balance de masa

TermodinTermodináámica 1 (EIQ 201)mica 1 (EIQ 201) 04/09/200804/09/2008

Profesor: Luis Vega AlarcProfesor: Luis Vega Alarcóónn 11

Balance de Masa

Termodinámica 1 (EII)Segundo semestre 2008

Profesor: Luis Vega Alarcón 2

Contenidos2.1 Principio de Conservación de la Masa2.2 Sistemas con múltiples unidades

Recirculación, Derivación y PurgaEscalamiento

2.3 Balance de Masa con Reacción Química

Reacciones múltiplesRendimiento y Selectividad

2.4 Balance atómico2.5 Reacción de Combustión

Conversión

Oxigeno teóricoCombustión completa e incompletaComposición en base húmeda y base seca

Ecuaciones estequiométricas y reactivo limitante

3

2.1 Principio de Conservación de la Masa

2.1 Principio de Conservación de la Masa

“La masa no se crea ni se destruye solo se transforma”

Este principio es aplicable a cualquier material, para la masa total del sistema o para cualquier especie atómica o molecular involucrada con éste. Aplicable a una única unidad de proceso, varias unidades, o a una planta o complejo industrial.

4

)()()()()( nAcumulacióConsumoSalidasGeneraciónEntradas =−−+

N corrientes de entrada

M corrientes de salida

Proceso químico

Para un proceso químico la ecuación general de balance de masa es:



5

Si el proceso opera en forma estacionaria (o permanente), no hay acumulación de materia dentro del sistema.

)()()()( ConsumoSalidasGeneraciónEntradas +=+

Los términos de generación y consumo son nulos si la cantidad sometida a balance es la masa total o si no es un reactivo o producto de reacción, o si no hay reacción química dentro del sistema:

)()( SalidasEntradas =

6

Sistema Abierto

N corrientes de entrada

M corrientes de salidas

Los balances de masas, de los proceso químicos que clasifican como sistemas abiertos, indican lo que sucede en un instante dado y cada uno de sus términos es un termino de velocidad, por ejemplo:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sSO gr 2

7

Sistema Cerrado

Por otra parte, los balances de masa para sistema cerrados describen lo qué ocurre entre dos instantes. Sus términos son cantidades de sustancia y posee las unidades correspon-dientes, por ejemplo:

[ ]2SO gr

8

Se sugiere el siguiente procedimiento para los cálculos de balance de masa, una vez conocida la descripción del proceso, el valor de varias variables de proceso, y la lista de cantidades a determinar (incógnitas):

Representar en un diagrama esquemático el proceso, las variables conocidas y las incógnitas.

1)

Elegir como base de cálculo una cantidad o flujo de una de las corrientes de proceso.

2)

Convertir volúmenes o flujos volumétricos conocidos a cantidades másicas o molares.

3)

Formular las ecuaciones de balance masa.4)El número máximo de ecuaciones linealmente indepen-dientes que pueden formularse para un sistema sin reacción química equivale al número de especies químicas presentes.



9

Para que el sistema de ecuaciones formulado tenga una solución única se deben tener un número de ecuaciones independientes igual al número de incógnitas. Si hay mas incógnitas que ecuaciones el sistema se encuentra subderteminado o subespecificado, si por el contrario hay mas ecuaciones que incógnitas el sistema esta sobre-determinado.

Resolver el sistema de ecuaciones formulado.

Traducir a ecuaciones toda otra información relacionada al proceso que sirva para resolver el problema.

5)

6)

10

Columnas de Destilación

11

Condensador

Rehervidor

Alimentación

Destilado

Fondo

Acumulador de Reflujo

12

Problema. Se alimenta a una columna de destilación 1000 mol/min de una mezcla con una composición 50% molar de benceno y el resto de tolueno, para obtener una corriente de destilado con un 98% molar de benceno, y una corriente de fondo con un 10% molar de benceno. Calcular el flujo molar de la corriente de destilado.

1000 mol/min

50% Benceno50% Tolueno

D98% Benceno

F10% Benceno

1) Representar un diagrama del proceso.



13

B.M. Total: FD1000 +=

B.M. Benceno: F 10.0D 98.0500 +=

B.C.: 1000 mol/min de la corriente de alimentación.

Resolución del sistema de ecuaciones:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=minmol55.454D

2) Elegir la base de cálculos.

3) No es necesario realizar transformaciones de unidades ya que todos los datos son expresados en términos de moles.

4) Formular balance de masas.

5)

1000 mol/min

50% Benceno50% Tolueno

D98% Benceno

F10% Benceno

14

Cuando se está analizando una parte del proceso integrado por múltiples unidades, los balances se deben formular primero sobre aquellos sistemas que tengan el menor número de variables desconocidas (incógnitas).

Reactor Separador

2.2 Sistemas múltiples unidades2.2 Sistemas múltiples unidades

15

Evaporadores

16

Un evaporador es una unidad de operación en el cual se pone en contacto indirecto una solución y vapor; el vapor calienta la solución y elimina por ebullición una porción del disolvente, dejando a la solución más concentrada.

H2O (Vap)

Solución Soluciónmás concentrada

H2O (Vap)



17

Un evaporador de múltiples efectos consiste en una serie de evaporadores conectados entre si (llamados efectos) a través de los cuales pasa una solución tornándose más concentrada en cada unidad.

18

Ejemplo (Nº37 Cap5). Un evaporador de triple efecto se emplea para producir agua potable a partir de agua de mar, la cual contiene 4.0% en peso de sal (la sal puede considerarse como formada exclusivamente por NaCl en este problema). Cuarenta mil libras por hora de agua de mar se alimenta al 1er efecto del evaporador. A continuación se incluye un diagrama simplificado del proceso.

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

H2O(v) H2O(v) H2O(v)

40000 lb/hr

4% peso de NaCl

2% molar de NaCl

Vapor Vapor Vapor

19

La composición de la solución que abandona el 3er efecto se mide con un medidor de conductividad eléctrica, calibrado a fin de proveer una lectura de la fracción molar de NaCl de la solución. Se obtiene una lectura de 0.02. Se elimina por ebullición aproximadamente la misma cantidad de agua en cada uno de los efectos. Calcular las lbm/hr de eliminación por ebullición en cada efecto y el porcentaje en peso de NaCl en la solución que abandona el segundo efecto.

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

H2O(v) H2O(v) H2O(v)

40000 lb/hr

4% peso de NaCl

2% molar de NaCl

Vapor Vapor Vapor

20

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% peso de NaCl

2% molar de NaCl

S3 S2

1) Representar un diagrama esquemático del proceso.

B.C.: 40000 lbm/hr de salmuera en la alimentación.2) Elegir la base de cálculos.

Conversión la composición molar a composición en peso. Tomando como base para esta conversión 100 lb-mol de salmuera a la salida del tercer efecto.

Compuesto n [lb-mol] P.M m [lb] % masicoNaCl 2 58,45 116,90 0,0621H2O 98 18,02 1765,96 0,9379

1882,86

3)



21

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% peso de NaCl

2% molar de NaCl

S3 S2

Considerando como sistema el evaporador completo:

3SM340000 :Total .M.B V +⋅=

3S(0.0621)00)(0.04)(400 :NaCl .M.B ⋅=

Resolviendo obtenemos:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

hrlbMy

hrlbS m

vm 4745257653

4) Plantear y resolver balances de masas.

22

Considerado como sistema al 3er efecto.

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% peso de NaCl

6.21% peso de NaCl

S3 S2

3.. SMS :Total MB V2 +=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=+=

hrlbS m

2 30510257654745

23

30510)40000)(04.0(

SNaCl de Masa

efecto 2º el en NaCl de peso en Fracción

2

==⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

Luego, el porcentaje en peso de NaCl en la solución que sale del segundo efecto es 5.24%.

0524.0efecto 2º el en NaCl de

peso en Fracción =⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

La cantidad de sal que entra al primer efecto es igual a la que sale del segundo efecto:

1er

EFECTO

2do

EFECTO

3er

EFECTO

Mv Mv Mv

40000 lb/hr

4% peso de NaCl

6.21% peso de NaCl

S3 S2

24

Evaporador Cristalizador con filtro

Alimentación fresca

Recirculación

H2OTorta

Intercambiadorde Calor

Derivación

Flujo de Alimentación

Comúnmente encontramos en los procesos de nuestro interés recirculaciones, derivaciones y purgas.

Recirculación, derivación y purga



25

ReactorCondensador

Purga

Purga es un flujo que se utiliza para eliminar una acumu-lación de sustancias inertes o indeseables que de otra mane-ra se acumularían en el flujo de reciclaje.

Tanto los puntos de mezcla como los puntos de separación cumplen el principio de conservación de la masa. 26

Escalamiento

Para un proceso balanceado los flujos másicos (pero no las fracciones másicas) de todas las corrientes pueden multiplicarse por un factor común y el proceso permane-cerá balanceado.

27

Cristalizador La operación de cristali-zación es aquella por media de la cual se separa un componente de una solución liquida transfiriéndolo a la fase sólida en forma de cristales que precipitan.

28

Ejemplo (Nº41 Cap5). Un proceso de evaporación-cristalización se emplea a fin de obtener sulfato de potasio sólido a partir de una solución acuosa de esta sal. La alimentación fresca al proceso contiene 18.6% en peso de K2SO4. La torta húmeda del filtro consiste de cristales sólidos de K2SO4 y una solución de K2SO4 al 40% en peso, según una relación de (10 lbm de cristales) por (1 lbm de solución). El filtrado, también una solu-ción al 40% en peso se recircula para que se una a la alimentación fresca. Se evapora un 42.66% del agua que entra al evaporador.

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2OTorta

Humeda

Filtro

H2O

Solución 40% K2SO4



29

Calcular la máxima cantidad de K2SO4 sólido producido, la cantidad de alimentación fresca que se debe suministrar para lograr esta producción y la relación (lbm de recircula-ción/lbm de alimentación fresca).

Si el evaporador posee una capacidad máxima de 100 lbm de agua evaporada por minuto:

Calcular la composición y el flujo de alimentación de la corriente que entra al cristalizador si el proceso se escala a un 75% de su capacidad máxima.

a)

b)

30

a)

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2OF1

F2

F3

F4

F5

Filtro

H2O

F6

F7

Torta SecaSolución 40%

Para tener la máxima producción de K2SO4 sólido es nece-sario evaporar la máxima cantidad de vapor, luego:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=minlb 100F m

3

31

B.C: 100 [lbm/min] de agua evaporada.Tomando como sistema el proceso completo.

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2OF1

F2

F3 = 100

F4

F5

Filtro

H2O

F6

F7


7631 FFFF :B.M.Total ++=

77142 F 4.0F 10F 186.0 :SOK.M.B +=71 F 11100F +=

71 F 4.10F 0.186 =32

71 F 11100F +=

71 F 4.10F 0.186 =

Resolviendo: minlb53.124F m

1 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

minlb23.2F m

7

Luego:⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

minlb3.22F m

6

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2O

124,53

F2

100

F4

F5

Filtro

H2O

22,302,23




33

Considerando como sistema el punto de mezcla:

25 FF53.124 :B.M.Total =+

FxF6.0)53.124(814.0 :B.M.Agua 2)2(OH5 2=+

Como se evapora 42.66% del agua que entra al evaporador:100Fx4266.0 2)2(OH2 =⋅⋅

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2O

124,53

F2

100

F4

F5

Filtro

H2O

22,302,23


Solución 40% K2SO4

34

2)2(OH5 FxF6.034.1012

=+

25 FF53.124 =+

Resolviendo las tres ecuaciones anteriores, encontramos:

100Fx4266.0 2)2(OH2 =⋅⋅

minlb32.346F m

2 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

minlb79.221F m

5 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

677.0)32.346)(4266.0(

100x )2(OH2==

Luego, la relación de reciclaje es:

( )( ) 78.1

minlb53.124

minlb79.221

fresca entaciónlima de lbiónrecirculac de lb

m

m

m

m =

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

=

35

b) Considerando como sistema el evaporador:

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2O

124,53

F2

100

F4

F5 =221,79

Filtro

H2O

22,302,23


Solución 40% K2SO4

4F10046.323 :Total B.M. += ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

minlb32.246F m

4

)32.246(x346.32)(0.677)-1( :SOK .M.B )4(SOK42 42=

( ) 454.032.246

)32.346(677.01x )4(SOK 42=

−= 36

Al escalar el proceso a un 75% tendremos que el flujo de alimentación será el 75% del que calculamos, mientras que todas la composiciones permanecen iguales.

546.0 OH de peso en Fracción454.0SOK de peso en Fracción

minlb74.184)32.246)(75.0(F

2

42

m*4

==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡==

Cristalizador

Evaporador

18.6% K2SO4

81.4% H2O

93,40

F2

75 lb/min

184,74

F5 =166,34

Filtro

H2O

16,701,67


Solución 40% K2SO4



37

“La aparición de una reacción química en un proceso impone las restricciones adicionales entregada por la ecuación estequiométrica de la reacción”

)Consumo()Salida()Generación()Entrada( +=+



38

La estequiometría es la teoría de las proporciones en las que se combinan entre sí las especies químicas.

La ecuación estequiométrica de una reacción química es una afirmación acerca de la cantidad relativa de moléculas o moles de reactivos y productos que participan en la reacción.

322 SO2 OSO2 →+Los coeficientes estequiométricos son los números que preceden a las formulas de las especies participantes en la reacción.

Una ecuación estequiométrica debe estar balanceada para ser válida; es decir, el número de átomos de cada especie atómica debe ser el mismo a ambos lados de la ecuación, ya que los átomos no se crean ni se destruyen durante la reacción química.

39

Proporciones estequiométricas. Corresponde a la situación en que la relación de los moles de los reactivos presentes es equivalente a la relación estequiométrica obtenida a partir de la ecuación balanceada de la reacción. Si los reactivos se alimentan a un reactor en proporción estequiométrica y la reacción se completa, todos los reactivos se consumen.Reactivo limitante. Se define al reactivo que está presente en una proporción menor que la estequiométrica respecto de los otros reactivos. Significa que al correr completamente la reacción este reactivo será el que primero desaparezca.Reactivo en exceso. Son todos los restantes reactivos.

( )100

nn - n

reactivo) un de exceso en (%est

est ⋅=

nest: lo define el reactivo limitante. 40

La fracción de conversión de un reactivo (f) se define como:

limitante reactivo del salimentado moleslimitante reactivo del consumidos moles f =

La fracción sin reaccionar del reactivo esta dado por (1 - f).

Las reacciones químicas no se llevan a cabo en forma instantánea, es más, muchas de ellas son muy lentas. Por esta razón en muchos casos, no resulta practico diseñar un reactor para una conversión completa del reactivo limitante.

Conversión



41

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas.

Reactores

42

Los reactores de tanque ( autoclaves ) son los reactores que más prevalecen, pues se adaptan bien a la operación discon-tinua o continua y a velocidades de producción pequeñas o medias, dentro de un amplio intervalo de presiones y temperaturas.

43

Tanque con agitación continua. Este reactor consiste en un tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccio-nado. La agitación del contenido es esencial para producir una mezcla uniforme de los reactivos.

44

Problema (Nº53 Cap5). En una planta industrial se lleva a cabo la reacción entre el metanol y el oxígeno para formar formaldehído y agua, produciéndose cinco millones de kilogramos de formaldehído por año, operando 350 días al año, 24 horas al día. El oxigeno alimentado al reactor se halla en un 25% de exceso respecto de la cantidad requerida teóricamente para la reacción con la alimentación de metanol, y la conversión de metanol es de 95%. Calcular la alimentación de oxigeno requerida en kg/h.

Metanol

25% exceso

ReactorO2

5 · 106 kg/año de formaldehído

OH2 OCH2 O OHCH2 2223 ⋅+⋅→+⋅



45

25% excesoO2

CH3OHReactor

5 · 106 kg/año de CH2O

Calculo de los kg-mol/hr de formaldehído n3.

n2

n1n3

[ ][ ]

[ ][ ]

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⋅⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅

=hr

molkg82.19

molkgkg03.30

hr 24día 1

día 350año 1

añokg10 5

n

6

3

46

25% excesoO2

CH3OHReactor

19.82 kg-mol/hrCH2O

n2

n1n3

Calculo del CH3OH alimentado.

[ ][ ]

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

−−

⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

hrOHCH de molkg82.19

OCH de molkg 2OHCH de molkg 2

hrOCH de molkg 82.19n

3

2

32)Est(OHCH3

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −

=hr

OHCH de molkg86.2095.0

hrOHCH de molkg82.19

n 3

3

1

OH2 OCH2 O OHCH2 2223 ⋅+⋅→+⋅

47

Calculo del O2 alimentado al reactor.

[ ][ ]

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

−−

⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

hrO de molkg13.04

OHCH de molkg 2O de molkg 1

hrOHCH de molkg

)86.20)(25.1(n

2

3

232

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

hrkg28.417

molkgkg32

hrO de molkg13.04m 2

2

Luego, el flujo másico del O2 en la alimentación es:

OH2 OCH2 O OHCH2 2223 ⋅+⋅→+⋅

48

Reactor

Recirculación con los reactivos no consumidos

Unidad de Separación

Entrada de reactivo al proceso

ProductoAlimentación Fresca

Una configuración comúnmente utilizada para recuperar los reactivos no consumidos es colocar a la salida del reactor una unidad de separación.

Conversión global y por paso



49

Para este arreglo se emplean dos definiciones de conversión del reactivo limitante :

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

proceso al reactivode Entradaproceso

del reactivode Salida

proceso al reactivode Entrada

global Conversión

Reactor





50

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

reactor al reactivode Entradareactor

del reactivode Salida

reactor al reactivode Entrada

paso por Conversión

Reactor





51

Reacciones MúltiplesEn la mayoría de los procesos químicos, se mezclan los reactivos con el objeto de obtener el producto deseado en una única reacción; sin embargo, los reactivos suelen combinarse en más de una forma, y el producto una vez formado puede a su vez reaccionar para formar algo menos deseable. Estas reacciones laterales tienen como resultado una pérdida económica, ya que se obtiene menos producto deseado para una cantidad dada de materias primas.

4636242

4262

24262

CH HC HC HC2CH H HC

H HC HC

+→+

→+

+→

52

Los términos rendimiento y selectividad se emplean para describir el grado en que predomina una reacción deseada sobre las reacciones laterales que compiten con ella.

( )indeseado producto de formado Molesdeseado producto de formado MolesadSelectivid

limitante reactivo del consumido Molesdeseado producto de formado Moles

reactivo de consumo el en

basado oRendimient

limitante reactivo del alimentado Molesdeseado producto de formado Moles

ónalimentaci la en basado oRendimient

=

=⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛



53

Como los átomos no pueden crearse ni destruirse en una reacción química, los balances sobre especies atómicas pueden formularse simplemente como:

)Salida()Entrada( =

Los balances sobre especies atómicas son recomendables cuando ocurren varias reacciones en forma simultánea.

2.4 Balance atómico2.4 Balance atómico

54

Problema (Nº61 Cap5). Se produce óxido de etileno me-diante la oxidación catalítica de etileno:

OHC OHC 42221

42 →+

Una reacción competitiva indeseable es la combustión del etileno: OH22CO O3HC 22242 +→+

La alimentación al reactor (no la alimentación fresca al proceso) contiene 75% molar de C2H4 y el resto de O2. La conversión fraccionaria de etileno en el reactor es 20%, y el rendimiento del oxido de etileno, en base al etileno consumido, es de 80%. Se emplea una unidad de separación para separar los productos: se recirculan el C2H4

y el O2 nuevamente al reactor; el C2H4O se vende como producto, mientras que el CO2 y el H2O se descartan.

55

Reactor

Sep

arad

or

C2H4

O2

C2H4

O2

75% C2H4

25% O2

CO2

H2O

1500 kg/hr C2H4O

Calcular el flujo molar de O2 y C2H4 en la alimentación fresca necesarios para producir 1500 kg/hr de C2H4O. También, calcular la conversión global y el rendimiento global basado en la alimentación de etileno.

Dato: El peso molecular del oxido de etileno es 44.05. 56

Reactor

Sep

arad

or

C2H4

O2

C2H4

O2

75% C2H4

25% O2

CO2

H2O

1500 kg/hr C2H4O¿?

OHC OHC 42221

42 →+

OH22CO O3HC 22242 +→+

La conversión

Las reacciones

20% de conversión del etileno

Sustancias no reactivas



57

B.C.: 1500 kg/hr de C2H4O producido.

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

=hr

molkg05.34

molkgkg05.44

hrkg1500

n6

Reactor

Sep

arad

or

n2 C2H4

n1 O2

n5 C2H4

n4 O2

75% C2H4

25% O2

n7 CO2

n8 H2O

C2H4On4 O2

n5 C2H4

n6 C2H4On7 CO2

n8 H2O

n31500 kg/hr

OHC OHC 42221

42 →+

OH22CO O3HC 22242 +→+

58

Considerando al reactor como sistema:

B.A.C: (1) 753 n)2)(05.34()2(n)2(n)75.0( ++⋅=⋅⋅

B.A.H: (2) )2(n)4)(05.34()4(n)4(n)75.0( 853 ⋅++⋅=⋅⋅

B.A.O: (3) 8743 n)2(n05.34)2(n)2(n)25.0( +⋅++⋅=⋅⋅

Reactor

Sep

arad

or

n2 C2H4

n1 O2

n5 C2H4

n4 O2

75% C2H4

25% O2

n7 CO2

n8 H2O

34,05 C2H4O

n4 O2

n5 C2H4

n6 C2H4On7 CO2

n8 H2O

n3

59

Reactor

Sep

arad

or

n2 C2H4

n1 O2

n5 C2H4

n4 O2

75% C2H4

25% O2

n7 CO2

n8 H2O

34,05 C2H4O

n4 O2

n5 C2H4

n6 C2H4On7 CO2

n8 H2O

n3

La fracción de conversión del 20%

353

53

42

42

n6.0n n75.0

nn75.02.0

)HC de alimentado moles()HC de consumidos moles(onversiónc de Fracción

=⇒−

=

=

(4)60

El rendimiento del etileno en base al etileno consumido es del 80%.

5353

42

42

n8.00.6n34.05 nn75.0

05.348.0

)HC de consumidos moles(O)HC de formados (molesientodimnRe

−=⇒−

=

=

(5)

Reactor

Sep

arad

or

n2 C2H4

n1 O2

n5 C2H4

n4 O2

75% C2H4

25% O2

n7 CO2

n8 H2O

34,05 C2H4O

n4 O2

n5 C2H4

n6 C2H4On7 CO2

n8 H2O

n3



61

Resolviendo el sistema de 5 ecuaciones obtenemos:

[ ][ ][ ]molkg25.170n

molkg37.28nmolkg75.283n

5

4

3

−=−=−=

[ ][ ]molkg03.17n

molkg03.17n

8

7

−=−=

62

Considerando el punto de mezcla como sistema:

B.M. al O2:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=⇒=+hr

molkg57.42n )75.283)(25.0(37.28n 11

B.M. al C2H4 :

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=⇒=+hr

molkg56.42n )75.283)(75.0(25.170n 22

Reactor

Sep

arad

or

n2 C2H4

n1 O2

n5 C2H4

n4 O2

75% C2H4

25% O2

n7 CO2

n8 H2O

C2H4On4 O2

n5 C2H4

n6 C2H4On7 CO2

n8 H2O

n3 34.05

63

%100100n

0nGlobal

Conversión

100

proceso al alimentadoreactivos de Moles

proceso del salen quereactivo de Moles

-proceso al alimentado

reactivos de Moles

Global Conversión

2

2 =⋅−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⋅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

%8010056.4205.34

Global ientodimnRe

100HC de salimentado Moles

deseado producto del formados MolesGlobal

ientodimnRe

42

=⋅=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⋅=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

Luego, en la alimentación fresca se tienen 42.57 kg-mol/hr de O2 y 42.56 kg-mol/hr de C2H4.

La conversión y rendimiento global son:

64

La reacción de combustión debe ser una de las más importantes en la industria de procesos relacionados con las transformaciones de la materia. Su importancia radica en la gran cantidad de calor que libera, calor que se emplea generalmente para producir vapor, el cual posteriormente se ocupa para satisfacer requerimientos específicos de la planta industrial.

2.5 Reacción de Combustión2.5 Reacción de Combustión

La combustión es la reacción química de un combustible con oxigeno. O2

Combustible

Cámara de Combustión

(Reacción Química)Gases de Chimenea

Calor



65

Caldera

66

67

Los combustibles comúnmente empleados ( ya sean sóli-dos, líquidos o gaseosos) están conformados principalmente por carbono, hidrógeno, azufre y materiales no combustibles.

El aire es la fuente de oxígeno en la mayoría de las reacciones de combustión. La composición molar del aire es:

Compuesto % molarN2 78,03O2 20,99Ar 0,94CO2 0,03H2, He, Ne,Kr, Xe 0,01

Para efecto de cálculo resulta aceptable simplificar la composición a 79% molar de N2 y 21% de O2, con un peso molecular de 29. 68

El producto gaseoso que abandona la cámara de combustión se conoce como humos, gases de combustión o gases de chimenea. La composición de estos gases se expresa sobre las siguientes bases:

Composición en base húmeda. Corresponde a la fracción molar de los componentes de un gas considerando al agua (vapor) contenida en el gas.Composición en base seca. Corresponde a la fracción molar de los componentes de un gas sin considerar el agua.



69

En la reacción de combustión (reacción química) los elementos constituyentes del combustible reaccionan para formar:

C

H

S

CO2

SO2

H2O

N NOx

COy/o

A temperaturas > 1800 ºC

70

Si la reacción de combustión evoluciona formando solamente CO2 se denomina combustión completa. Ejemplo: Combustión completa del propano.

OH4CO3 O5HC 22283 ⋅+⋅→⋅+

OH4CO3 OHC 2227

83 ⋅+⋅→⋅+

Si la reacción de combustión evoluciona formando CO se denomina combustión parcial o combustión incomple-ta. Ejemplo: Combustión parcial del propano

71

Las reacciones de combustión se lleva invariablemente a cabo en presencia de exceso de aire respecto a la cantidad necesaria para proveer oxigeno en proporción estequio-métrica al combustible.

Oxígeno teórico. Son los moles o flujo molar de O2

necesario para una combustión completa de todo el combustible alimentado al reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida a CO2 y todo el hidrógeno se oxida a H2O. Aire teórico es la cantidad de aire que contiene al oxígeno teórico.

500 mol ¿ ? OH4CO3 O5HC 22283 ⋅+⋅→⋅+

72

Ejemplo. Se queman 1000 [mol/s] de etano con oxígeno en exceso. Determine la cantidad de oxígeno teórico:

Si el combustible reacciona completamente formando solamente CO2 y H2O. OH 3CO 2 OHC 2222

762 +→+

a)

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡==⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛s

mol 3500)1000)(5.3(TeóricoOxígeno

Si solo el 80% del combustible reacciona formando sola-mente CO2 y H2O.

b)

Si el 50% del combustible reacciona formando CO2 y el restante 50% forma CO.

c)

OH 3CO 2 OHC 2223

62 +→+

El mismo.

El mismo.



73

Aire en exceso. Es la cantidad en que el aire alimentado al reactor excede al aire teórico

100

teorico O de Moles

teorico O de Moles

alimentado O de Moles

exceso en O

de Porcentaje

2

22

2⋅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

74

Problema (Nº73 Cap5). Se quema hexano con exceso de aire. Un análisis del gas producto da la siguiente compo-sición molar en base seca:

Calcular el exceso porcentual de aire alimentado al reactor y la conversión fraccionaria del hexano.

Compuesto N2 CO2 O2 C6H14

% molar 83 9.1 7.6 0.3

C6H14

Aire en exceso

Gas Producto

83% N2

9.1% CO2

7.6% O2

0.3% C6H14

H2O

75

B.C.: 100 moles base seca de gas producto.

C6H14

Gas Producto

83 mol N2

9.1 CO2

7.6 O2

0.3 C6H14n1

n2 O2

[ ]mol 06.22n 83n2179

22 =⇒=B.M. N2 :

[ ]mol 817.1n)6)(3.0()1)(1.9(n6

1

1

=+=B.A. C :

83.0817.1

3.0817.1HC de

iafraccionar Conversión

146=

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Luego:76

[ ] [ ][ ] [ ]mol26.17

HC mol1O mol5.9HC mol1.817 teorico O

146

21462 ==

Con los 1.817 [mol] de hexano obtenidos calculamos el oxigeno teórico:

%81.2710026.1717.26-22.06 aire de exceso en % =⋅=

OH 7CO 6 O2

19HC 222146 +→+



77

PROBLEMAS RESUELTOS

78

Problema. A una columna de separación instantánea se alimentan 1000 [lt/min] de una mezcla líquida de benceno y n-hexano con una concentración del 60% en peso de benceno. Por el fondo de la columna salen 400 [lt/min] de una mezcla líquida con una concentra-ción del 80% molar de benceno. Determine el flujo molar y composición en % molar de la corriente de tope.

Col

umna

de

Sep

arac

ión

Inst

anta

nea

Alimentación

Tope

Fondo

1000 [lt/min]60% peso Benceno

400 [lt/min]80% molar Benceno

¿T [mol/min] ?¿% molar ?

79

De la tabla de propiedades físicas: PM Densidad[gr/cm3]

Benceno 78,11 0,879n-hexano 86,17 0,659

659.040.0

879.060.0

ρ1M

+= 775.0ρM =

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minkg775

ltkg775.0

minlt1000

ónAlimentaciMasico Flujo

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minkg465

minkg775)6.0(

ónAlimentacien Benceno

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −minkg310

minkg775)4.0(

ónAlimentacien Hexanon

80

n [mol] PM m [gr] % pesoBenceno 80 78,11 6248,8 78,38n-hexano 20 86,17 1723,4 21,62

7972,2

Conversión de % molar a % peso corriente de fondo:

659.02162.0

879.07838.0

ρ1M

+= 8198.0ρM =

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minkg93.327

ltkg8198.0

minlt400

FondoMasico Flujo

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minkg03.257

minkg93.327)7838.0(

Fondoen Benceno

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −minkg90.70

minkg93.327)2162.0(

ónAlimentacien Hexanon



81

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minkg07.447

minkg)93.327775(

TopeMasico Flujo

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minkg97.207

minkg)03.257465(

Topeen Benceno

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −minkg1.239

minkg)9.70310(

Topeen Hexanon

kg PM kg-mol % molarBenceno 207,97 78,11 2,66253 48,97n-hexano 239,10 86,17 2,77475 51,03

5,43727

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡minmol27.5437

TopeMolar Flujo

Luego:

82

Problema (Nº15 Cap5). Fluye agua líquida y aire a un humidificador, en el cual el agua se evapora por completo. El aire entrante contiene 1% molar de H2O(v), 20.8% de O2 y el resto de N2. El aire humidificado contiene 10% molar de H2O. Calcular el flujo volumétrico (pie3/min) de líquido requerido para humidificar 200 (lb-mol/min) de aire entrante.

Humidificador

200(lb-mol/min) de aire1% molar de H2O(v)

H2O(l)n1n3

Aire húmedo10% molar de H2O(v)

B.C.: 200(lb-mol/min) de aire entrante.

312

31

n)10.0(n)(0.01)(200 :OH .M.Bnn200 :total B.M.

=+

=+

32

1

83

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=

ρ

⋅=

ρ=

minpie77.5

pielb4.62

mollblb18

minmollb20

)l(agua de co VolumetriFlujo

PMnm)l(agua de co VolumetriFlujo

3

3m

m

agua

agua1

agua

1

Corriente 1 2 3Flujo [lb-mol/min] 20,0 200,0 220,0Oxigeno [lb-mol/min] 41,6 41,6Nitrogeno [lb-mol/min] 156,4 156,4Agua [lb-mol/min] 20,0 2,0 22,0

Resumen:

Resolviendo el sistema encontramos:

min

mol-lb202n y min

mol-lb20n 31 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

84

Problema (Nº26 Cap5). La alimentación a un reactor de combustión debe contener 8% molar de CH4. Para producir esta alimentación, se mezcla con aire un gas natural que contiene 85% en peso de CH4 y 15% en peso de C2H6. Calcular la relación (moles de gas natural/moles de aire).

MezcladorAire

Gas natural8% molar CH4

85 % peso CH415 % peso C2H6

Conversión de % en peso a % en moles.B.C. 100 g de gas natural.

Compuesto gramos PM moles fracc. molarMetano (CH4) 85 16,03 5,303 0,914Etano (C2H6) 15 30,05 0,499 0,086

5,802



85

100 + n1Gas natural

B.C. 100 moles de aire.

MezcladorAire

8% molar CH4

91.4 % molar CH48.6 % molar C2H6

n1

( )[ ]mol59.9n

n10008.0n914.0

1

11

=

+=⋅B.M. al CH4;

Luego:

0959.0100

59.9aire de Molesnatural gas de Moles

==

86

Problema. Considerando el siguiente proceso compuesto por dos columnas de destilación, para tratar una mezcla de tres componentes, donde se conoce la composición (porcentaje en peso) de todas las corrientes de entrada y salida, como muestra la figura.

61.9% A 5.0% B 33.1% C

15.2% A 80.8% B 4.0% C

0.5% A 5.5% B 94.0% C

20% A 30% B 50% C F

100 lb

P1 P2

W

Columna 1

Columna 2

Para 100 lb de alimentación determine las cantidades de las corrientes de salida (P1, P2 y W), y las cantidades de A, B y C recuperada en cada una de estas corrientes.

87

B.C. 100 lb de alimentación.

B.M. Total (1) WPP100 21 ++=

B.M. al componente A (2) W005.0P152.0P619.020 21 ⋅+⋅+⋅=

B.M. al componente B (3) W055.0P808.0P050.030 21 ⋅+⋅+⋅=

Resolviendo el sistema obtenemos:

[ ] [ ] [ ]lb43.4 W y lb7.32P ,lb9.23P 21 ===

Considerando como sistema todo el proceso

Con estos resultados y la composición de las corrientes obtenemos la cantidad de cada compuesto en cada una de las corrientes.

88

Corriente P1 P2 W[lb] 23.9 32.7 43.4

Compuesto % [lb] % [lb] % [lb]A 61.9 14.8 15.2 5.0 0.5 0.2B 5.0 1.2 80.8 26.4 5.5 2.4C 33.1 7.9 4.0 1.3 94.0 40.8



89

Problema (Nº31 Cap5). Se alimenta a una columna de absorción una mezcla gaseosa que contiene 15% molar de CS2, 17.8% molar de O2 y 67.2% molar de N2. La mayor parte del CS2 se absorbe en el benceno líquido alimentado por la parte superior de la columna. Parte del benceno que entra como líquido se evapora y abandona la columna como vapor por la parte superior de esta. Si el gas que abandona la columna contiene 2% molar de CS2 y 2% molar de benceno. ¿Cuál es la fracción recuperada de CS2?

90

Benceno líquido

n1 2% CS2

2% Benceno96% N2 y O2

100 moles

15,0% CS2

17,8% O2

67,2% N2

n3

n2

Benceno líquidoCS2

B.C.: 100 moles de gas de alimentación.

B.M.: Gases no absorbido

2n 0.96 (100) )672.0178.0( =+

[ ]mol 54.88n2 =

88.0)15.0)(100(

)02.0)(54.88()15.0)(100(ónRecuperaci

de Fracción=

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

91

Problema (Nº52 Cap5). En el proceso Deacon para la producción de cloro, el HCl y O2 reaccionan para formar Cl2y H2O. Se alimenta suficiente aire al reactor como para proveer un 40% de exceso de oxigeno, y la conversión del HCl es de 70%. Calcular:a) La composición molar de la corriente producto.b) La composición molar de Cl2 en el gas que permanecería si toda el agua del gas producto se condensara.

HCl

Aire

40% exceso

OHClOHCl 222 +→+Reactor

a) B.C. 100 moles de HCL en la alimentación.

92

Aire

HCl

40% exceso

100 mol

n1 (O2) OHClOHCl2 22221 +→+⋅

n6 (H2O)

n2 (HCl)n3 (O2)n4 (N2)n5 (Cl2)

Reactor

Calculo de los moles estequiométricos de O2.

[ ] [ ][ ] [ ]2

2est O de mol25

HCL de mol2O de mol5.0HCL de mol100n ==

Calculo de los moles de O2 en la alimentación. Como el aire se alimenta en un 40% en exceso.

[ ] [ ]21 O de mol35mol)25)(4.1(n ==

Calculo de los moles de N2. Como el N2 es inerte los moles alimentados y de salida son iguales.

[ ] [ ][ ] [ ]2

2

224 N de mol7.131

O de mol21N de mol79O de mol35n ==



93

[ ] [ ]HCl de mol30HCl de mol)100)(7.01(n2 =−=

Como la conversión del HCl es 70%:

[ ] [ ][ ] [ ]

[ ] [ ][ ] [ ]OH de mol35

HCl de mol2OH de mol1HCl de mol)100)(70.0(n

Cl de mol35HCl de mol2Cl de mol1HCl de mol)100)(70.0(n

22

6

22

5

==

==

Aire

HCl

40% exceso

100 mol

n1 (O2) OHClOHCl2 22221 +→+⋅

n6 (H2O)

n2 (HCl)n3 (O2)n4 (N2)n5 (Cl2)

Reactor

94

Para calcular los moles de O2 en la corriente producto desarrollamos un balance molecular al O2.

[ ] [ ] [ ][ ]

[ ]mol5.17nHCl de mol2

O de mol5.0HCL de mol)100)(70.0(n0O de mol35

3

232

=

+=+

Aire

HCl

40% exceso

100 mol

n1 (O2) OHClOHCl2 22221 +→+⋅

n6 (H2O)

n2 (HCl)n3 (O2)n4 (N2)n5 (Cl2)

Reactor

)Consumo()Salida()Generación()Entrada( +=+

95

Compuesto moles Frac. MolarHCl 30,0 0,12O2 17,5 0,07N2 131,7 0,53Cl2 35,0 0,14H2O 35,0 0,14

249,2 1,00

La composición molar de la corriente producto.

b)

[ ] [ ]

[ ][ ] 163.0

seca base en totales moles2.214Cl de mol35

producto corriente la enCl de molar Fracción

mol2.214mol)352.249(producto corriente la en

seca base en totales Moles

22 ==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

96

Problema (Nº58 Cap9). Se produce metanol haciendo reaccionar monóxido de carbono con hidrógeno. Una porción del metanol que abandona el reactor se condensa, recirculándose al reactor el CO y H2 sin consumir así como el CH3OH sin condensar. La corriente de salida del reactor fluye con un flujo de 300 mol/min, y contiene 10% en peso de H2, 62.0% en peso de CO y 28% en peso de CH3OH. La fracción de metanol en la corriente de recirculación es de 0.006. Calcular los flujos molares de CO y H2 en la alimentación fresca, y la velocidad de producción de metanol.



97

Reactor Condensador

Alimenta-ción

FrescaCOH2

Recirculación

Producto

CH3OH (liq)

COH2

CH3OH

300 mol/min62% peso CO 10% H2

28% CH3OH

xMetanol = 0,006

Tomando como base, para la conversión de % en peso a % en moles, 100 gramos a la salida del reactor:

Compuesto [gr] PM [mol] % molarH2 10 2,016 4,960 0,616CO 62 28,01 2,213 0,275CH3OH 28 32,04 0,874 0,109

8,048 1,000 98

B.C.: 300 mol/min que salen del reactor.

Reactor Condensador

AlimentaciónFresca

n1 COn2 H2

n4 Recirculación

Producto

n3 CH3OH

COH2

CH3OH

300 mol/min0,275 molar CO 0,616 H2

0,109 CH3OH

xMetanol = 0,006

Tomando como sistema el condensador:

B.M. al CO y H2:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

⋅=+

minmol91.268n

n994.0)616.0)(300()275.0)(300(

4

4

99

B.M. al CH3OH:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

+=

minmol09.31n

n)91.268)(006.0()109.0)(300(

3

3

Reactor Condensador

AlimentaciónFresca

n1 COn2 H2

n4 Recirculación

Producto

n3 CH3OH

COH2

CH3OH


0,109 CH3OH

xMetanol = 0,006

Luego la velocidad de producción de Metanol es de 31.09 mol/min.

100

Balances sobre el sistema total:

B.A. al C: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⇒⋅=⋅minmol09.31n )1(n)1(n 131

Reactor Condensador

AlimentaciónFresca

n1 COn2 H2

n4 Recirculación

Producto

n3=31,09 CH3OH (liq)

COH2

CH3OH


0,109 CH3OH

xMetanol = 0,006

B.A. al H: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡==⇒⋅=⋅

minmol18.62)2)(09.31(n )4(n)2(n 232

Luego, la alimentación fresca esta compuesta de 31.09 [mol/min] de CO y 62.18[mol/min] de H2.



101

Problema (Nº 74 Cap5). Se alimenta un flujo de 12 [lt/hr] de metanol (CH3OH) líquido a una cámara de combustión, donde se quema con aire en exceso. Se analiza el producto gaseoso, determinándose los siguientes porcentajes molares en base seca:

2.40CO7.10CO2

0.90CH3OH% molarCompuesto

Calcular la conversión fraccionaria del metanol.

Calcular el flujo de agua, en [mol/hr], en el producto gaseoso.

a)b)

102

Cámara de combustión

12 [lt/hr] CH3OH

n0 de O2

n1 moles de gas seco/hr0.009: CH3OH0.071: CO20.024: CO

x: N20896 – x: O2

n2 moles de H2O/hr

B.C. 12 [lt/hr] de CH3OH en la alimentación:Desde la tabla de propiedades físicas para el Metanol:

04.32PM y 792.0ρ lativaRe ==

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

hrkg504.9

ltkg0.1792.0

hrlt12m

103

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

==hr

mol297hr

molkg297.0

molkgkg04.32

ltkg504.9

PMmn

El flujo molar de Metanol que ingresa a la cámara:

a)B. A. al C:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

++⋅=

hrmol77.2855n

)024.0071.0009.0(n297

1

1

[ ][ ]metanol de salimentado Moles

metanol de reaccionan que Molesmetanol de

Conversión=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

104

b)B. A. al H:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

⋅+⋅⋅=⋅

hrmol60.542n

n2)4(009.077.2855)4(297

2

2

El flujo molar de agua que sale en el producto gaseoso es:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

hrmol60.542

( )913.0

29777.2855009.0297

metanol deConversión

=⋅−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

La conversión fraccionaria del Metanol es:



105

PROBLEMAS RESUELTOS EN CLASES

106

Problema Nº1 (Nº60 Cap5). Se convierte benceno (C6H6) a ciclo-hexano (C6H12) por adición directa de H2. La planta produce 100 [lb-mol/hr] de ciclohexano. Noventa y nueve por ciento del benceno alimentado al proceso reacciona para producir ciclohexano. La composición de la corriente de entrada al reactor es de 80% molar de H2 y 20% de C6H6, y la corriente producto contiene 3% molar de H2.

CondensadorReactor

H2 FrescoH2 Recirculado

C6H6

Fresco20% C6H6

80% H2

Producto con 3% de H2

Calcular:a) La composición de la corriente producto.b) Los flujos de alimentación fresca de C6H6 y de H2.c) El flujo de la recirculación.

126266 3 HCH HC →+

107

Problema Nº2 (Nº77 Cap5). Se quema una mezcla de 70% molar de butano y 30% molar de hidrógeno, con un 25% de exceso de aire. Se obtienen conversiones de 80% para el butano y 99% para el hidrógeno; del butano que reacciona, 90% forma CO2 y 10% forma CO. Calcular la fracción molar del agua en el producto gaseoso.

108

Problema Nº3. Se queman 1000 mol/min de una mezcla com-bustible, compuesta de 50% en peso de etano (C2H6) y 50% en peso de propano (C3H8), con 28571.43 mol/min de aire. La conversión molar del etano es del 100% y la conversión molar del propano es del 80%. Un análisis de los gases de combustión entrega que estos contienen 1.6424% molar de CO en base húmeda. Determine:

La composición molar de los gases de combustión en base húmeda.

a)

El porcentaje de exceso del oxigeno alimentado.b)

Horno

50% peso C2H6

50% peso C3H8

1000 mol/min

28571,43 mol/minAire

1,6424 % molar CO

balance de masa

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