clase 3-bme
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7/26/2019 CLASE 3-BME
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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA YPETROQUIMICA
SESIONES DE CLASE
ING. JUAN ALFREDO TOLEDO HUAMAN
2016 - I
BALANCE DE MATERIA YENERGIA
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BALANCE DE MATERIA EN UNIDADES MULTI
Diagrama de Flujo de un proceso de dos unidadesAlimentacin 2
A
Producto 3Alimentacin 1
Alimentacin 3Producto 2Producto 1
balances deSe realizan materia para los subsistemas (B, C, D y Ey para el sistema completo (A)B, D son puntos de mezcla
C E
B D
Unidad 1 Unidad 2
En la resolucin de problemas de BME en unidades mltiples, por lo general, e
formular balances para varios subsistemas, a fin de obtener suficientes
determinar todas las variables desconocidas en las distintas corrientes.
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Balances de Materia en Unidades Mltip
Ejemplo
40 kg/h0,9 kg A/kg
0,1 kg B/kg
30 kg/h0,6 kg A/kg
0,4 kg B/kg
100 kg/h 321
0,5 kg A/kg
0,5 kg B/kg
30 kg/h0,3 kg A/kg
0,7 kg B/kg
Unidad 2Unidad 1
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Balances en Procesos con Recirculacin y Derivaci
Casi en la totalidad de procesos continuos, no siempre se consume todo
ya que siempre queda algo en el producto (la reaccin qumica no se l
por completo). Esto genera perdidas de recursos, por lo cual conveniente para superar todo el reactivo no consumido o parte d
recirculacin o reciclo. Existen muchas razones para utilizar la recircula
proceso qumico, aparte de las antes mencionadas, tales como:
Recuperacin de catalizadores
Dilucin de un flujo de un proceso Control de una variable del proceso
Circulacin de un fluido de trabajo
Cuidado y control del ambiente
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Balances de Materia con Reciclo, Derivaci
a)Reciclo: parte dea la alimentacin
la corriente de producto que se regresa
de una etapa anteriorAlimentacin Producto
b)Derivacin: desvo de una porcin de la alimentacin deuna unidad de proceso, combinndola con la corrientede salida
Alimentacin Producto
Derivacin o By-pass
Reciclo
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Purga: flujo que se utiliza para eliminar una acumulacinde sustancias inertes o indeseablesquede otramaneraseacumularanenel reciclo.
Purga
Reciclo
Alimentacin Producto
Reciclo
Alimentacin Producto
Purga
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BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS CON REACCIO
La aparicin de una reaccin qumica en un proceso trae com
complicaciones en los procedimientos de balance de materia
estequiomtrica de la reaccin impone restricciones respecto de las can
de reactivos y productos en las corrientes de entrada y salida. Un ba
sobre una sustancia reactiva no tiene la forma simple de ENTRADA = SAdebe incluir un termino de generacin o consumo.
LA ECUACION QUIMICA Y LA ESTEQUIOMETRIA
La estequiometria es la teora de las proporciones en las que se comb
especies qumicas. Por ejemplo:
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Moles: 1 mol 5 mol 3 mol 4 mol
Masa: 44 g 160g 132 g 72 g
Molculas: 1NA 5NA 3NA 4NA
204 g = 204 g
Masa que ingresa = Masa que sale
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TERMINOS ASOCIADOS CON LA ESTEQUIOMETRIA
Reactivo limitante: Aquel que se encuentra en la mnima cantidad est
aquel que desaparecera primero si se completase la reaccin.
Reactivo en exceso:Aquel que esta en exceso con respecto al reactivo
Rendimiento: Es la relacin o cociente entre la masa de un producto
de un reactivo inicial.
Fraccin de conversin del reactivo o conversin fraccionaria.
=
% EXCESO = (nALIM- nESTEQ/ nESTEQ) x 100
=
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BM con Reacciones Mltiples: Selectividad y RendimiLa obtencin de productos qumicos suele implicar no una nica reaccin simltiples. En estos caso el objetivo es maximizar la produccin del producto deseala de los productos no deseados.
Se define SELECTIVIDAD:
D,Nmoles formados de producto no deseado
SD,Nes una relacin entre las cantidades obtenidas de producto deseado y no desea
SD,N= rD/rN
Se define RENDIMIENTO: basado en el consumo de reactivo
D moles de reactivo consumidos en el reactorY =
moles formados de producto deseado
S = moles formados de producto deseado
Se define RENDIMIENTO: basado en la alimentacin de reactivo
Y =moles formados de producto deseado
moles alimentadas de reactivo en el reactor
Valores altos de rendimiento y selectividad indican que las reacciones laterales indes
suprimidas, respecto de la reaccin deseada.FIQP-UNICA-2015-II ING. JUAN A. TOLED
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N +3H 2 NH2 2 3
280 kg N2/h
10 kmol N /h51 kg NH
3/h +
(238 kg N /h + 51 kg H /h)2 2 2
3 kmol NH3/h +(8,5 kmol N2/h + 25,5 kmol H2
2
REACTO
R
Fraccin peso xNH3 = (51 kg NH3/h)/ 51 kg NH3/h + 238 kg N2/h + 51H2/h) = 51/340 = 0,15 kg NH3/ kg tota
Fraccin molar yNH3 = (3 kmol NH3/h)/(3 kmol NH3/h + 8,5 kmol N2+ 25,5 kmol H2/h) = 0,0811kmol NH3/ kmol totalAdimensional, pero con unidades.
Introduccin a la Ingeniera Qumica UVa - 3: B. M . R. E. 1
60 kg H2/h30 kmol H /h
PROCESOS CON REACCIN QUMICA. EJEMPLO
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N2+3H2 2NH351 kg NH3/h +(238 kg N /h + 51 kg H /h)280 kg N
2/h
2
f.p. NH3 = 0,152
10kmol N /h2
3 kmol NH3/h +(8,5kmol N2/h +25,5 kmolH2
f.m.NH3=0,08112
Introduccin a la Ingeniera Qumica UVa - 3: B. M. R. E. 12
REACTO
R
Flujo msico: (340 kg total/h) (0,15 kg NH3/ kg total) =51 kg NH3/h
Flujo molar: (37 kmol total/h) (0,0811kmol NH3/ kmol total) =3 kmol NH3/h
60 kg H2/h30 kmol H /h
PROCESOS CON REACCIN QUMICA. EJEMPLO
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A, global
N
AN
Introduccin a la Ingeniera Qumica UVa - 3: B. M. R. E. 2
Definiciones de conversin en este tipo de sistemas:
CONVERSIN GLOBAL
X =NAF - NAP
AFCONVERSIN POR PASO
X =NAE - NAS
AE
PProducto
F
R
E REACTOR SA B
SEPARADOR
BALANCE DE MATERIA CON REACCION QUIMICA EN SISTEMAS CON RECI
En el anlisis de procesos con reaccin qumica y separacin de productos y recircul
reactivos no consumidos, se utilizan dos definiciones de conversin de reactivo.
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Introduccin a la Ingeniera Qumica UVa - 3: B. M. R. E. 29
En procesos con recirculacin puede producirse acumulacinde alguna sustancia (de origen externo o generada en emismo proceso) si se recircula continuamente. Al iaumentando su concentracin no es posible alcanzar rgimenestacionario.
Para solucionar el problema ha de extraerse del sistema unacantidad de sustancia que se acumula igual a la cantidad queentra o que se genera en el mismo.
La corriente que se retira, que contiene la sustancia que seacumula, se denomina PURGA.
Recirculacin Purga
FProducto
SEPARADORREACTOR
SISTEMAS CON RECIRCULACIN Y PURGA CON REACCIN QUIMI
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Problema: Produccin de metanol
Se produce metanol por reaccin de CO2 con H2: CO2 + 3 H2CH3OH + H2O
La alimentacin fresca al proceso contiene H2, CO y 0,4 % de inertes (I). El efluente
condensador que retira esencialmente todo el metanol y agua formados, pero nada de lo
Estas ltimas sustancias son recicladas al reactor. Para evitar la acumulacin de ine
extrae una purga de la corriente de recirculacin. La alimentacin al reactor (no la a
proceso) contiene 28% en moles de CO2, 70% de H2 y 2% de I. La conversin por paso d
a) Dibujar un diagrama de bloques del proceso y realizar un anlisis DFA completo.
b) Para una velocidad de produccin de 155 mol CH3OH/h, calcular las velocidades
composiciones molares de la alimentacin fresca, la alimentacin total al reactor, la cor
y la corriente de purga.
R T
TCO2,TH2,TI
F E SSeparadorXH2 = 0,6ECO2 = 0,28E
EH2 = 0,7EEI = 0,02E
FCO2, FH2FI =0,004F Reactor
P
PMET = 155 mol/hPH2O
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REACCIONES DE COMBUSTIN
La reaccin entre un combustible con oxigeno, es una de las reac
importantes a nivel industrial, pese a que los productos de estas
(CO2, H2O, CO, SO2 ) son de poco valor en comparacin con el p
combustibles quemados para obtenerlos.
El proceso de combustin es el ms importante en ingeniera porque
aunque tiende a disminuir (96 % en 1975, 90 % en 1985, 80% en 199
parte de la produccin mundial de energa se hace por combustin
carbn y gas natural (combustibles fsiles). Adems, no slo es
estudiar la combustin controlada de los recursos primarios us
produccin de trabajo y calor, sino que tambin es preciso estudiar lde combustin incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y lu
ellos; adems, cada vez es ms importante analizar la combustin co
materiales de desecho (incineracin), con el fin de minimizar la co
ambiental.
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16 La reaccin de combustin se resume de la siguiente manera:
La mayora de reacciones de combustin tienen lugar entre combustibles f
del aire. A continuacin se describen las caractersticas de cada uno de esto
COMBUSTIBLES
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17COMBURENTE: EL AIRE
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18 PRODUCTOS DE COMBUSTIN
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ESTEQUIOMETRA DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIN
REACCIN TERICA
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REACCIONES DE COMBUSTIN
Materia orgnica(combustible)
+ O2 CO, CO2, H2O,78,03 % N2
0,94 % Ar
SO2,NOx + calor
20,03 % O2 79 % N221 % O2AIRE0,03 % CO20,01 % H2, He, PM =29 g/Ne, Kr, Xe
O2 reactivo en excesoN aparece como inerteAire en exceso
2
---
Se aumenta la conversin del combustibleCombustin completa (C CO2)Disminuir la eficiencia energtica del proceso
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Oxgeno terico moles de O2 necesarios para conseguir la combustincompleta del combustible (C CO2 y H H2O)
Aire tericocantidad de aire que contiene el oxgeno tericoAire terico (moles) = O2 terico 100/21
moles de aire alimentado moles de aire terico% de aire en exceso
moles de aire terico
Composicin sobre una basehmeda fracciones molares de uncontiene agua
gas qu
Anlisis de OrsatVelocidad de flujo
Composicin sobre una baseseca fracciones molares de un gas sin agu
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Ejemplo para pasar de base hmeda a base seca:Un gas de emisin contiene 60% de N2, 15 % de CO2 y 10% de O2y el restoagua. Calcular la composicin molar del gas sobre una base seca.
70,6 %17,6 %11,8 %
N2CO2O2
Ejemplo para pasar de base seca a base hmeda:Mediante un anlisis Orsat al gas de emisin se obtuvo la siguientecomposic65% de N2, 14 % de CO2, 11 % CO y 10% de O2. Las mediciones de humedmuestran que la fraccin molar de agua en el gas de emisin
la composicin molar del gas sobre una base hmeda.60,4 % N213,0 % CO210,2 % CO9,3 % O27,1 % H2O
es de 0,07. Ca
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23Conviene tener en cuenta las siguientes indicaciones:
1) Incluir el N2a la entrada y salida del reactor, asi como la del
sin reaccionar y el O2junto con los productos de reaccin a la
H2O, CO).
2) Si se conoce el exceso porcentual de aire, puede calcu
alimentado multiplicando el O2terico por (1 + exceso fraccion
Puede entonces calcularse el N2alimentado como 3,76 x O2a
el aire total alimentado resulta 4,76 x O2alimentado.
3) Si solo hay una reaccin involucrada, no resulta ni mas ni men
la formulacin de balances sobre especies moleculares
especies atmicas, a fin de calcular variables de proceso desco
ocurren varias reacciones en forma simultanea, sin embargo,
atmicos son mas convenientes.
BALANCE DE MATERIA EN REACCIONES DE COMBUSTIO
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Ejercicio 11: El aporte calorfico requerido en un determinado proceso se llevcabo utilizando butano como combustible. Para ello se introduce en la cmarcombustin 100 kmol/h de butano y 5000 kmol/h de aire seco.La reaccin esC4H10+ 13/2O24CO2 + 5H2O, con un 100 % de conversin
reactivo limitante. Hallar:a)b)
Flujo y composicin molar de los gases de combustin.%exceso de aire empleado.
SOLUCIN:
a) 5250 kmol/h degasesdecombustin
XO2=7,62%
= 75,24%XN2XCO2XH2O
= 7,62%= 9,52%
b) 61,55 %
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Ejercicio 12: En una planta depuradora, la etapa de digestin anaerobia delodos produce metano. ste es utilizado como combustible en un horno paraproducir energa. El horno se alimenta con 100 kmol/h de metano y 1200 kmde aire seco. La reaccin es CH4 + 2O2CO2 + 2H2O, con una conversin d
95% del reactivo limitante. Hallar:a)b)
Flujo y composicin molar de los gases de combustin.%exceso de aire empleado.
SOLUCIN:
a) 1300 kmol/h degasesdecombustin
XO2=4,77%
= 72,92%XN2XCO2XH2O
= 7,31%= 14,61%
b) 26 %
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Ejercicio 13: En la cmara de combustin de un horno se introduce metano cun 25 % de aire seco en exceso. Las reacciones que tienen lugar son:
CH4 + 2O2CO2 + 2H2O (1)CH4 + O2 HCOH + H2O (2)
La conversin total del metano es del 95% (reaccin 1 + 2), correspondiend95% del metano reaccionado a la reaccin 1 y el 5% a la reaccin 2. Hallar, eporcentaje de contaminante formaldehidocombustin.
(HCOH)enlacorrientedegasesd
SOLUCIN:
0,3868%
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Ejercicio 14: En la cmara de combustin de un horno se introduce etano co50 % de aire seco en exceso. Las reacciones que tienen lugar son:
C2H6 + 7/2O22CO2 + 3H2O (1)C2H6 + 5/2O22CO + 3H2O (2)
La conversin total del etano es del 90% (reaccin 1 + 2), correspondiendo 75% del etano reaccionado a la reaccin 1 y el 25%a la reaccin 2. Hallar:
base hmeda.a) Composicin molar de lab) Composicin molar de la
corrientecorriente
dede
salida ensalida enbase seca(anlisisOrsa
SOLUCIN:
a)base hmeda b)base seca
XC2H6= 0,37% XC2H6= 0,42%XO2=8,71% XO2=9,7%XN2= 74% XN2= 82,4%XCO2= 5,06%
= 10,12%XCO2= 5,6%
XH2O XCO= 1,9%XCO= 1,68%
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Ejercicio 15: En la cmara de combustin de un horno se introduce una corride composicin molar 95% metano y 5% de gases inertes. El combustible esoxidado con exceso de aire segn la reaccin CH4 + O2 CO2 + H2O. Laconversin del reactivo limitante es del 96%. La composicin molar del gas d
combustin es 0,30% CH4, 5,06% O2, 0,39% inertes, 72,81% N2, 7,15% CO214,29%H2O. Calcular, el % deexcesodeaireutilizadoenlacombustin.
SOLUCIN:
30,5%
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Ejercicio 16: Una va de produccin tradicional de cobre metlico consiste en hacreaccionar el mineral calcopirita (FeCuS2) con slice (SiO2) y aire,segn la reaccin:
FeCuS2 (s) + SiO2 (s) + 5/2O22SO2 + FeSiO3 (s) + Cu
aaltastempera
Las condiciones del proceso son:
----
Riqueza msica del mineral 75% (resto inertes)Slice en exceso del 20% respecto al reactivo limitante.
Aire en ecxeso del 50%.Conversin de la reaccin del 90%
Calcular:a) Produccin de Cu por tonelada de mineral.b) Composicin de los gases de salida del proceso.c) Flujo y composicin msica de escoria generada por tonelada de mineral.
Datos pesos moleculares (g/mol):SOLUCIN:
a) 233,74 kg/H
FeCuS2 (183,3), SiO2 (60), FeSiO3 (131,8), Cu
c)883,93 kg/hXFeCuS2 =8,48%b)XSO2= 10,34% X = 28,28%inertesX
XO2 = 8,62% = 8,35%SiO2XN2= 81,04% XFeSiO3 = 54,89%
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Ejercicio 17: - A temperatura de 300 C y presin de 50 atm, el cloruro denitrosilo (ClNO) reacciona con oxgeno para formar NO2, segn las reacciones
ClNO NO + Cl2 (1)NO + O2 NO2 (2)
La alimentacin se realiza en proporcin msica 1 kg ClNO/ 1,11 kg aire. El gde salida del proceso tiene la siguiente composicin volumtrica:3,5% O2, 56,3% de N2 y 35,91 del resto (NO+NO2+Cl2)a) Conversin de cada reaccin.b) Exceso de aire empleado.c) composicin molar del producto
4,29%ClNO
Calcular:
Datos pesos moleculares:
SOLUCIN:
aire(28,9g/mol), ClNO (65,5 g/mol)
c) XClNO =4,29%a)X(1)= 84,86%
= 95,4%XO2XN2
= 3,5%X(2) = 56,3%
= 1,1%b) 5,68% XNOXNO2= 22,94%XCl2= 12,02%
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Ejercicio 18: - Para la produccin de vapor de agua en una caldera se utiliza combustible de composicin: 82,1% C, 11,9% H, 1,0% S, 3,0% H2O, 2,0%En las condiciones de operacin, el 60% del C se oxida a CO2 y el resto a COcenizas, con aire en exceso del 50%.
90% del S a SO2 y el resto a SO3, el 100% del H a H2O. Hallar la composicinbasesecadel gas de chimenea.
SOLUCIN:
XO2 =9,15%XN2= 80,85%
XCO2= 5,97%XCO= 3,98%XSO2XSO3
= 0,04%= 0,004%
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