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• Joaquin Ureña

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Universidad Nacional Autónoma de México. Facultad de Química. Departamento de Ingeniería Metalúrgica.

Análisis de Sistemas Reaccionantes. Semestre 2020-2.

Serie de Problemas. I.

II.

Determina la temperatura arriba de la cual la reducción de por termodinámicamente factible a de presión. Datos: ΔGf=-401500+76.91*T (cal/mol), ΔGf=-174750+49.097*T En un convertidor de

, las siguientes reacciónes toman lugar a

puede ser

(cal/mol)

:

a. Determine el calor de cada una de las reacciones a la de operación. b. ¿Es necesario utilizar un combustible para que se realice el proceso en el convertidor? Cp=5.41+1.5X10-3*T (cal/molK) III.

Dos lingotes de uno a y otro a , se colocan en un recinto aislado, donde ambos alcanzan una igual a . Calcule el cambio de Entropía Total asumiendo que el flujo de energía entre los lingotes hacia el recinto es despreciable. Indique si el proceso es espontáneo o no. Cp=5.41+1.5X10-3*T (cal/molK) (298-1356K), Cp(Cu)=7.50 (1356-1600K), Cp=5.19+26.40 X10-3*T (298-411K), Cp=17.40 (411-598K), Cp=12.20+2.38X10-3*T (598-1468K), Cp(FeS)=17 (1468-1500K), Cp=19.5 (298-376K), Cp=23.25(376-623K), Cp=20.30(623-1403K), -3 5 -2 Cp(Cu2S)=19.78 (1403-1473K) CpFeO=11.66+2X10 *T-0.67X10 *T , Cp[SO2]=10.38+2.54X10-3*T-0.67X105*T-2 Cp[O2]=7.16+1X10-3*T-0.40X105*T-2 ΔH298FeO=-63.2 Kcal/mol, ΔH298SO2=-70.95Kcal/mol, ΔH298FeS=-22.8 Kcal/mol, ΔH298CuS=-19.6 Kcal/mol, ΔHα- FeS=570 cal/mol, ΔH -γFeS=120 cal/mol, ΔHfusFeS=7730 cal/mol, ΔHfusCu=3100 cal/mol, ΔHα- Cu2S=920 cal/mol, ΔH -γCu2S=200cal/mol, ΔHfusCu2S=2600cal/mol

IV.

La transformación de molar del

es de

a

γ

a

, mientras que el del

a la cual ambas fases están en equilibrio a

V.

VI.

VII.

presenta una es de

α γ

. El volumen . Calcule la presión

. CpFeα=35 J/molK, CpFe =32.8 J/molK

Un flujo de 1m3 (STP)/min de una mezcla gaseosa compuesta por 50% de HS, 30% de H2 y 20% Ar se introduce a un reactor que opera a 2500 K y 1.5 atm de presión, considere que la siguiente reacción representa las interacciones entre las especies gaseosas presentes [H2] +[S2] 2[HS] ΔG= 159360 - 31.02 T J/mol . De acuerdo con los datos anteriores calcule: a) Si bajo estas condiciones es posible formar una cantidad adicional de HS, justifique su respuesta. b) El tiempo requerido para formar o descomponer 10 Kg de azufre gaseoso bajo estas condiciones. c) Encuentre la relación de presiones pHS/pH2 d) Analice cuál es la mejor propuesta para las condiciones de temperatura y presión si se desea incrementar la producción de HS.

Una mezcla compuesta por 6.6 moles de Monocloruro de Aluminio (AlCl) y 1.2 moles de Tricloruro de Aluminio (AlCl3) se introduce a un reactor que opera a 1400K y 1.16 atm de presión. Como resultado del proceso y asumiendo que se alcanza el equilibrio, se condensa una determinada cantidad de Aluminio. a) Calcule los gramos de Aluminio que se condensan y determine la composición al equilibrio de la fase gaseosa. b) Determine el efecto de la presión, así como de la temperatura en la cantidad de Aluminio formado. 3[AlCl] 2(Al) + [AlCl3] ΔG1400= -28870 J/mol , ΔG1200= -79078 J/mol

Se desea conocer la composición de la atmosfera de un horno de tratamiento térmico, el cual opera a 1170K y 2.1 atm de presión. Se analizó una muestra del gas a la entrada del horno, obteniendo los siguientes resultados: Especie CO CO2 CH4 H2 H2O N2 % Volumen 13 19 15 22 17 14 Suponiendo que las siguientes reacciones se llevan a cabo [CH4] + [CO2] → 2[H2] + 2[CO] [CO2] + [H2] → [H2O] + [CO] a) Caracterice al sistema en las etapas de inicio, intermedia y de equilibrio

b) Calcule la composición de los gases al equilibrio, anexando la codificación del programa empleado para la determinación de los valores de . [CH4] + 2[H2] ΔG= 69120-22.5TlogT+65.35T J/mol 2 + [O2] 2[CO] ΔG= -223400-175.3T J/mol [CO2] + [O2] ΔG= 394100+0.8T J/mol [H2] + 1/2 [O2] [H2O] ΔG= -239534 +18.74TlogT -9.24 T J/mol VIII.

Se hace llegar una mezcla gaseosa a un reactor que se opera a 1000K y una presión de 1.1atm. El flujo de gases que entran al reactor está compuesto de: 20.5 mol/hr [CO], 18.5 mol/hr [CO2], 5.5 mol/hr [CH4], 14 mol/hr [H2], 2.3 mol/hr [H2O] y 39.2 mol/hr [N2], asumiendo que las siguientes dos reacciones representan lo que acontece dentro del sistema [CO2]+[ H2] [CO]+ [H2O] ΔG1000= 850 cal/mol 2[CO]+2[H2] [ CH4]+ [CO2] ΔG1000= 5910 cal/mol Calcule: a) La composición de equilibrio del gas que abandona el reactor. b) Los flujos molares (mol/hr) de todas las especies que abandonan el reactor.

IX.

Un flujo de aire circula a través de un lecho empacado de carbono a 1050 K. a) Para 1 atm de presión total, calcule el número de moles de carbono que se consumen por cada mol de aire que entra al sistema y determine la composición química del gas resultante. b) Repita los cálculos del inciso anterior considerando variación en la presión de 1 hasta 5 atm. + [CO2] → 2[CO] ΔG= 39810 -40.87T cal/mol.

X.

Un gas que contiene 30% CO2 y 70% CO se enfría desde 1100K hasta 950K a una presión total de 1.2 atm. a) ¿A qué temperatura empieza a precipitarse el carbono, si la proporción entre las presiones de CO y CO2 permanece constante? b) Asuma que la composición de CO y CO2 permanece constante y considerando una base de cálculo de 120 moles calcule cuantos gramos de carbón se precipitaran por cada mol de gas enfriado a las temperaturas de 1000, 975 y 950K. + [CO2] → 2 [CO] ΔG= 39810 -40.87T cal/mol.

XI.

Trace los diagramas de predominancia del sistema Pb-S-O, Fe-S-O, Cu-S-O, Zn-S-O a diferentes temperaturas 400, 500, 600 y 700°C.

XII.

Un concentrado de Cobre fuera de grado contiene calcopirita, pirita, esfalerita y galena. Refiriendo a los diagramas obtenidos, comente si un proceso de tostación-sulfatación selectiva de cobre y Zinc son posibles a 600°C, justifique la respuesta explicando las fases estables a diferentes temperaturas. La composición de gases para el proceso serian: PSO2= 10-1.5-10-0.5 y PSO2= 10-1.5-10-0.5.

XIII.

Se alimentan 70 moles de sulfuro de Zinc y 10 moles de Sulfuro de plomo a un reactor a 1000°C para convertirlos totalmente a óxidos con 400 moles de aire. Indique si es completa la conversión. El gas producto de este primer proceso se alimenta a un segundo reactor que contiene óxidos de plomo y zinc, pero a 500°C. ¿Cuáles son los productos de reacción en la segunda etapa y la composición de gases a la salida?

XIV.

Determine las condiciones de presión y temperatura para reducir a)Sulfuro de Molibdeno con hidrógeno b) Pirita con hidrógeno

XV.

Calcular la posibilidad de reducción del óxido de cromo (Cr2O3) por el C, a la temperatura de 1000 ºC. ¿Cuál sería en el equilibrio, la presión parcial de CO necesaria?. ¿Qué consecuencias deduce?.

XVI.

Calcule la composición de Zn presente en un baño metálico compuesto por una aleación liquida Zn-Cu en equilibrio con una escoria que contiene y en un intervalo de 1070 a 1300K. Asuma que: a) Los componentes de la escoria son inmiscibles. b) Los componentes de la escoria forman una solución ideal, Donde se tiene una producción de 1.5 Kg de escoria/Ton del baño metálico y el es el 60%. Considere que el baño Zn-Cu se representa por una solución regular en el mismo intervalo de temperatura donde la actividad de Zn es 0.115 cuando XZn es 0.4, Considere que la reacción de interés es: + (Zn) → + 2(Cu) 2(Cu) + 1/2 [O2] → ΔG = -33600 + 12.32T cal/mol (Zn) + 1/2[O2] → ΔG = -83259 + 24.68T cal/mol

XVII.

El plomo de pureza comercial contiene 0.12% de antimonio y se refina mediante la insuflación de aire en el baño metálico. Al final de este proceso la temperatura en el baño es de 953K y el contenido de antimonio es de 0.01% en peso. Calcule la composición de la escoria formada en el equilibrio. Considere que el antimonio obedece la ley de Henry con γSb=0.8 y Gxs=−2000 XSb2O3XPbO PMPb=207.2 PMSb=121.76 2(Sb) + 3/2 [O2] → (Sb2O3) ΔG= -157 900 + 43.5T cal/mol 3(Pb) + 3/2[O2] → 3(PbO) ΔG = -129 900 + 48.75T

XVIII.

Determine la cantidad de Cr que es necesario agregar por tonelada de acero al bajo carbón, el cual se encuentra líquido a 1600°C si el contenido deseado al final de este proceso es de 2.7% en peso de cromo, el acero contiene inicialmente 0.08% de oxígeno disuelto, Calcule también la cantidad de escoria formada considerando la presencia de interacciones entre Cr y O. Datos: T= 1600°C 2 + [O2] → ΔG = -1120300 + 259.8T J

½[O2] → (O) ΔG = -111700 –5.87T J (Cr) → (Cr) ΔG = 21000 – 47.46T J ΔHfCr = 21000 J TfCr = 2173K =-0.41 XIX.

La necesidad de obtener un tamaño de grano específico en un planchón de acero requiere que éste contenga 0.028% en peso de aluminio. Suponiendo que el acero líquido contiene 450 ppm de oxígeno disuelto, calcule los kilogramos de aluminio que se deben adicionar a una olla de 50 toneladas de acero para obtener la composición deseada. Determine también los kilogramos de alúmina que se forman durante este proceso. Considere únicamente las interacciones entre el aluminio y el oxígeno. Haga un análisis del efecto de la temperatura de 1000°C a 2000°C. 2(Al) + 3/2 [O2] → 〈Al2O3〉 ΔG = −400700 + 76.6T cal/mol 1/2 [O2] → (O) ΔG = −28000 − 0.69T (Al) → (Al) ΔG = −15100 − 6.67T

XX.

Una aleación líquida Fe-P contiene 0.65% en peso de P y se encuentra bajo una atmosfera H2O-H2 con una relación de presiones PH2O/PH2=0.0494 a 1600°C. Cuando el sistema alcanza el equilibrio, el contenido de oxigeno es de 0.0116%. El coeficiente de actividad en estado estándar henriano expresado en porciento en peso, está representado por -0.2*(%O). Calcule el parámetro de interacción a 1600°C si la constante de equilibrio de la reacción [H2] + (O) → [H2O] a 1600°C es de 3.855.