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FUNDAMENTOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALESProfesor: Danny Guzmn [email protected] de MetalurgiaClase 3.

1. BALANCE DE MASA.Ejercicios Resolucin en Clases

En un proceso para fabricar jalea, la fruta macerada que tiene 14% en peso de slidos solubles, se mezcla con azcar (1,22 Kg Azcar/1,00 Kg fruta) y pectina (0,0025 Kg pectina/1,00 kg fruta). Considere el azcar y pectina como slidos solubles. La mezcla resultante pasa a un evaporador para producir una jalea con 67% en peso de slido soluble. Calcule, para una alimentacin de 1000 Kg/h de fruta macerada, los Kg/h de mezcla obtenida, los Kg/h de agua evaporada y los Kg/h de jalea producida.

1. BALANCE DE MASA.Resolucin:MEZCLADOREVAPORADOR1000 Kg/h FRUTA14% MASA SS1220 Kg/h AZUCAR100% MASA SS2,5 Kg/h PECTINA100% MASA SSM1X% SSM2 AGUAM3 FRUTA67% SSM1=1220+1000+2,5xM1=1220+2,5+1000*0,14M1=M2+M3XM1=0,67M3M1= 2222,5 Kg/hx= 61,3 % SSM2= 188,9 Kg/hM3= 2033,6 Kg/h

1. BALANCE DE MASA.Procesos con bypass o derivacin:Un bypass o derivacin se produce cuando una parte de la alimentacin de un proceso se desva, rodendolo, para juntarse con el producto del mismo proceso.ProcesoEntradaSalidaFlujo de derivacin

1. BALANCE DE MASA.El jugo de naranja fresco contiene 12,0% en masa de slidos y el resto es agua, y el jugo de naranja concentrado contiene 42,0% en masa de slidos. Al principio se usaba un solo proceso de evaporacin para concentrarlo, pero los constituyentes voltiles del jugo escapaban con el agua, y el concentrado perda sabor. El proceso actual resuelve este problema derivando (bypass) una fraccin del jugo fresco. El jugo que entra al evaporador se concentra hasta 58 % de slido y se mezcla con la corriente derivada de jugo fresco hasta lograr la concentracin deseada. Estime la cantidad de producto (concentrado al 42%) obtenido por cada 100 kg/h de jugo fresco alimentado al proceso y la fraccin de alimentacin que se desva del evaporador. (ignore cualquier evaporacin del jugo que no sea agua).Balance proceso con derivacin o bypass:

1. BALANCE DE MASA.EVAPBalance proceso con derivacin o bypass:1.- Trace un diagrama simple del proceso100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

1. BALANCE DE MASA.EVAPBalance proceso con derivacin o bypass:100 Kg/h12% masa

M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

2.- Escriba las ecuaciones qumicas involucradas si las hay


M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

3.- Seleccione una base para el clculoBase: 100 Kg/h


M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

4.- Determine las variables y ecuaciones que las relacionanVariables: M1, M2, M3, M4 y M5100 = M1 + M2M1 = M3+M40,12M1=0,58M4M4+M2=M50,58M4+0,12M2=0,42M5


M5 Kg/h42% masa

M4 Kg/h58% masa

M1 Kg/h12% masa

M3 Kg/hAGUA

M2 Kg/h12% masa

M1 =90,06M2= 9,94M3=71,43M4=18,63M5=28,575.- Proceda al balance de masa

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:Cuando se lleva a cabo una reaccin qumica dentro de un proceso, se complican los procedimientos de balance de materia.La ecuacin estequiomtrica de la reaccin impone restricciones sobre las cantidades relativas de reactivos y productos en las corrientes de entrada y salida.

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:C4H8 + 6O2+=> 4CO2+4H2O1).- Qu es un mol?2).- Esta balanceada la ecuacin ?4).- Cuntos gramos de O2 se necesitan para formar 400 g H2O ?3).- Cul es la relacin estequiomtrica entre el H2O y O2?5).- Se alimentan 20 g/min C4H8 y 50% reaccionan, Cul es la velocidad de formacin del H2O?

1. BALANCE DE MASA.Reactivos en exceso y limitantes:El reactivo que se agota cuando una reaccin procede hasta completarse se llama reactivo limitante, y los dems reactivos se llaman reactivos en exceso. La fraccin en exceso de un reactivo es la relacin entre el exceso y el requerimiento estequiomtrico..

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:C2H2 + 2H2=> C2H6Reactivo en exceso y limitante:Se alimentan 520 Kg de C2H2 y 100 Kg de H2. Determine cual de estos reactivos en el reactivo en exceso, su correspondiente fraccin en exceso. 1 Mol C2H2 => 2 Mol H220 KMol C2H2 => 50 KMol H2

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:Grado de Avance:Las reacciones qumicas no se llevan a cabo de manera instantnea y a menudo proceden con bastante lentitud.C2H2 + 2H2+=> C2H6

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:Supngase que se carga un reactor con 20 Kmol de C2H2, 50 Kmol de H2 y 50 Kmol de C2H6. Ms an, suponga que transcurrido cierto tiempo han reaccionado 30,0 Kmol de H2 Qu cantidades de cada especie habr en el reactor en ese instante?C2H2 + 2H2=> C2H6X = moles de H2 reaccionadosnH2= 50 xnC2H2=20-(x/2)nC2H6=50+(x/2)nH2= 20 KmolnC2H2=5 KmolnC2H6=65 Kmol

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:La reaccin de propileno con amoniaco y oxgeno produce acrilonitrilo:

C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O

La alimentacin contiene 10 mol % de C3H6, 12 % de NH3 y 78% Aire. Se logra una fraccin de conversin del 30% del reactivo limitante. Tomando 100 mol/min de alimentacin como base, determine cul es el reactivo limitante, el % en exceso de todos los constituyentes gaseosos producidos en una conversin del 30 % del reactivo limitante.

1. BALANCE DE MASA.Procesos con reacciones qumicas:C3H6+NH3+3/2O2=>C3H3N+3H2O

REACTOR100 mol/min

0,1 mol/min C3H60,12 mol/min NH3

0,78 mol/min aire16,4 mol/min O261,6 mol/min N2M mol/min

nC3H6 mol/min C3H6nNH3 mol/min NH3nO2 mol/min O2nN2 mol min N2nC3H3N mol/min C3H3NnH2O mol/min H2O


REACTOR100 mol/min



nC3H6 mol/min C3H6nNH3 mol/min NH3nO2 mol/min O2nN2 mol min N2nC3H3N mol/min C3H3NnH2O mol/min H2O1. Determinacin reactivo limitante:C3H6 y NH3:1 mol C3H6 => 1 mol NH30,1 mol C3H3 => 0,12 mol NH3C3H6 limitanteNH3 exceso


REACTOR100 mol/min



nC3H6 mol/min C3H6nNH3 mol/min NH3nO2 mol/min O2nN2 mol min N2nC3H3N mol/min C3H3NnH2O mol/min H2O1.- Determinacin reactivo limitante:C3H6 y O2:1 mol C3H6 => 1,5 mol NH30,1 mol C3H3 => 16,4 mol NH3C3H6 limitante


REACTOR100 mol/min

10 mol/min C3H612 mol/min NH3

78 mol/min aire16,4 mol/min O261,6 mol/min N2M mol/min

nC3H6 mol/min C3H6nNH3 mol/min NH3nO2 mol/min O2nN2 mol min N2nC3H3N mol/min C3H3NnH2O mol/min H2ODeterminacin fraccin en exceso NH3:NH3 esteq:1 mol NH3 => 1 mol C3H6X mol NH3 => 10 mol C3H6

10 moles NH3 FE NH3=2/10=0,2


REACTOR100 mol/min


78 mol/min aire16,4 mol/min O261,6 mol/min N2M mol/min

nC3H6 mol/min C3H6nNH3 mol/min NH3nO2 mol/min O2nN2 mol min N2nC3H3N mol/min C3H3NnH2O mol/min H2ODeterminacin fraccin en exceso O2:O2 esteq:1,5 mol O2 => 1 mol C3H6X mol O2 => 10 mol C3H6

15 moles O2 FE NH3=1,4/15=0,093


REACTOR100 mol/min


78 mol/min aire16,4 mol/min O261,6 mol/min N2Balance en base reactivo limitante:

M

nC3H6 = nC3H6 - xnNH3 = nNH3 - xnO2 = nO2 3/2xnN2 = nN2nC3H3N = nC3H3N + xnH2O = nH2O + 3x


REACTOR100 mol/min


78 mol/min aire16,4 mol/min O261,6 mol/min N2Como slo se consume un 30% del C3H6 tenemos:XC3H6=0,3*10=3 mol/min

M

nC3H6 = nC3H6 - xnNH3 = nNH3 - xnO2 = nO2 3/2xnN2 = nN2nC3H3N = nC3H3N + xnH2O = nH2O + 3x


REACTOR100 mol/min


78 mol/min aire16,4 mol/min O261,6 mol/min N2101,5 moles/min

nC3H6 = 7 mol/minnNH3 = 9 mol/minnO2 = 11,9 mol/minnN2 = 61,6 mol/minnC3H3N = 3 mol/minnH2O = 9 mol/minComo slo se consume un 30% del C3H6 tenemos:x=0,3*10=3 mol/min

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