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Balances de Materia...

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  • 1. Balances de Materia Elementos

2. 2.1. Conservacin de la materia

  • Para sistemas que no involucren reacciones nucleares,la ecuacin general de conservacin de la materia puede ser escritacomo:
  • Salida de materia= Entrada de materia + Generacin Consumo Acumulacin
  • Para procesos en estado estacionario, es decir si no existe reaccin qumica:
  • Entrada de materia = Salida de materia

3. Ejercicio 2.1. 2000 kg de una solucin de hidrxido de sodio al 5% en agua, ser preparada por dilucin de una solucin al 20%.Calcular las cantidades requeridas.Los porcentajes se dan en peso (w/w). F1= w H20 = 1 w/w F2= w NaoH = 0.20 w/w F3= 2000 Kg w NaoH = 0.05w/w 4. 2.2.Unidades usadas para expresar composiciones

  • x= fraccin molar
  • w= fraccin msica:corriente lquidas
  • Cuando se expresa una composicin como un porcentaje, esimportante establecer claramente la base: peso, molar o volumen.
  • Las abreviaciones que usaremos:w/w: peso peso
  • v/v: volumen volumen:corrientes gaseosa
  • Ejercicio 2.2. cido clordrico de grado tcnico tiene una concentracin de 20% w/w , exprese la concentracin como % molar

5. 2.3.Estequiometra

  • Estequiometra (stoikeion elemento ) es la aplicacin prctica de la ley de proporciones mltiples.La ecuacin estequiomtrica de una reaccin qumica, establecesin ambigedad el nmero de molculas de reactantes y productos que intervienen en una reaccin.
  • Ejercicio 2.3. Balancear la ecuacin global para la manufacturade cloruro de vinilo a partir de etileno, cloro y oxgeno.
  • A(C 2 H 4 ) + B(Cl 2 ) + C(O 2 )-> D(C 2 H 3 Cl) + E(H 2 O)

6. 2.4.Seleccin de fronteras de control

  • Las fronteras de control de un sistema define la parte del proceso, sobre la cual se va ha realizar el balance de materia (proceso completoy subdivisiones del proceso).
  • Existen unas reglas rpidas y generales acerca de como realizar una seleccin adecuada de fronteras de control para todos los tipos de balances de materia:
    • En sistemas complejos, delimitar fronteras al proceso completo y si es posible calculas los flujos de entrada y salida.
    • Seleccionar fronteras para subdividir cada uno de los procesos en etapas simples y hacer los balances de materia para cada etapa por separado.

7.

  • Ejercicio 2.4. El diagrama muestra los principales pasos en un proceso para la produccin de un polmero.Dados los siguientes datos, calcule los flujos de corriente para una tasa deproduccin de 10000 kg/h.
  • Reactor:Rendimiento sobre el polmero100 %
  • Corriente para polimerizacin20 % monmero / H 2 O
  • Conversin 90 %
  • Catalizador1 kg / 1000 kg monmero
  • Agente short - stopping0.5 kg / 1000 kg monmero noreaccionante.
  • Filtro:Agua de lavado aproximadamente 1 kg / kg polmero
  • Columna de recuperacin:98 % recuperacin de monmero
  • Secadero:Alimentacin 5% agua, especificacin de producto 0.5% H 2 O.
  • Prdidas de polmero en secador y filtro:aprox. 1%
  • Calcular la cantidad de monmero alimentado al proceso.

8. Prdidas 9. 2.5.Seleccin de la base de clculo

  • Tiempo.Seleccionar la base de tiempo utilizada para presentar los resultados.Por ejemplo kg / h, Ton / h
  • Para procesos batch, utilizar una unidad batch.
  • Seleccionar como base msica la corriente de flujo para la cual existe mayor informacin.
  • Es ms fcil trabajar en moles que en peso cuando no existen reacciones qumicas involucradas.
  • Para gases, si las composiciones estn dadas en base volumtrica, usar como base una unidad de volumen.Recordar que las fracciones en volumen son equivalentes a fracciones molares siempre y cuando las presiones sean moderadas.

10. 2.6.Nmero de componentes independientes

  • Sistemas fsicos, sin reaccin qumica
  • El nmero de componentes independientes es igual al nmero de especies qumicas.
  • Sistemas qumicos, con reaccin.
  • El nmero de componentes independientes puede ser calculado por la expresin:
  • N componentes independientes = N de especies qumicas N de ecuaciones qumicas

11. Ejercicio 2.5. Calcular el nmero de componentes independientes del siguiente proceso 12. 2.7Restricciones sobre el flujo y las composiciones

  • Los flujos de los componentes en una corriente son completamente definidos especificando cualquiera de los siguientes:
    • El flujo (o cantidad) de cada componente.
    • El flujo total (o cantidad) y la composicin.
    • El flujo de un componente (o cantidad) y la composicin.
  • Recordar que la suma de las fracciones en peso o molares de los componentes de una corriente debe ser igual a1.

13.

  • Ejercicio 2.6. Una corriente de alimentacin a un reactor contiene:16% de etileno, 9% de oxgeno, 31% de nitrgeno, y cido clorhdrico.Si el flujo de etileno es 5000 Kg/h, calcular los flujos individuales y el flujo total.Todos los porcentajes estn en peso.

14. 2.8Componentes de enlace

  • Si un componente pasa a travs de una unidad de proceso sin ningn cambio, este puede ser usado para enlazar las composiciones de entrada y de salida.
  • Ejercicio 2.7. Se aade dixido de carbono a una velocidad de 5 kg/ h en una corriente de aire y el aire es muestreado a una distancia corriente abajo lo suficientemente grande para asegurar una mezcla completa.Si el anlisis muestra 0.45% v/v CO 2, calcular la velocidad de flujo de aire. Contenido de CO2 en el aire = 0.03%.

15.

  • Ejercicio 2.8.En un ensayo sobre un horno que quema gas natural (96% de metano, 4% nitrgeno), se obtuvo el siguiente anlisis: 9.1% de dixido de carbono, 0.2% de monxido de carbono, 4.6% de oxgeno, 86.1% de nitrgeno, todos los porcentajes en volumen.
  • Calcular el porcentaje de aire en exceso.
  • Reaccin:
  • CH4+2O2-> CO2+2H2O

16. 2.9Reactivo en exceso

  • Ejercicio 2.9:Para asegurar una combustin completa, 30% de aire en exceso es suministrado a un quemador para la combustin de gas natural.La composicin del gas (por volumen) es 95% de metano, 5% de etano.Calcular los moles de aire requerido por mol de combustible.
  • CH 4 +2O 2-> CO 2 +2H 2 O
  • C 2 H 6 +(3/2)O 2-> 2CO 2 +3H 2 O

17. 2.10Conversin y rendimiento

  • CONVERSIN.Es una medida de la fraccin de reactivo que reacciona.

18.

  • Ejericio 2.10 :En la manufactura de cloruro de vinilo (VC) por pirolisis de dicloroetano (DCE), la conversin de un reactor est limitada al 55% para reducir la formacin de carbn, el cual puede deteriorar los tubos del reactor.Calcular la cantidad de dicloroetano necesaria para producir 6000 kg / hVC.
  • C 2 H 4 Cl 2 -> C 2 H 3 Cl + HCl

19.

  • RENDIMIENTO.Es una medida de la eficiencia de un reactor o una planta.

20.

  • Ejercicio 2.11: En la produccin de etanol por la hidrlisis de etileno, se produce dietileter como subproducto.Una composicin tpica de la corriente de alimentacin es:55% etileno, 5% inertes, 40% agua, y una corriente de producto:52.26% etileno, 5.49% alcohol, 0.16% eter, 36.81% de agua, 5.28% de inertes.Calcular el rendimiento de etanol y eter basado en etileno.

21.

  • Ejericicio 2.12 :En la cloracin de etileno para producir dicloroetano (DCE), la conversin de etileno es reportada como 99%.Si 90 moles de DCE son producidos por 100 moles de etileno alimentado, calcular el rendimiento global y el rendimiento del reactor basado en etileno.El etileno que no ha reaccionado no es recuperado.
  • C2H4+Cl2 ->C2H4Cl2

22. 2.11Procesos con reciclo, purga y derivacin

  • Ejercicio 2.13: Una columna de destilacin separa 10000 kg/h de una mezcla de 50% de benceno y 50% de tolueno.El producto D recuperado del condensador en la parte superior de la columna contiene 95% de tolueno.El flujo de vapor V que entra en el condensador desde la parte superior de la columna es de 8000 kg/h.Una porcin del producto del condensador se devuelve a la columna como reflujo, y el resto se extrae para usarse en otro sitio.Suponga que la composicin del flujo en la parte superior de la columna (V), del producto extrado (D), y del reflujo (R) son idnticas porque el flujo V se condensa por completo.Calcule la razn entre la cantidad reflujada R y el producto extrado D.

23.