700°C
Q Hsalida Hentrada Hreaccion T
700
700
700
Q 2molesNO2 CpNO2 dT 2molesNO
CpNO dT 1molO2
700
700
CpO2 dT H reaccion
0 2molesNO2
T
0 2molesNO2
T
0 2molesNO2
T
700
700
700
CpNO2 dT 2molesNO
700
700
CpNO dT 1molO2
700
700
CpO2 dT H reaccion
CpNO2 dT H reaccion
36.07 3.97 10
2
T 2.88 105 T 2 7.87 10 9 T 3 dT H reaccion T
0 2molesNO2 36.07 T 1.985 102 T 2 0.96 105 T 3 1.9675 109 T 4 H reaccion 700 0 2molesNO2 [36.07 T 25249 1.985 102 T 2 13.895 0.96 105 T 3 0.00672 1.9675 109 T 4 1.37 106 ] H reaccion 0 2molesNO2 36.07 T 1.985 102 T 2 0.96 105 T 3 1.9675 109 T 4 25262.8883 H reaccion 0 72.14 T 3.97 102 T 2 1.92 105 T 3 3.935 109 T 4 50525.7766 H reaccion
H reaccion n H formacion ( productos ) n H formacion (reac tan tes ) H reaccion 2mol H formacion ( NO2 ) 2 H formacion ( NO) H formacion (O2 ) H reaccion 2mol (33.85kJ / mol ) 2 (90.374) (0) H reaccion 113.048kJ / mol
0 72.14 T 3.97 102 T 2 1.92 105 T 3 3.935 109 T 4 50525.7766 J / mol 113.048kJ / mol 0 72.14 T 3.97 102 T 2 1.92 105 T 3 3.935 109 T 4 163570.777 J / mol
Método de newton-raphson T0 1000C y 72.14 T 3.97 102 T 2 1.92 105 T 3 3.935 109 T 4 163570.777 y ' 72.14 7.94 102 T 5.76 105 T 2 1.574 108 T 3
T2 T0
y y'
i 1 T2 1000
66995.7766 1610.82947 109.68
i2 T2 1610.82947
1889.71416 1594.59 116.37
i3 T2 1594.59
2.13 1594.57 116.1092
Respuesta: La temperatura de salida es 1594.57 aproximadamente.
8. El etileno se elabora generalmente mediante la deshidrogenacion del etano.
C2 H 6 (g) C2 H 4 ( g ) H 2 ( g )
H 20C =134.7 kJ/ mol
Se alimenta el etano a un reactor adiabático calcular la temperatura de salida que habrá de corresponder a fin de obtener una conversión completa utilizando los siguientes datos.
Cpetileno 40.5 0.011T Cp H 2 28.04 4.167 x103 T Cpe tan o 49.37 0.1392T
Solución Como no indica la temperatura a la que ingresa, tomamos como temperatura inicial 20°C la Temperatura del H reaccion
Q Hsalida Hentrada Hreaccion T
T
20
20
20
Q 1molesC2 H 4 cpC2 H 4 dT 1molH 2 cpH 2 1molC2 H 6 CpC2 H 6 dT H reaccion 20
T
T
0 1 (40,5 0, 011T )dT 1 (28, 04 4.167 x103 T )dT 139, 7 20
20 2 T
T
0 40,5T 0, 011T 28, 04T 4.167 x103 T 2 139, 7 20 20 0 (40,5T 810 0, 011T 2 4.4) (28, 04T 560.8 4.167 x103 T 2 1.6668) 139.7 0 (40,5T 0, 011T 2 814.4) (28, 04T 4.167 x103 T 2 562.4668) 139.7 0 68.54T 0.015167T 2 1376.8668 139.7 0 68.54T 0.015167T 2 1237.1668 Despejando T tenemos que la Temperatura es 17.94 °C
9. La deshidrogenación del propano se efectúa en un reactor contenedor. La reacción:
C3 H 8 C3 H 6 H 2 H reaccion 128.8kJ / mol
a) Calcular la conversión fraccionada que se logra cuando se alimenta en 1000°C 1000°C C3H8 100 moles/h
nb nbbn bn
REACTOR
H2 1000°C (100 moles/h) C3H6 1000°C (100 moles/h)
Qsuministrado 1.34kW 1.34kJ / s 4824kJ / h H reaccion 128.8kJ / mol 100mol / h 12880kJ / h Qnecesario 100molesH 2
1000
1000
CpH 2 dT 100molesC3 H6
1000
1000
CpC3 H6 dT 100molC3 H8
1000
1000
CpC3 H8 dT H reaccion
Qnecesario 12880 kJ / h f
Qsu min istrado 4824 kJ / h 0.3745 Qnecesario 12880kJ / h b) Calcular la conversión fraccionada que se logra cuando se alimenta en 1000°C 1300°C C3H8
H2 1000°C (100 moles/h)
REACTOR
100 moles/h
Qnecesario 100moles H 2 / h
1000
Qnecesario 100moles H 2 / h
1000
1300
C3H6 1000°C (100 moles/h)
CpH 2 dT 100moles C3 H 6 / h
1000
1300
CpC3H6 dT 100molC3H8
1300
1300
CpC3H8 dT H reaccion
28.84 0.00765 10 T 0.3288 10 T 0.8698 10 T dT / h 59.58 17.71 10 T 10.17 10 T 24.6 10 T dT 12880 kJ / h 2
5
9
2
3
1300
100moles C3 H 6
1000
2
5
2
9
3
1300
Qnecesario 100moles H 2 / h [28.84T 3.83 105 T 2 1.10 106 T 3 2.1745 1010 T 4 ]
1000 1300
100moles C3 H 6 / h [59.58T 8.86 102 T 2 3.39 105 T 3 6.15 10 9 T 4 ]
1000 1300
12880 kJ / h
Qnecesario 100moles H 2 / h (9586.6956 J / mol ) 100moles C3 H 6 / h ( 49810.215 J / mol ) 12880 kJ / h Qnecesario 5939691.06 J / h 12880 kJ / h Qnecesario 5939.6911 kJ / h 12880 kJ / h Qnecesario 6940.308945 f
Qsu min istrado 4824 kJ / h 0.6951 Qnecesario 6940.3kJ / h
10. Una solución acuosa de ácido sulfúrico que contiene 10.0 mol (GE=1.27) se titulara hasta la neutralizada a 25°C con una solución 3.00 molar de sosa caustica (hidróxido de sodio. (GE=1.13).
H 2 SO4 (aq ) 2 NaOH (aq ) Na2 SO4 (aq ) 2 H 2 O (l) Base:
0.10 mol H 2 SO4 x(98.08 g / mol ) 9.808 g H 2 SO4 1mol H 2 SO4 sol 0.90 mol H 2 O x (18.02 g/mol)= 16.22 g H 2 O 1 cm3 26.03 g sol x 20.49cm3 1.27 g 0.10 mol H 2 SO4 x
2 mol NaOH 1 Lt soda caustica 103 cm 3 x x 66.67 cm3 NaOH (aq) 1 mol H 2 SO4 3 moles NaOH 1L
Relación de Volumen =
66.67cm3 NaOH (aq) 3.25cm3 solucion caustica / cm3 solucion acida 3 20.49cm H 2 SO4 (aq)
H 2 SO4 (aq ) : r= 9 mol H 2 O / 1molH 2 SO4 kJ (Hˆ f ) H 2 SO4 (l) (Hˆ f ) H 2 SO4 (aq., r=9) 811.32 65.23) 877 kJ / molH 2 SO4 mol NaOH (aq ): La solucion Alimentada contiene (66.67cm3 )(1.13g / cm3 ) 75.34 g , y (0.2 mol NaOH)(40.00 g / mol) = 8 g NaOH (75.34-8) g H 2 O (67.39 g H 2 O)(1 mol / 18.02 g ) 3.74 mol H 2 O r = 3.74 mol H 2 O / 0.20 mol NaOH 18.7 mol NaOH (Hˆ f ) sol (Hˆ f ) NaOH ( s ) (Hˆ f ) NaOH (s)(aq .,r 18.7) (426.6 42.8)
kJ 469.4kJ / mol NaOH mol
Na2 SO4 (aq) : kJ (Hˆ f ) sol (Hˆ f ) Na2 SO4 ( s ) (Hˆ f ) Na2 SO4 (aq) (1384.5 11.7) 1385.7 kJ / mol Na2 SO4 mol
Extensión de la reacción
(n H2 SO4 ) final (n H2SO4 )a lim entados vH 2SO4 0 0.10 mol (1) =0.10 mol Balance de Energía
Q H Hˆ f (Hˆ f ) Na2 SO4 (aq) 2(Hˆ f ) H2O(l) (Hˆ f ) H 2 SO4 (aq) 2(Hˆ f ) NaOH (aq) kJ (0.10 mol) -1385.7+2(-285.84)-(-876.55)-(2)(-469.4) 14.2kJ mol