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UNIVERSIDAD METROPOLITANA Facultad de INGENIERIA Escuela de Ingeniería Química y de Producción Departamento de Energía y Automatización PRINCIPIOS DE PROCESOS INDUSTRIALES I TEMA N° 4: BALANCES DE MASA (Balances de Masa CON Reacción Química en Estado Estacionario) Problema N° 1: Para la siguiente reacción: 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O determine cuál es el reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje de exceso para cada uno de los siguientes planteamientos: a.- Se alimentan 3 moles de amoníaco y 5 moles de oxígeno. Respuesta: Reactivo limitante = NH3 Reactivo en exceso = O2 Exceso = 33.33 % b.- Se alimentan 4 moles de amoníaco y 4 moles de oxígeno. Respuesta: Reactivo limitante = O2 Reactivo en exceso = NH3 Exceso = 25 % c.- Se alimentan 2 moles de amoníaco y 5/2 moles de oxígeno. Respuesta: Reactivo limitante = ninguno Reactivo en exceso = ninguno Exceso = 0 % d.- Se alimentan 2 moles de amoníaco y 4 moles de oxígeno. Respuesta: Reactivo limitante = NH3 Reactivo en exceso = O2 Exceso = 60 % e.- Se alimentan 50 kg de amoníaco (PM = 17) y 100 kg de oxígeno (PM = 32). Respuesta: Reactivo limitante = O2 Reactivo en exceso = NH3 Exceso = 17.64 % Problema N° 2: Para la siguiente reacción: C2H2 + 2 H2 → C2H6 se alimentan 1.5 moles de hidrógeno por cada mol de acetileno. Determine el reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje de exceso. Respuesta: Reactivo limitante = H2 Reactivo en exceso = C2H2 Exceso = 33.33 % Problema N° 3: Un método común para la fabricación de blanqueador de hipoclorito de sodio es la reacción siguiente: Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaOCl + H2O Determine el reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje de exceso si se hacen reaccionar 851 lb de cloro (PM = 71) con una solución acuosa de hidróxido de sodio (PM = 40) que contiene 1145 lb del mismo. Respuesta: Reactivo limitante = Cl2 Reactivo en exceso = NaOH Exceso = 19.41 % Problema N° 4: Una reacción muy conocida para generar hidrógeno a partir de vapor de agua es la llamada reacción de desplazamiento de gas en agua o reformación: CO + H2O → CO2 + H2 Si la alimentación gaseosa al reactor consiste de 30 mol/h de monóxido de carbono y 35 mol/h de vapor de agua, determine el reactivo limitante, el reactivo en exceso y el porcentaje en exceso. Respuesta: Reactivo limitante = CO Reactivo en exceso = H2O Exceso = 16.67 %

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Problema N° 5: La combustión es un tipo de reacción de oxidación (reacción con oxígeno) normalmente muy exotérmica. La combustión es completa cuando sólo se produce dióxido de carbono y vapor de agua. La composición molar del aire seco es: 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno. En la combustión completa con aire seco, el nitrógeno no reacciona, es decir, que permanece inerte. Escriba la reacción química balanceada para los casos siguientes: a.- Combustión completa del metano (CH4) con oxígeno puro en cantidad estequiométrica. Respuesta: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O b.- Combustión completa del metano con aire seco en cantidad estequiométrica. Respuesta: CH4 + 2 O2 + 7.52 N2 → CO2 + 2 H2O + 7.52 N2 c.- Combustión completa del propano (C3H8) con oxígeno puro en cantidad estequiométrica. Respuesta: C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O d.- Combustión completa del propano con aire seco en cantidad estequiométrica. Respuesta: C3H8 + 5 O2 + 18.8 N2 → 3 CO2 + 4 H2O + 18.8 N2 e.- Combustión completa del propano con 100% de exceso de aire seco. Respuesta: C3H8 + 10 O2 + 37.6 N2 → 3 CO2 + 4 H2O + 37.6 N2 + 5 O2 Problema N° 6: La reacción 5A + 2B → 3C + 6D se efectúa en un reactor con 60% de conversión de B. La mayor parte de B que no reacciona se recupera en un separador y se recircula al reactor tal como lo indica la figura. La alimentación fresca al reactor contiene A y B; el A fresco está presente con un exceso de 30% sobre la cantidad estequiométrica necesaria para reaccionar con el B fresco. La conversión global de B en el proceso es de 95% para producir 100 mol/h de C.

Completar la siguiente tabla correspondiente al balance de masa estacionario del proceso: Corriente A B C D TOTAL 1 228.05 70.17 298.22 2 61.40 44.44 100.00 199.98 405.82 3 40.93 40.93 4 61.40 3.51 199.98 364.89 100.00 NOTA: todos los flujos en (mol/h)

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Problema N° 7: A continuación se presenta un proceso para la producción de yoduro de metilo, de acuerdo a la reacción: HI + CH3OH → CH3I + H2O La conversión del ácido yodhídrico en el reactor es de 30%. Se alimenta un flujo de 2000 lb/d a través de la corriente 1. Las composiciones especificadas de las corrientes de producto y desperdicio están en peso.

Sustancia Acido yodhídrico Metanol Yoduro de metilo Agua

Fórmula HI CH3OH CH3I H2O

Peso Molecular (lb/lbmol) 127.9 32.0 141.9 18.0

Se le pide que complete la tabla anexa correspondiente al balance de masa estacionario del proceso y que complete además lo siguiente: a.- Conversión global del ácido yodhídrico (%). Respuesta: 60 % b.- Rendimiento global del yoduro de metilo con respecto al ácido yodhídrico alimentado al proceso (%) en base molar. Respuesta: 60 % c.- Relación de flujos molares [recirculación / alimentación fresca de ácido yodhídrico]. Respuesta:1 d.- Relación de flujos molares [producto / desperdicio]. Respuesta: 1.2 Corriente HI 1 2000.000 2 1999.844 3 3999.817 4 5 2799.859 6 800.015 7 8 800.015 NOTA: todos los flujos en (lb/d)

CH3OH 600.448 300.224 300.224 300.224 -

CH3I 1331.306 1331.306 1331.306 -

H2O 168.876 168.876 168.876

TOTAL 2000.000 1999.844 3999.817 600.448 4600.265 2600.421 1631.53 968.891

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Problema N° 8: A continuación se presenta un proceso para la producción de ácido perclórico, de acuerdo a la reacción: Ba(ClO4)2 + H2SO4 → BaSO4 + 2HClO4 La proporción entre el número de moles de ácido sulfúrico y el número de moles de perclorato de bario en la alimentación combinada al reactor es de 1 : 1.2 y la conversión del perclorato de bario en el reactor es de 80%. Se alimenta un flujo de 1000 lb/h a través de la corriente 1 que está formada por un 90% de perclorato de bario en peso y el resto de ácido perclórico.

Sustancia Perclorato de bario Acido perclórico Acido sulfúrico Sulfato de bario

Fórmula Ba(ClO4)2 HClO4 H2SO4 BaSO4

Peso Molecular (lb/lbmol) 336.2 100.5 98.1 233.4

Se le pide que complete la tabla anexa correspondiente al balance de masa estacionario del proceso y que complete además lo siguiente: a.- Conversión global del perclorato de bario (%). Respuesta: 100 % b.- Rendimiento global del ácido perclórico con respecto al perclorato de bario alimentado al proceso (%) en base molar. Respuesta: 200 % c.- Relación de flujos molares [recirculación / ácido sulfúrico fresco]. Respuesta: 0.24 d.- Relación de flujos molares [recirculación / alimentación fresca]. Respuesta: 0.18 Corriente Ba(ClO4)2 HClO4 1 900.000 100.000 2 3 1124.925 99.998 4 224.918 5 224.918 638.075 6 638.075 7 NOTA: todos los flujos en (lb/h)

H2SO4 273.503 10.889 10.889

BaSO4 624.812 624.812 -

TOTAL 1000.000 273.503 1224.923 224.918 1498.694 1262.887 10.889

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Problema N° 9: A un reactor entra un flujo de 100 mol/h de etanol (E) que reacciona para producir acetaldehído (A), acetato de etilo (AE) e hidrógeno de acuerdo a las siguientes reacciones: E → A + H2 Reacción principal 2 E → AE + 2 H2 Reacción secundaria La conversión del etanol es del 95% y el rendimiento del acetaldehído es del 80%. Complete la siguiente tabla: Corriente E (mol/h) Entrada 100 Salida 5

A (mol/h) 80

AE (mol/h) 7.5

H2 (mol/h) 95

Total (mol/h) 100 187.5

Conteste además lo siguiente: a.- Selectividad del acetaldehído. Respuesta: 84.2% b.- Relación acetaldehído/acetato de etilo. Respuesta: 10.7

Problema N° 10: A un reactor entra una corriente 1 compuesta por A y B en proporción 2:1 respectivamente y sale una corriente 2 compuesta también por A y B en proporción 4:1 respectivamente. Del reactor también sale una corriente 3 compuesta por C, D, E y F. La relación entre los flujos de las corrientes de salida 3 y 2 es de 6:1 respectivamente. Al reactor se alimentan 200 mol/h de A y la conversión es del 80%. Las reacciones químicas que ocurren son las siguientes: 2A+B→2D+E A+D→2C+E C+2B→2F Complete la siguiente tabla: Corriente A B (mol/h) (mol/h) 1 100 200 2 40 10 3 -

C (mol/h) 123,3

D (mol/h) 13.3

Conteste además lo siguiente: a.- Selectividad de C a partir de A. Respuesta: 45.81% b.- Rendimiento de C a partir de A. Respuesta: 61.65%

E (mol/h) 116.6

F (mol/h) 46.6

Total (mol/h) 300 50 300

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Problema N° 11: El disulfuro de carbono (CS2) se utiliza en la fabricación de rayón y celofán y en la producción de tetracloruro de carbono. En el proceso preferido generalmente, se hace reaccionar vapor de azufre con metano de acuerdo a las siguientes reacciones: CH4 + 4 S → CS2 + 2 H2S CH4 + 2 S → CS2 + 2 H2 CH4 + 2 H2S → CS2 + 4 H2 A un reactor entra una corriente que contiene vapor de azufre y metano en una proporción de 4:1 respectivamente, donde el flujo de vapor de azufre es de 100 mol/h. La conversión de metano es de 90% y la del azufre es de 70%. Complete la siguiente tabla: Corriente CH4 (mol/h) Entrada 25 Salida 2.5

S (mol/h) 100 30

CS2 (mol/h) 22.5

H2 (mol/h) 20

H2S (mol/h) 25

Total (mol/h) 125 100

Conteste además lo siguiente: a.- Rendimiento del CS2 a partir del CH4. Respuesta: 90% b.- Selectividad del CS2 a partir del CH4 por la tercera reacción. Respuesta: 5.56% Problema N° 12: Se puede obtener bifenilo (BF) a partir de benceno (B) obtenido por reacciones secuenciales de cumeno (C), xileno (X) y tolueno (T) con hidrógeno, que también producen metano (M) de acuerdo a las siguientes reacciones: C + H2 → X + M X + H2 → T + M T + H2 → B + M 2 B → BF + H2 Un reactor se alimenta con 100 mol/h de una mezcla que contiene 5% de B, 20% de T, 35% de X y 40% de C. La conversión del T es de 80%, la del X es de 74% y la del C es de 70%. También entra al reactor una corriente de hidrógeno en una proporción de 5:1 con respecto a la mezcla de hidrocarburos aromáticos. En la corriente de salida del reactor hay 0.1% de BF. Complete la siguiente tabla: Corriente C X (%) (%) Entrada 40 35 Salida 2.0 1.5

T (%) 20 0.7

B (%) 5 12.3

M (%) 25.3

H2 (%) 58.1

BF (%) 0.1

Total (%) 100 100

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Problema N° 13: Se puede producir benceno (B) mediante la desalquilación de tolueno (T), la cual produce también metano (M) siguiendo la reacción: T + H2 → B + M Sin embargo, esta reacción catalítica ocurre acompañada de una reacción simultánea que produce un subproducto indeseado, el bifenilo (BF): 2T + H2 → BF + 2M Debido a esta reacción paralela deben efectuarse una serie de separaciones con recirculación de los reactivos no utilizados, tal como se muestra en el flujograma siguiente:

Complete la tabla correspondiente al balance de masa estacionario del proceso teniendo en cuenta lo siguiente: - la alimentación al reactor (corriente 3) contiene 5 moles de hidrógeno por cada mol de tolueno - la conversión del tolueno en el reactor es de 75% - la salida del reactor (corriente 6) contiene 2% molar de tolueno y 5% molar de benceno - la producción de benceno puro (corriente 9) es de 78 kg/h (peso molecular B = 78 g/mol)

Corriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

NT (mol/h) 1200 1600 400 400 400 -

NH2 (mol/h)

1813 8000 6187 6900 6900 714 -

NB (mol/h) 1000 1000 -

NBF (mol/h)

100 100 100

NM (mol/h) 10400 10400 11600 11600 1200 -

Conteste además lo siguiente: a.- Selectividad del proceso (en %). Respuesta: 83.33 % b.- Rendimiento del proceso (en %) en base molar. Respuesta: 83.33 % c.- Relación de purga por mol de tolueno puro alimentado. Respuesta: 1.60 d.- Relación de tolueno recirculado por mol de tolueno puro alimentado. Respuesta: 0.33

N (mol/h) 1200 1813 20000 400 16587 20000 18500 500 1000 1914 100

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Problema N° 14: El producto P se obtiene del reactivo R según la reacción:

2R → P + W Sin embargo, sólo es posible lograr una conversión de 50% de R en el reactor, debido a la descomposición del reactivo para formar el subproducto B, según las reacciones: R→B+W W + 2B → P La alimentación fresca contiene 1 mol de inertes I por cada 11 moles de R y un flujo de 1435 mol/h. La relación de flujos [alimentación fresca/recirculación] es de 2.54. El R que no reaccionó y los inertes se separan de los productos y se recirculan. Un poco del R que no reaccionó y de los inertes deben purgarse, para limitar la concentración de éstos en la alimentación al reactor a 12% en base molar. La corriente de salida del reactor contiene 17.9% del producto P y 5.7% del subproducto B, ambos en base molar, tal como lo indica el esquema siguiente:

Complete la tabla correspondiente al balance de masa estacionario del proceso: Corriente NR NI NP NB NW 1 1315 120 2 445 120 3 1760 240 4 880 240 380 120 500 5 880 240 6 380 120 500 7 435 120 NOTA: todos los flujos en (mol/h)

NTOTAL 1435 565 2000 2120 1120 1000 555

Se le pide además lo siguiente: a.- Relación porcentual [purga/producto] en base molar. Respuesta: 55.5 % b.- Rendimiento porcentual del producto P a partir del reactivo R alimentado al reactor en base molar. Respuesta: 21.6 % c.- Fracción de R alimentado al reactor que reacciona para formar P según la reacción: R + B → P. Respuesta: 0.4318 (43.18 %) d.- Conversión porcentual global del reactivo R. Respuesta: 66.9 %

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Problema N° 15: En el proceso esquematizado se desea producir B a partir de A mediante la siguiente reacción: 2 A → B + C (Reacción 1) pero simultáneamente se produce la siguiente reacción colateral: A → C + D (Reacción 2) La selectividad del proceso es de 95.5 % y la conversión global es de 91.8 %. Se conocen las composiciones molares indicadas en el flujograma y el flujo de tope de la unidad S1, es decir, la corriente (5) de 1000 mol/h.

Complete la tabla correspondiente al balance de masa estacionario del proceso: Corriente NA NB NC ND 1 12103.60 247.01 2 18772.96 4693.24 3 6669.36 4446.24 4 7661.84 5305.56 10498.80 500.00 5 125.00 250.00 125.00 500.00 6 7536.84 5055.56 10373.80 7 620.73 5557.14 8 6916.11 5055.56 4816.66 9 246.77 5055.56 370.43 NOTA: todos los flujos en (mol/h)

NTOTAL 12350.60 23466.20 11115.60 23966.20 1000.00 22966.20 6177.87 16788.33 5672.76

Se le pide además lo siguiente: a.- La relación [reciclo / alimentación fresca]. Respuesta: 0.9 b.- La composición de la corriente de fondo de la unidad S2, es decir, de la corriente (7). Respuesta: xA7 = 0.1005 (10.05 %) xC7 = 0.8995 (89.95 %) c.- La conversión por paso en el reactor. Respuesta: 0.5919 (59.19 %) d.- El rendimiento de B con respecto a A para el proceso. Respuesta: 0.4383 (43.83 %)

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Problema N° 16: La mayoría de los procesos modernos para la producción de ácido nítrico se basan en la oxidación progresiva del amoníaco a óxidos de nitrógeno, seguida de la absorción de estos productos intermedios en agua. En el flujograma se muestra el proceso en forma detallada. Se sabe que se mezclan el amoníaco y el aire en una proporción molar de 1 a 10 con respecto a la alimentación fresca y se hacen reaccionar catalíticamente en la primera etapa de reacción (Reactor 1): Reactor 1: Reacción Principal: Reacción Secundaria:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2 O

2NH3 +

3 2

O2 → N2 + 3H2 O

En la segunda etapa de reacción (Reactor 2), se oxida el NO hasta NO2 de acuerdo a la reacción: Reactor 2:

NO +

1 2

O2 → NO2

Finalmente la descarga del reactor 2, se pasa a un separador (S) con el fin de eliminar todo el amoníaco por la corriente de tope, para luego tratar la corriente de fondo (libre de amoníaco) con agua en el absorbedor (A), donde se realiza la reacción a partir de la cual se obtiene una solución de ácido nítrico: Absorbedor:

2NO2 +

1 2

O2 + H2 O → 2HNO3

Se conocen los siguientes datos: 1.- El flujo de entrada al sistema (alimentación fresca) es de 500 mol/h de amoníaco 2.- La conversión global es de 80% 3.- La selectividad (en el Reactor 1) es de 90% 4.- Se mezcla amoníaco y aire en una proporción molar de 1 a 10 con respecto a la alimentación fresca 5.- El flujo de entrada de agua pura en el absorbedor (corriente 9) representa un quinto de la alimentación fresca de amoníaco al sistema 6.- La corriente de reciclo (corriente 12) es la mitad de la corriente de salida de amoníaco del sistema (corriente 11) 7.- El gas de desperdicio del proceso de absorción tiene la siguiente composición parcial: x10H2O = 0.102269 y x10NO2 = 0.003764 8.- Se obtiene en la corriente de fondo del absorbedor una solución con una composición de ácido nítrico de 89.53 %, es decir, que: x8HNO3= 0.8953 Se le pide completar la tabla correspondiente al balance de masa estacionario del proceso.

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Complete la tabla correspondiente al balance de masa estacionario del proceso: Corriente NH3 N2 O2 H2O NO NO2 HNO3 1 500 2 550 3 3950 1050 4 150 3970 570 600 360 5 150 3970 390 600 360 6 150 7 3970 390 600 360 8 40 342 9 100 10 3970 304.5 489 18 11 100 12 50 NOTA: todos los flujos en (mol/h) Se le pide además lo siguiente: a.- La conversión por paso en el reactor 1. Respuesta: 0.7273 (72.73 %) b.- La conversión por paso en el absorbedor. Respuesta: 0.9500 (95.00 %) c.- El rendimiento global del proceso. Respuesta: 0.6840 (68.40 %) d.- El rendimiento en el reactor 1. Respuesta: 0.6545 (65.45 %)

Total 500 550 5000 5650 5470 150 5320 382 100 4781.5 100 50

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Problema N° 17: El propileno (C3H6) puede producirse mediante la deshidrogenación catalítica del propano (C3H8). Desafortunadamente, también ocurren varias reacciones paralelas que resultan en la producción simultánea de hidrocarburos más ligeros, así como en la formación de depósitos de carbón sobre la superficie del catalizador. Dichos depósitos de carbón reducen la efectividad del catalizador, de tal forma que es necesario regenerarlo periódicamente, quemando el carbón acumulado. A un reactor de laboratorio entra un flujo de 58.2 mol/d de propano puro (corriente 1) y sale una mezcla de productos gaseosos (corriente 2) con la siguiente composición molar: 45% de propano (C3H8), 20% de propileno (C3H6), 6% de etano (C2H6), 1% de etileno (C2H4), 3% de metano (CH4) y 25% de hidrógeno (H2). Una tercera corriente sólida (corriente 3) evidencia los depósitos de carbón (C). Complete la siguiente tabla con todos los flujos en (mol/d): Corriente C3H8 C3H6 C2H6 C2H4 CH4 1 58.2 2 36 16 4.8 0.8 2.4 3 -

H2 20 -

C 5

Total 58.2 80 5

Problema N° 18: El formaldehído (CH2O) se produce industrialmente mediante la oxidación parcial de metanol (CH3OH) con aire seco sobre un catalizador de plata. Bajo condiciones óptimas en el reactor, se logra una conversión de 55%, con una alimentación que contiene 40% de metanol en aire seco (21% de O2 + 79% de N2 en base molar) y un flujo de 1000 mol/d (corriente 1). Aunque el producto principal es el formaldehído, no es posible evitar la formación de algunos subproductos como CO, CO2 y pequeñas cantidades de ácido fórmico (HCOOH). Por el tope del reactor se obtiene una mezcla gaseosa (corriente 2) que contiene CO, CO2, H2 (7.5%) y N2. Por el fondo del reactor se extrae una mezcla líquida (corriente 3) que contiene cantidades iguales de CH2O y CH3OH junto con HCOOH (0.5%) y agua (H2O). Complete la siguiente tabla con todos los flujos en (mol/d): Corriente 1 2 3

O2 126.05 -

H2 41.44 -

CO 3.56 -

N2 473.95 473.95 -

CO2 33.54 -

CH3OH 400 180

CH2O 180

HCOOH H2O 2.89 215.67

Total 1000 552.49 578.56

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