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.

FIQP-UNICA-2015-II ING. JUAN A. TOLEDO HUAMAN

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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


Reciclo


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


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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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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