Cosas de Falcao

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    12-Aug-2015

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<p>PROGRAMA UNIVERSIDAD VIRTUAL</p> <p>SOLUCIONARIO CAPTULO III LIBRO: BALANCES DE MATERIA Y ENERGA GIRONTZAS V. REKLAITIS</p> <p>POR: ING. QUMICO. BEN - HUR VALENCIA VALENCIA</p> <p>UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES JULIO DE 2005</p> <p>PRESENTACIONLuego de la aparicin del texto de Balances de Materia y Energa del Doctor Girontzas V. Reklaitis, en 1986, no ha habido ningn texto nuevo en el rea, ni suyo ni de ningn otro autor, que trate de manera tan magistral el anlisis de los Balances. El tratamiento matemtico propuesto es completamente general y permite que el resolver problemas de Balance de Materia y Energa pase de arte a Ciencia, ocupando por ello al lado de otros autores - un lugar preferencial en el desarrollo del rea, vital para el estudio de la Ingeniera Qumica. Esta Segunda Edicin del SOLUCIONARIO del Captulo III corrige algunos errores de la Edicin anterior y, lo que es ms importante, muestra el uso de programas para calculadoras resolver de una manera rpida los problemas de Balances de Materia. A la forma tradicional de resolver los problemas de la anterior Edicin se adiciona la solucin utilizando el programa Solvesys de la calculadora Hewlett Packard 48-GX, mostrando lo valioso de esta herramienta en la solucin de problemas. Este Solucionario lo complementa el trabajo sobre SOLUCION DE PROBLEMAS DE BALANCES DE MATERIA Utilizando la Hewlett Packard 48GX, 49, en el que se muestra la forma de utilizar el Programa y las recomendaciones para su aplicacin en el planteamiento del Sistema de Ecuaciones de Balance, que puede consultarse en la pgina _______________. Como se ver en la introduccin, se hace mayor nfasis en la Estrategia de Solucin, en la Confirmacin de los Grados de Libertad como una herramienta til en el planteamiento de la Estrategia de Solucin y la utilizacin de la Tabla de Balance en los problemas complejos que permiten</p> <p>El presente Solucionario, fruto de mi experiencia de 28 aos en la ctedra de Balances de Materia y Energa, muestra una metodologa de solucin a partir de las ideas del profesor Reklaitis y lo presenta a sus estudiantes como un material de apoyo que les permita desarrollar yfijar los conceptos bsicos en el estudio de los Balances de Materia y Energa.</p> <p>BEN-HUR VALENCIA V. Manizales, Julio del 2005.</p> <p>INTRODUCCION En la solucin de los problemas se muestra la Reconfirmacin de la Tabla de Grados de Libertad como una forma de poder analizar de manera cualitativa cules son las incgnitas y cules las ecuaciones para cada una de las unidades, y an para el proceso completo. Adems, la Reconfirmacin se utiliza para mostrar de una manera cualitativa, tambin, el desarrollo de la Estrategia de solucin. Lo anterior se explicar, con el problema 2.26: Su Tabla de Grados de Libertad es:</p> <p>Abs. NVI NBMI NFC NCC NRC R1 R2 R3 R4 G de L 12 4 0 3 (+1) 4</p> <p>Destilado Diviso Agotado Globa Mez. Proceso r r r l 9 9 7 3 26 12 3 3 3 1 14 4 0 0 0 0 0 0 2 4 1 1 2 2 2 2 0 2 6 1 1 1 2 1 5 1 1 1</p> <p>De manera cuantitativa puede apreciarse los Grados de Libertad de cada una de las Unidades: as por ejemplo, el Destilador: 4 y el Agotador: 2. Pero como se muestra en la Reconfirmacin de la Tabla de Grados de Libertad que aparece a continuacin:: Absorbedor: Incgnitas = 8 (N , N , N , xH2S, N , N , xCO2, xH2S) 4 (balances) 41 2 3 3 4 5 5 5</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Destilador:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>7 (N , xCO2, xH2S, N , xCO2, N , xH2S) 3 (balances) 43 3 3 7 7 7 8 8</p> <p>5</p> <p>5</p> <p>5</p> <p>6</p> <p>6</p> <p>7</p> <p>7</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Divisor:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>8 (N , xCO2, xH2S, N , xCO2, xH2S, N , xH2S) 3 (balances) + 3 (R1, R4) 28 8 9 10 10 CO2)</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Agotador:</p> <p>Incgnitas Ecuaciones = G de L =</p> <p>=</p> <p>5 (N , xH2S, N , N , x</p> <p>3 (balances) 24 9 11</p> <p>Mezclador:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>3 (N , N , N ) 1 (balances) 21 2 6 6 10 10 CO2, 11</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Global:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>7 (N , N , N , xCO2, N , x 4 (balances) + 2 (R2, R3) 1</p> <p>N )</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>no solamente se conocen esos valores, sino que muestra CULES son las incgnitas y CULES son las ecuaciones que originan esos Grados de Libertad. Su utilizacin en la Estrategia de Solucin es anloga. El problema tiene la siguiente estrategia:</p> <p>Estrategia de Solucin: 1. Tomando Base de Clculo en el Proceso Global y resolvindolo sus balances (se 1 2 6 6 10 10 asumi que los porcentajes son molares) se conocen: N , N , N , xCO2, N , x CO2 y N . Se agota el balance de Inertes. 2. Actualizando Grados de Libertad se encuentra que: 1 2 Absorbedor: G de L A = 4 2 (N , N ) + 1 (Balance de Inertes) = 3 6 6 Destilador: G de L A = 4 1 (N ) 1 (xCO2) = 2 Agotador: Mezclador: G de L A = 2 1 (N ) 1 (x G de L A = 2 1 (N )11 10 10 CO2) 11</p> <p>= 0</p> <p>= 1</p> <p>S en este momento consideramos la Reconfirmacin de Grados de Libertad para las Unidades actualizadas, DESCONTANDO en cada una de ellas las incgnitas conocidas tendremos de nuevo una informacin CUALITATIVA de los Grados de Libertad con que quedan estas Unidades (se ponen en negrilla y subrayadas en la Reconfirmacin inicial): Absorbedor: Incgnitas = 6 ( N , N , N , xH2S, N , N , xCO2, xH2S) 3 (balances) 1 (Balance agotado) 35 5 5 6 6 7 7 1 2 3 3 4 5 5 5</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Destilador:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>5 (N , xCO2, xH2S, N , xCO2, N , xH2S) 3 (balances) 28 8 9 10 10 CO2)</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Agotador:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>3 (N , xH2S, N , N , x 3 (balances) 0</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>Mezclador:</p> <p>Incgnitas</p> <p>=</p> <p>2 (N , N , N ) 1 (balances) 1</p> <p>4</p> <p>9</p> <p>11</p> <p>Ecuaciones = G de L =</p> <p>En la Estrategia se resuelve a continuacin el absorbedor ya que encontramos un sistema con 8 8 9 tres ecuaciones de Balance y 3 incgnitas (N , xH2S, N ) Un anlisis similar a cualquier otra Unidad nos ensea cules son las incgnitas, las ecuaciones y los Grados de Libertad resultantes: El anlisis del Destilador muestra que tiene, en este momento: Cinco Incgnitas 5 5 7 7 xCO2, xH2S, N , xH2S) y 3 ecuaciones de Balance, siendo sus Grados de Libertad de 2. (N ,5</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III 3.1.</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>a. Escriba una reaccin qumica balanceada para la reaccin de 1 mol de C8H12S2 con O2 para producir CO2, H2O y SO2. b. Calcule la velocidad de produccin de todas las sustancias, si se hacen reaccionar 2 moles/h de C8H12S2 con una cantidad estequiomtrica de O2. c. Calcule la velocidad de la reaccin.</p> <p>SOLUCIN a. Escriba una reaccin qumica balanceada para la reaccin de 1 mol de C8H12S2 con O2 para producir CO2, H2O y SO2. La ecuacin balanceada es: C8H12S2 + 13 O2 8 CO2 + 6 H2O + 2 SO2</p> <p>b. Calcule la velocidad de produccin de todas las sustancias, si se hacen reaccionar 2 moles/h de C8H12S2 con una cantidad estequiomtrica de O2. Con base en la simbologa utilizada y la estequiometra de la reaccin:Entrada N C8 H12S2 = 2</p> <p>mol h</p> <p>y</p> <p>Entrada = 26 N O2</p> <p>mol h</p> <p>A partir de las ecuaciones de definicin:Salida Entrada R C8 H12S2 = N C8 H12S2 N C8 H12S2 = 0 2 = 2 Salida Entrada = 0 26 = 26 R O2 = N O2 N O2 Salida Entrada R CO2 = N CO2 N CO2 = 16 0 = 16</p> <p>mol h</p> <p>mol h mol h mol h</p> <p>R H 2O = N Salida N Entrada = 12 0 = 12 H 2O H 2OEntrada R SO2 = N Salida N SO2 = 4 0 = 4 SO2</p> <p>mol h1</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III c. Calcule la velocidad de la reaccin. Los coeficientes estequiomtricos para reactivos y productos son: C8 = 1 La velocidad de reaccin es: O2 = 13 CO2 = 8</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p> H2O = 6</p> <p> SO2 = 2</p> <p>r=</p> <p>R 2 mol 26 mol 16 mol 12 mol 4 mol = = = = = 1 h 13 h 8 h 6 h 2 h r=2 mol h</p> <p>3.2.</p> <p>La combustin de C3H6 hasta CO2 y H2O puede describirse por cualquiera de las reacciones: C3H6 o la reaccin: 2 C3H6 + 9 O2 6 CO2 + 6 H2O + 9/ O2 2 3 CO2 + 3 H2O</p> <p>Suponga que se hacen reaccionar 10 moles/h de C3H6 con 50 moles/h de O2, logrndose la conversin completa de C3H6. Calcule las velocidades de reaccin que se obtienen con cada reaccin. Explique de qu manera se relacionan las dos velocidades y por qu.</p> <p>SOLUCIN Para la primera reaccin: C3H6 + 9/ O2 2 3 CO2 + 3 H2O</p> <p>Los coeficientes estequiomtricos son: C3H6 = 1 O2 = 9/2 CO2 = 3 H2O = 3</p> <p>2</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III Por tanto:Entrada N C3H6 = 10</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>mol h mol h</p> <p>Entrada = 50 N O2</p> <p>mol h mol h</p> <p>Salida N CO2 = 30</p> <p>mol h</p> <p>N Salida = 30 H 2O</p> <p>Salida N O2 = ( 50 45 ) = 5</p> <p>La velocidad de reaccin es:</p> <p>r1 =</p> <p>0 10 mol 5 50 mol 30 0 mol 30 0 mol = = = 1 h 4.5 h 3 h 3 h r 1 = 10 mol h</p> <p>Para la segunda reaccin: 2 C3H6 + 9 O2 6 CO2 + 6 H2O</p> <p>Los coeficientes estequiomtricos son: C3H6 = 2 La velocidad de reaccin es: O2 = 9 CO2 = 6 H2O = 6</p> <p>r2 =</p> <p>0 10 mol 5 50 mol 30 0 mol 30 0 mol = = = 2 h 9 h 6 h 6 h r 2 =5 mol h</p> <p>Se encuentra que r1 = 2 r2 porque la segunda reaccin se obtiene multiplicando la primera por 2, lo que significa que sus coeficientes estequiomtricos sern el doble. Como las dos reacciones explican la transformacin qumica de la misma cantidad de propano (10 mol/h), la velocidad de la segunda reaccin debe ser la mitad de la velocidad de la primera.</p> <p>3</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III 3.3. Considere la reaccin:</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>3 C2H5OH + 2 Na2Cr2O7 + 8 H2SO4 3 CH3COOH + 2 Cr2(SO4)3 + 2 Na2SO4 + 11 H2O a. Si una alimentacin al reactor tiene la composicin (porcentaje en mol) de 20 % de C2H5OH, 20 % de Na2Cr2O7 y el resto H2SO4, cul es el reactivo limitante? b. Si se alimenta a un reactor 230 kg/h de C2H5OH, qu flujos de alimentacin de los otros dos reactivos seran necesarios para tener una mezcla estequiomtrica de alimentacin?</p> <p>SOLUCIN a. Si una alimentacin al reactor tiene la composicin (porcentaje en mol) de 20 % de C2H5OH, 20 % de Na2Cr2O7 y el resto H2SO4, cul es el reactivo limitante? La reaccin es: 3 C2H5OH + 2 Na2Cr2O7 + 8 H2SO4 3 CH3COOH + 2 Cr2(SO4)3 + 2 Na2SO4 + 11 H2O Para una mezcla de alimentacin de 100 moles, las cantidades molares de etanol, cromato y sulfrico son 20, 20 y 60 respectivamente. Los coeficientes estequiomtricos son: C2H5OH = 3 Na2Cr2O7 = 2 H2SO4 = 8</p> <p>Al calcular la relacin entre el nmero de moles que entra y el coeficiente estequiomtrico para cada uno de los reactivos se tiene que:entrada N C2 H5OH</p> <p> C2 H5OH</p> <p>20 = = 6.67 3N entrada H 2SO4 H 2SO4 =</p> <p>N entrada O7 Na 2Cr2 Na 2Cr2O760 = 7.50 8</p> <p>=</p> <p>20 = 10 2</p> <p>Comparndolas entre ellas, la menor de las tres relaciones es 6.67, o sea que el reactivo limite es el etanol.</p> <p>4</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>b. Si se alimenta a un reactor 230 kg/h de C2H5OH, qu flujos de alimentacin de los otros dos reactivos seran necesarios para tener una mezcla estequiomtrica de alimentacin? C2H5OH que entra = 230 kg = (230/46) kg - mol = 5 kg mol Na2Cr2O7 necesario = (5 2)/3 kg - mol = 3.333 kgmol = 873.33 kg H2SO4 necesario = (5 8)/3 kg - mol = 13.333 kgmol = 1306.667 kg</p> <p>3.4.</p> <p>A un reactor se alimenta una mezcla equimolar de las sustancias A, B y C, para producir el producto D mediante la reaccin: A + 2 B + 3/ C 2 2 D + E</p> <p>Si la conversin en el reactor es del 50 %, calcule el nmero de moles del producto D que se forman por mol de alimentacin al reactor.</p> <p>SOLUCIN La reaccin es: A + 2 B + 3/ C 2 2 D + E</p> <p>Los coeficientes estequiomtricos de los reactivos son: A=1 B=2 C = 3/2</p> <p>Es necesario encontrar el reactivo lmite para determinar a cul de ellos se refiere la conversin. Para una mol de reactivos, las cantidades de A, B y C ser de 1/3 mol para cada uno:entrada N entrada = N entrada = N C = A B</p> <p>1 3</p> <p>5</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III Por tanto:</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>N entrada A A</p> <p> 1 1 3 = = 1 3entrada NC</p> <p>N entrada B B</p> <p> 1 1 3 = = 3 6</p> <p>C</p> <p> 1 2 3 = = 3 9 2</p> <p>La cantidad menor es 1/6 , lo que significa que el compuesto B es el reactivo lmite y la conversin de 50 % estar referida a l. La velocidad de reaccin es:</p> <p>r=</p> <p>N entrada S S</p> <p>S</p> <p>=</p> <p>N entrada B B</p> <p>1 0.5 3 1 = = mol 2 12</p> <p>Las moles del producto sern:</p> <p>N salida = D</p> <p>D</p> <p>r = 2</p> <p>1 1 mol = mol 12 6</p> <p>3.5.</p> <p>Se efecta una reaccin cuya ecuacin estequiomtrica es: A + 3 B 2 D</p> <p>Con 20 % de conversin de A. La corriente de alimentacin al reactor contiene 25 % de A y 75 % de B (porcentaje en masa) y tiene un flujo de 1000 kg/h. Si la masa molecular de A es 28 y el de B es 2: a. Calcule la masa molecular de D. b. Calcule la composicin en base masa de la corriente de salida.</p> <p>6</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III SOLUCIN a. Calcule la masa molecular de D. La reaccin es: A + 3 B 2 D y</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>A = 0.2</p> <p>Los flujos de entrada son: F Fent. A ent. B</p> <p>= 1000 0.25 = 250 kg = 750 kg</p> <p>N</p> <p>ent. A ent. B</p> <p>= (125/14) kgmol = (750/2) kg - mol</p> <p>N</p> <p>Los coeficientes estequiomtricos son: A=1 B=3 C=2</p> <p>La velocidad de reaccin es:</p> <p>r=</p> <p>A</p> <p>1 125 N entrada 125 A = 5 14 = 1 70 A</p> <p>Los flujos de salida son:</p> <p> 125 125 500 N salida = N entrada + A r = = A A 14 70 70 750 3 125 25875 N salida = N entrada + B r = = B B 70 70 2 2 125 250 N salida = N entrada + D r = 0 + = D D 70 70 Como la masa se conserva, Fsal.</p> <p>= 1000, o sea que:</p> <p>salida FA</p> <p>+</p> <p>salida FB</p> <p>+</p> <p>salida FD</p> <p>= 10007</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III y en funcin del nmero de moles y la masa molecular:</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>MM A N salida Adonde MM es la masa molecular. Reemplazando:</p> <p>+</p> <p>MM B N salida B</p> <p>+</p> <p>MM D N salida = 1000 D</p> <p>500 28 + 70Despejando,</p> <p>25875 2 + 70</p> <p>250 MM D = 1000 70</p> <p>MMD = 17</p> <p>b. Calcule la composicin en base masa de la corriente de salida. Las masas de A, B y D son respectivamente 200, 739.3 y 60.7 kg, por tanto, wA = 0.2 wB = 0.7393 wD = 0.0607</p> <p>3.6.</p> <p>El gas de bixido de cloro se utiliza en la industria papelera para blanquear la pulpa producida en un molino Kraft. El gas se produce haciendo reaccionar clorato de sodio, cido sulfrico y metanol, en reactores recubiertos de plomo: 6 NaClO3 + 6 H2SO4 + CH3OH 6 ClO2 + 6 NaHSO4 + CO2 + 5 H2O Suponga que se utilizan 14 moles de una mezcla equimolar de NaClO3 y H2SO4 por mol de CH3OH como se muestra en la figura: CH3OH Reactor NaClO3 H2SO4 Productos de reaccin</p> <p>8</p> <p>Solucionario de Reklaitis, Captulo III a. Determine el reactivo limitante.</p> <p>Ben Hur Valencia Valencia</p> <p>b. Calcule los flujos de reactivos necesarios para producir 10 toneladas mtricas por hora de ClO2, suponiendo que se obtiene una conversin del 90 %.</p> <p>SOLUCIN La reaccin es: 6 NaClO3 + 6 H2SO4 + CH3OH 6 ClO2 + 6 NaHSO4 + CO2 + 5 H2O a. Determine el reactivo limitante. Las moles de reactivos son:entrada N CH3OH = 1</p> <p>N entrada3 = 7 NaClO</p> <p>N entrada = 7 H 2SO4</p> <p>Los coeficientes estequiomtricos son: CH3OH</p> <p>=1</p> <p>NaClO3</p> <p>=6</p> <p>H2SO4</p> <p>=6</p> <p>Las relaciones entre las moles de alimentacin y los coeficientes estequiomtricos son:entrada N CH3OH</p> <p> CH3OH</p> <p>=1</p> <p>N entrada3 NaClO NaClO3</p> <p>7 = 6</p> <p>N entrada H 2SO4 H 2SO4</p> <p>=</p> <p>7 6</p> <p>El reactivo lmite...</p>